Perché hai bisogno di un condensatore in un circuito elettrico. Di cosa sono fatti i condensatori?

Un condensatore elettrico (dal latino condensatore, - uno che condensa, addensa), un dispositivo atto ad ottenere i valori richiesti di capacità elettrica e capace di accumulare (ridistribuire) cariche elettriche.

Un condensatore elettrico è costituito da due (a volte più) elettrodi conduttivi (piastre) mobili o fissi separati da un dielettrico. I piatti devono avere una forma così geometrica ed essere posizionati in modo tale l'uno rispetto all'altro da essere creati da loro campo elettrico era concentrato nello spazio tra loro. Di norma la distanza tra le piastre, pari allo spessore del dielettrico, è ridotta rispetto alle dimensioni lineari delle piastre. Pertanto, il campo elettrico che si verifica quando le piastre sono collegate a una sorgente con tensione u, è quasi completamente concentrato tra le piastre. In questo caso le capacità intrinseche parziali delle piastre elettriche sono trascurabili.

Pertanto, un condensatore è chiamato un sistema costituito, di regola, da due conduttori di carica opposta, mentre la carica che deve essere trasferita da un conduttore all'altro per caricarne uno negativamente e l'altro positivamente è chiamata carica del condensatore. Differenza di potenziale u tra le piastre del condensatore è direttamente proporzionale all'entità della carica Q situato su ciascuno di essi:

DA- il coefficiente che caratterizza il condensatore è chiamato capacità elettrica del condensatore o capacità.

Numericamente, la capacità del condensatore elettrico C è uguale alla carica Q di una delle piastre alla tensione di 1 volt:

C = Q/U.

In SI, l'unità di capacità è farad - 1 F. Un tale condensatore possiede una capacità pari a un farad, tra le cui piastre c'è una differenza di potenziale pari a un volt, con una carica su ciascuna delle piastre uguale ad un ciondolo.

I parametri, il design e la portata dei condensatori sono determinati dal dielettrico che separa le sue piastre, pertanto la classificazione principale dei condensatori elettrici viene effettuata in base al tipo di dielettrico. A seconda del tipo di dielettrico utilizzato, i condensatori possono essere ad aria, carta, mica, ceramica, elettrolitici, ecc.

In base alla capacità si distinguono condensatori di capacità fissa e condensatori di capacità variabile. I condensatori variabili e semivariabili sono prodotti con capacità controllate meccanicamente ed elettricamente. Un cambiamento di capacità in un condensatore elettrico controllato meccanicamente si ottiene molto spesso cambiando l'area delle sue piastre o (meno spesso) cambiando lo spazio tra le piastre. Protozoi condensatore ad aria capacità variabile è costituito da due sistemi isolati di piastre metalliche che entrano l'una nell'altra quando si ruota l'impugnatura: un gruppo (rotore) può muoversi in modo che le sue piastre vadano negli interstizi tra le piastre di un altro gruppo (statore). Spingendo e tirando un sistema di piastre in un altro, è possibile modificare la capacità del condensatore. I condensatori elettrici di capacità variabile con un dielettrico solido (ceramica, mica, vetro, pellicola) sono utilizzati principalmente come semivariabili (pedice) con una variazione relativamente piccola della capacità. Attualmente, i condensatori variabili controllati sono ampiamente utilizzati: varicap e varicond.

La capacità di un condensatore elettrico dipende dalla costante dielettrica del dielettrico che riempie il condensatore e dalla forma e dimensione delle sue piastre. In base alla forma delle piastre, si distinguono condensatori piatti, cilindrici e sferici.

Un condensatore piatto ne ha due piatti piani, la distanza tra cui d piccoli rispetto alle loro dimensioni lineari. Ciò consente di trascurare piccole regioni di disomogeneità campo elettrico ai bordi delle lastre e supponiamo che l'intero campo sia uniforme e concentrato tra le lastre. Carica del condensatore Qè la carica su una piastra caricata positivamente.

Capacità condensatore piatto DA:

C= ee o S/d

S è l'area di ogni rivestimento o il più piccolo di essi, d- la distanza tra i piatti, e o- costante elettrica, e- parente la costante dielettrica sostanza tra i piatti. Riempire lo spazio tra le piastre con un dielettrico aumenta la capacità e una volta.

L'energia immagazzinata da un carico tensione costante u condensatore elettrico piatto è uguale a:

W = CU 2 /2.

Insieme a un condensatore piatto, viene spesso utilizzato un condensatore multipiatto piatto, contenente n piastre collegate in parallelo.

La capacità di un condensatore cilindrico, le cui piastre sono due cilindri cavi coassiali inseriti l'uno nell'altro e separati da un dielettrico, è pari a:

C \u003d 2pipì o h¤ln (r 2 / r 1),

dove r 2 e r 1 sono i raggi dei cilindri esterno ed interno, rispettivamente, e hè la lunghezza del cilindro. In questo caso non vengono prese in considerazione le distorsioni dell'omogeneità del campo elettrico ai bordi delle piastre (effetto bordo), e quindi questi calcoli danno valori di capacità alquanto sottovalutati C.

La capacità di un condensatore sferico, che è una sfera inserita l'una nell'altra, è pari a:

C \u003d 4pipì o r 2 r 1 / (r 2 -r 1),

dove r2 e r1 sono rispettivamente i raggi delle sfere esterne e interne.

Oltre alla capacità, un condensatore elettrico ha una resistenza attiva. R e induttanza l. Di solito, condensatori elettrici utilizzato a frequenze molto inferiori a quella risonante, alla quale la sua induttanza è solitamente trascurata. La resistenza attiva di un condensatore dipende dalla resistività del dielettrico, dal materiale delle piastre e dei conduttori, dalla forma e dalle dimensioni del condensatore, dalla frequenza e dalla temperatura. La dipendenza della reattanza dei condensatori elettrici dalla frequenza viene utilizzata nei filtri elettrici.

Quando le piastre sono collegate a una sorgente di tensione costante, il condensatore viene caricato alla tensione della sorgente. La corrente che continua a fluire attraverso il condensatore dopo che è stato caricato è chiamata corrente di dispersione.

I condensatori sono caratterizzati dalla tensione di rottura - la differenza di potenziale tra le piastre del condensatore, a cui si verifica la rottura - si verifica una scarica elettrica attraverso lo strato dielettrico nel condensatore. La tensione di rottura dipende dalla forma delle piastre, dalle proprietà del dielettrico e dal suo spessore.

Le piastre del condensatore sono attratte l'una dall'altra. La forza di attrazione tra le piastre di un condensatore è chiamata forza ponderomotrice ed è calcolata dalla formula:

F \u003d -Q 2 / 2ee o S

Il segno meno indica che la forza ponderomotrice è una forza attrattiva.

Per applicazione si distinguono i condensatori elettrici a bassa frequenza a bassa tensione (capacità specifica elevata DA), bassa tensione alta frequenza (alta DA), alta tensione corrente continua, alta tensione bassa e alta frequenza (alta potenza reattiva specifica).

Per aumentare la capacità e variarne i possibili valori, i condensatori sono collegati in batterie, utilizzando le loro connessioni in serie, in parallelo o miste (costituite da serie e parallelo).

L'aumento della capacità si ottiene collegando condensatori in parallelo alla batteria. In questo caso, i condensatori sono collegati da piastre caricate in modo simile. Con una tale connessione, il valore conservato su tutti i condensatori è la differenza di potenziale e le cariche vengono sommate. La capacità totale della batteria quando i condensatori sono collegati in parallelo è uguale alla somma delle capacità dei singoli condensatori:

C \u003d C 1 + C 2 + ... + C n

Quando i condensatori sono collegati in serie, la capacità risultante è sempre inferiore alla capacità più piccola utilizzata nella batteria e ciascun condensatore rappresenta solo una parte della differenza di potenziale tra i terminali della batteria, il che riduce notevolmente la possibilità di rottura del condensatore. In connessioni seriali i condensatori sono collegati dalle loro piastre opposte. In questo caso si sommano i reciproci delle capacità e si determina la capacità risultante come segue:

1/C = (1/C n).

I condensatori elettrici sono utilizzati nei circuiti elettrici (capacità concentrate), nell'industria dell'energia elettrica (compensatori di potenza reattiva), nei generatori di tensione a impulsi, per scopi di misura (condensatori di misura e sensori capacitivi).

Il principio del dispositivo del condensatore più semplice (piatto). mostrato in fig. uno.

Riso. 1. Il principio del dispositivo di un condensatore piatto.

1 fodera,
2 dielettrico

La capacità di questo condensatoreè determinato dalla nota formula

Definito dalla formula

Utilizzando piastre di alluminio e un dielettrico a film multistrato, è possibile produrre condensatori del tipo a rulli con una capacità di accumulo specifica che varia approssimativamente da 0,1 J/kg a 1 J/kg o da 0,03 mWh/kg a 0,3 mWh/kg. A causa della bassa capacità di accumulo specifica, i condensatori di questo tipo non sono adatti per l'accumulo a lungo termine di una quantità significativa di energia, ma sono ampiamente utilizzati come fonti di potenza reattiva nei circuiti. corrente alternata e come capacità.

L'energia può essere immagazzinata in modo molto più efficiente condensatori elettrolitici, il cui principio è mostrato in Fig. 2.

Riso. 2. .

1 lamiera o lamina (alluminio, tantalio, ecc.),
2 dielettrici a ossido di metallo (Al2O3, Ta2O5 o altri),
3 carta, ecc., impregnata di elettrolita (H3BO3, H2SO4, MnO2 o altri) e glicerina

Poiché lo spessore dello strato dielettrico in questo caso rimane solitamente entro 0,1 µm, questi condensatori possono essere realizzati con una capacità molto grande (fino a 1 F), ma per una tensione relativamente piccola (di solito pochi volt).

Anche più capacità può essere ultracondensatori (supercondensatori, ionisti), le cui piastre sono un doppio strato elettrico dello spessore di pochi decimi di nanometro all'interfaccia tra l'elettrodo in grafite microporosa e l'elettrolita (Fig. 3).

Riso. 3. .

1 elettrodi di grafite microporosa,
2 elettrolita

L'area effettiva delle piastre di tali condensatori, a causa della porosità, raggiunge fino a 10.000 m2 per ogni grammo di massa dell'elettrodo, il che consente di ottenere molto grande capacità per condensatori molto piccoli. Attualmente vengono prodotti ultracondensatori per tensioni fino a 2,7 V e capacità fino a 3 kF. La loro capacità di stoccaggio specifica varia solitamente da 0,5 Wh/kg a 50 Wh/kg e ci sono prototipi con capacità di stoccaggio specifica fino a 300 Wh/kg.

Tecnologia di produzione ultracondensatoriè molto complesso e il costo per unità di energia in essi immagazzinata è quindi molto più alto di quello di altri condensatori, arrivando fino a 50.000 ?/kWh. Nonostante ciò, per la semplicità del design, le dimensioni ridotte, l'affidabilità, l'elevata efficienza (95% o più) e la durata (diversi milioni di cicli di carica-scarica), iniziarono ad essere utilizzati sia in veicoli e nelle centrali elettriche industriali al posto delle batterie elettrochimiche e di altri mezzi di accumulo di energia. Sono particolarmente vantaggiosi quando l'energia viene consumata sotto forma di brevi impulsi (ad esempio, per alimentare l'avviamento di motori a combustione interna) o quando è richiesta una rapida (seconda) carica del dispositivo di accumulo. Ad esempio, nel 2005, Shanghai ha iniziato il funzionamento di prova di autobus ultracondensatori, il cui banco di condensatori viene caricato mentre l'autobus è parcheggiato a ogni fermata.

Il condensatore più vecchio e allo stesso tempo la batteria più vecchia energia elettrica si possono considerare oggetti d'ambra, la cui elettrificazione, strofinata con un panno di lana, fu scoperta dal filosofo greco Talete intorno al 590 a.C. X. Chiamò anche questo fenomeno elettronico (dalla parola greca elettrone, 'ambra'). I primi generatori elettrostatici, inventati nel XVII secolo, erano anche condensatori sferici o cilindrici, sulla cui superficie poteva accumularsi una carica elettrica sufficiente a provocare fenomeni di scarica. Il primo vero condensatore è ancora considerato un amplificatore, inventato l'11 ottobre 1745 nel corso di esperimenti sull'elettrizzazione dell'acqua da un fisico dilettante, Dean Kamminsky (Cammin) Cattedrale Ewald Jurgen von Kleist (1700-1748) (Fig. 4);

Riso. 4. Condensatore di Ewald Jurgen von Kleist.

1 bottiglia piena d'acqua
2 chiodi, che insieme all'acqua formano il rivestimento superiore,
3 fili al generatore elettrostatico,
4 piastra metallica (rivestimento inferiore).
tensione U

Con questo dispositivo si possono distinguere chiaramente due piastre e un dielettrico tra di loro. Il primo condensatore piatto fu realizzato nel 1747 dal medico londinese John Bevis (John Bevis, 1693–1771), e il termine condensatore (it. condensatore, 'condensare') fu introdotto nel 1782 dal professore di fisica sperimentale all'Università di Pavia (Pavia, Italia) Alessandro Volta ( Alessandro Volta, 1745-1827). I primi condensatori elettrolitici furono sviluppati nel 1853 dal capo dell'Istituto fisiologico di Königsberg (Konigsberg, Germania) Hermann von Helmholtz (1821–1894) e il primo ultracondensatore con elettrodi di grafite porosa fu presentato per la brevettazione nel 1954 da un ricercatore presso l'Electric società di ingegneria General Electric ( General Electric, USA) Howard I. Becker. Uso pratico gli ultracondensatori iniziarono a svilupparsi rapidamente nei primi anni del 21° secolo.

In tutti i dispositivi di ingegneria radiofonica ed elettronici, ad eccezione di transistor e microcircuiti, vengono utilizzati condensatori. In alcuni circuiti ce ne sono di più, in altri di meno, ma praticamente non esiste alcun circuito elettronico senza condensatori.

Allo stesso tempo, i condensatori possono eseguire una varietà di attività nei dispositivi. Prima di tutto, queste sono le capacità nei filtri di raddrizzatori e stabilizzatori. Con l'aiuto di condensatori, un segnale viene trasmesso tra gli stadi di amplificazione, vengono costruiti filtri passa-basso e passa-alto, gli intervalli di tempo vengono impostati in ritardi e viene selezionata la frequenza di oscillazione in vari generatori.

I condensatori tracciano il loro pedigree da Vaso di Leida, che a metà del 18° secolo fu utilizzato dallo scienziato olandese Pieter van Mushenbroek nei suoi esperimenti. Viveva nella città di Leiden, quindi non è difficile indovinare perché questa banca si chiamasse così.

In realtà, era un normale barattolo di vetro, rivestito all'interno e all'esterno con carta stagnola - staniole. È stato utilizzato per gli stessi scopi dell'alluminio moderno, ma poi l'alluminio non è stato ancora scoperto.

L'unica fonte di elettricità a quei tempi era una macchina elettrofora in grado di sviluppare tensioni fino a diverse centinaia di kilovolt. È da lei che è stato addebitato il barattolo di Leida. I libri di testo di fisica descrivono il caso in cui Mushenbrook ha scaricato la sua lattina attraverso una catena di dieci guardie che si tengono per mano.

A quel tempo, nessuno sapeva che le conseguenze avrebbero potuto essere tragiche. Il colpo si è rivelato abbastanza sensibile, ma non fatale. Non si è arrivati a questo, perché la capacità del vaso di Leida era insignificante, l'impulso si è rivelato di breve durata, quindi la potenza di scarica era bassa.

Come funziona un condensatore

Il dispositivo del condensatore non è praticamente diverso dal vaso di Leida: tutte le stesse due piastre separate da un dielettrico. Questo è il modo in cui i condensatori sono rappresentati nei moderni circuiti elettrici. La figura 1 mostra un dispositivo schematico di un condensatore piatto e una formula per il suo calcolo.

Figura 1. Il dispositivo di un condensatore piatto

Qui S è l'area delle piastre in metri quadrati, d è la distanza tra le piastre in metri, C è la capacità in farad, ε è la permittività del mezzo. Tutte le quantità incluse nella formula sono indicate nel sistema SI. Questa formula è valida per il condensatore piatto più semplice: puoi semplicemente posizionare due piastre di metallo una accanto all'altra, da cui si traggono le conclusioni. L'aria può fungere da dielettrico.

Da questa formula si può capire che la capacità del condensatore è maggiore, maggiore è l'area delle piastre e minore è la distanza tra loro. Per condensatori con altra geometria, la formula può essere diversa, ad esempio, per la capacità di un singolo conduttore o di un cavo elettrico. Ma la dipendenza della capacità dall'area delle piastre e dalla distanza tra loro è la stessa di un condensatore piatto: maggiore è l'area e minore è la distanza, maggiore è la capacità.

In effetti, i piatti non sono sempre appiattiti. Per molti condensatori, come quelli in metallo-carta, i rivestimenti sono un foglio di alluminio arrotolato insieme a un dielettrico di carta in una palla stretta, a forma di custodia di metallo.

Per aumentare la resistenza elettrica, la carta sottile del condensatore è impregnata di composti isolanti, il più delle volte olio per trasformatori. Questo design consente di realizzare condensatori con una capacità fino a diverse centinaia di microfarad. I condensatori con altri dielettrici sono disposti approssimativamente nello stesso modo.

La formula non contiene alcun vincolo sull'area delle piastre S e sulla distanza tra le piastre d. Se assumiamo che le lastre possono essere separate molto lontano, e allo stesso tempo l'area delle lastre può essere resa abbastanza insignificante, allora una certa capacità, anche se piccola, rimarrà comunque. Tale ragionamento suggerisce che anche solo due conduttori posti uno accanto all'altro hanno capacità elettrica.

Questa circostanza è ampiamente utilizzata nella tecnologia ad alta frequenza: in alcuni casi, i condensatori sono realizzati semplicemente sotto forma di binari di cablaggio stampati, o anche solo due fili intrecciati insieme in isolamento in polietilene. Anche i normali fili o cavi hanno capacità e, con l'aumentare della lunghezza, aumenta.

Oltre alla capacità C, qualsiasi cavo ha anche la resistenza R. Entrambi Proprietà fisiche distribuiti lungo la lunghezza del cavo, e quando trasmettono segnali a impulsi, funzionano come un circuito integrato RC, mostrato in Figura 2.

Immagine. 2

Nella figura tutto è semplice: qui c'è il circuito, qui c'è il segnale in ingresso, ed eccolo in uscita. L'impulso è distorto in modo irriconoscibile, ma ciò è stato fatto apposta, per cui il circuito è stato assemblato. Nel frattempo, stiamo parlando dell'effetto della capacità del cavo sul segnale a impulsi. Invece di un impulso, una tale "campana" apparirà all'altra estremità del cavo e, se l'impulso è breve, potrebbe non raggiungere affatto l'altra estremità del cavo, potrebbe persino scomparire.

fatto storico

Qui è del tutto appropriato ricordare la storia di come è stato posato il cavo transatlantico. Il primo tentativo nel 1857 fallì: punti telegrafici - trattini (impulsi rettangolari) furono distorti in modo che nulla potesse essere smontato all'altra estremità della linea lunga 4000 km.

Il secondo tentativo fu fatto nel 1865. A questo punto, il fisico inglese W. Thompson aveva sviluppato la teoria della trasmissione dei dati su lunghe linee. Alla luce di questa teoria, la posa dei cavi si è rivelata più riuscita, i segnali sono stati ricevuti.

Per questa impresa scientifica, la regina Vittoria concesse allo scienziato il titolo di cavaliere e il titolo di Lord Kelvin. Era il nome di una cittadina sulla costa irlandese, dove iniziò la posa dei cavi. Ma questa è solo una parola, e torniamo ora all'ultima lettera della formula, cioè alla permittività del mezzo ε.

Un po' di dielettrico

Questo ε è al denominatore della formula, quindi il suo aumento comporterà un aumento della capacità. Per la maggior parte dei dielettrici utilizzati, come aria, lavsan, polietilene, fluoroplasto, questa costante è praticamente la stessa di quella del vuoto. Ma allo stesso tempo, ci sono molte sostanze la cui costante dielettrica è molto più alta. Se un condensatore ad aria è riempito con acetone o alcol, la sua capacità aumenterà di 15 ... 20 volte.

Ma tali sostanze, oltre all'alto ε, hanno anche una conduttività abbastanza alta, quindi sarà un male che un tale condensatore mantenga una carica, si scaricherà rapidamente da solo. Questo fenomeno dannoso è chiamato corrente di dispersione. Pertanto, sono in fase di sviluppo materiali speciali per i dielettrici, che consentono, con un'elevata capacità specifica dei condensatori, di fornire correnti di dispersione accettabili. Questo è ciò che spiega una tale varietà di tipi e tipi di condensatori, ognuno dei quali è progettato per condizioni specifiche.

condensatore elettrolitico

I condensatori elettrolitici hanno la capacità specifica più alta (rapporto capacità/volume). La capacità degli "elettroliti" raggiunge fino a 100.000 microfarad, tensione operativa fino a 600 V. Tali condensatori funzionano bene solo su basse frequenze, il più delle volte nei filtri di alimentazione. I condensatori elettrolitici sono collegati rispetto alla polarità.

Gli elettrodi in tali condensatori sono una sottile pellicola di ossido di metallo, motivo per cui questi condensatori sono spesso chiamati condensatori di ossido. Un sottile strato d'aria tra tali elettrodi non è un isolante molto affidabile, pertanto tra le piastre di ossido viene introdotto uno strato di elettrolita. Molto spesso si tratta di soluzioni concentrate di acidi o alcali.

La figura 3 mostra uno di questi condensatori.

Figura 3. Condensatore elettrolitico

Per stimare le dimensioni del condensatore, è stata fotografata accanto ad essa una semplice scatola di fiammiferi. Oltre ad una capacità sufficientemente ampia in figura, si vede anche la tolleranza percentuale: né più né meno del 70% del nominale.

A quei tempi, quando i computer erano grandi e venivano chiamati computer, tali condensatori erano nelle unità disco (nei moderni HDD). La capacità di informazioni di tali unità ora può solo far sorridere: due dischi con un diametro di 350 mm memorizzavano 5 megabyte di informazioni e il dispositivo stesso pesava 54 kg.

Lo scopo principale dei supercondensatori mostrati in figura era quello di rimuovere le testine magnetiche dall'area di lavoro del disco in caso di interruzione improvvisa di corrente. Tali condensatori potrebbero immagazzinare una carica per diversi anni, cosa che è stata testata nella pratica.

Di seguito con i condensatori elettrolitici, verrà proposto di fare alcuni semplici esperimenti per capire cosa può fare un condensatore.

Per il funzionamento in circuiti CA vengono prodotti condensatori elettrolitici non polari, ma per qualche motivo è molto difficile ottenerli. Per aggirare in qualche modo questo problema, i soliti "elettroliti" polari vengono accesi in controserie: più-meno-meno-più.

Se un condensatore elettrolitico polare è collegato a un circuito a corrente alternata, all'inizio si scalderà e quindi si sentirà un'esplosione. I vecchi condensatori domestici sono sparsi in tutte le direzioni, mentre quelli importati hanno un dispositivo speciale per evitare colpi forti. Questo, di regola, è una tacca incrociata sul fondo del condensatore o un foro con un tappo di gomma situato lì.

A loro non piacciono proprio i condensatori elettrolitici. sovratensione anche se la polarità è corretta. Pertanto, non è mai necessario inserire "elettroliti" in un circuito in cui è prevista una tensione prossima al massimo questo condensatore.

A volte in alcuni forum, anche rispettabili, i principianti fanno la domanda: "Il condensatore è 470µF * 16V, ma ho 470µF * 50V, posso metterlo?". Sì, certo che puoi, ma la sostituzione inversa è inaccettabile.

Il condensatore può immagazzinare energia

Aiuterà a capire questa affermazione. circuito semplice mostrato in Figura 4.

Figura 4. Circuito con un condensatore

Il personaggio principale di questo circuito è un condensatore elettrolitico C di capacità sufficientemente grande in modo che i processi di carica-scarica procedano lentamente, e anche molto chiaramente. Ciò consente di osservare visivamente il funzionamento del circuito utilizzando una lampadina convenzionale da una torcia. Queste lanterne hanno da tempo lasciato il posto a quelle moderne a LED, ma le lampadine per loro sono ancora vendute. Pertanto, raccogli lo schema e la condotta semplici esperimenti molto semplice.

Forse qualcuno dirà: “Perché? In fondo è tutto ovvio, e se leggi anche la descrizione…”. Sembra che non ci sia nulla da discutere qui, ma qualsiasi cosa, anche la più semplice, rimane nella testa per molto tempo se la sua comprensione è arrivata attraverso le mani.

Quindi, lo schema è assemblato. Come funziona?

Nella posizione dell'interruttore SA mostrata nel diagramma, il condensatore C viene caricato dall'alimentatore GB attraverso il resistore R nel circuito: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. La corrente di carica nel diagramma è indicata da una freccia con l'indice iz. Il processo di carica di un condensatore è mostrato nella Figura 5.

Figura 5. Processo di carica del condensatore

La figura mostra che la tensione ai capi del condensatore aumenta lungo una linea curva, in matematica chiamata esponenziale. La corrente di carica rispecchia direttamente la tensione di carica. All'aumentare della tensione ai capi del condensatore, la corrente di carica si riduce. E solo nel momento iniziale corrisponde alla formula mostrata in figura.

Dopo qualche tempo, il condensatore si caricherà da 0 V alla tensione di alimentazione, nel nostro circuito fino a 4,5 V. L'intera domanda è come determinare questa volta, quanto tempo aspettare, quando verrà caricato il condensatore?

Costante di tempo "tau" τ = R*C

Questa formula moltiplica semplicemente la resistenza e la capacità di un resistore e un condensatore collegati in serie. Se, senza trascurare il sistema SI, sostituiamo la resistenza in Ohm, la capacità in Farad, il risultato sarà in secondi. Questo è il tempo necessario al condensatore per caricare fino al 36,8% della tensione di alimentazione. Di conseguenza, per un addebito di quasi il 100%, ci vorrà tempo 5 * τ.

Spesso, trascurando il sistema SI, sostituiscono nella formula la resistenza in ohm e la capacità in microfarad, quindi il tempo sarà in microsecondi. Nel nostro caso, è più conveniente ottenere il risultato in secondi, per i quali devi solo moltiplicare i microsecondi per un milione o, più semplicemente, spostare la virgola di sei cifre a sinistra.

Per il circuito mostrato in Figura 4, con una capacità del condensatore di 2000uF e un resistore di 500Ω, la costante di tempo sarà τ = R*C = 500 * 2000 = 1.000.000 di microsecondi, ovvero esattamente un secondo. Pertanto, dovrai attendere circa 5 secondi prima che il condensatore sia completamente carico.

Se dopo il tempo specificato l'interruttore SA viene spostato nella posizione corretta, il condensatore C verrà scaricato attraverso la lampadina EL. A questo punto si verificherà un breve lampeggio, il condensatore si scaricherà e la spia si spegnerà. La direzione della scarica del condensatore è indicata da una freccia con indice ip. Il tempo di scarica è anche determinato dalla costante di tempo τ. Il grafico della scarica è mostrato in Figura 6.

Figura 6. Grafico della scarica del condensatore

Il condensatore non passa corrente continua

Uno schema ancora più semplice, mostrato in Figura 7, aiuterà a verificare questa affermazione.

Figura 7. Schema con un condensatore in un circuito CC

Se l'interruttore SA è chiuso, seguirà un breve lampeggio della lampadina, che indica che il condensatore C è stato caricato attraverso la lampadina. Qui viene mostrato anche il grafico di carica: nel momento in cui l'interruttore si chiude, la corrente è massima, poiché il condensatore si carica, diminuisce e dopo un po' si ferma completamente.

Se il condensatore buona qualità, cioè. con una bassa corrente di dispersione (autoscarica), richiudendo l'interruttore non si verificherà un lampo. Per ottenere un altro lampo, il condensatore dovrà essere scaricato.

Condensatore nei filtri di potenza

Il condensatore è posizionato, di regola, dopo il raddrizzatore. Molto spesso, i raddrizzatori sono realizzati a onda intera. I circuiti raddrizzatori più comuni sono mostrati nella Figura 8.

Figura 8. Circuiti raddrizzatori

Anche i raddrizzatori a semionda vengono utilizzati abbastanza spesso, di norma, nei casi in cui la potenza del carico è trascurabile. La qualità più preziosa di tali raddrizzatori è la semplicità: solo un diodo e un avvolgimento del trasformatore.

Per un raddrizzatore a onda intera, la capacità del condensatore del filtro può essere calcolata dalla formula

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU Tensione AC Hz, dU ampiezza della pulsazione V.

Un numero elevato nel numeratore di 1000000 converte la capacità da farad di sistema a microfarad. Il due al denominatore è il numero di semicicli del raddrizzatore: per una semionda ne apparirà uno al suo posto

C \u003d 1000000 * Po / U * f * dU,

E per un raddrizzatore trifase, la formula assumerà la forma C \u003d 1000000 * Po / 3 * U * f * dU.

Supercondensatore - ionizzatore

Recentemente è apparsa una nuova classe di condensatori elettrolitici, il cosiddetto ionistor. Nelle sue proprietà è simile a una batteria, con diverse limitazioni.

Lo ionistor viene caricato alla tensione nominale in breve tempo, letteralmente in pochi minuti, quindi è consigliabile utilizzarlo come fonte di alimentazione di riserva. Infatti lo ionistor è un dispositivo non polare, l'unica cosa che ne determina la polarità è la carica in fabbrica. Per non confondere questa polarità in futuro, è indicata dal segno +.

Un ruolo importante è svolto dalle condizioni operative degli ionizzatori. Ad una temperatura di 70˚C ad una tensione di 0,8 del valore nominale, la durata garantita non supera le 500 ore. Se il dispositivo funziona a una tensione di 0,6 della tensione nominale e la temperatura non supera i 40 gradi, è possibile un funzionamento corretto per 40.000 ore o più.

L'applicazione più comune di uno ionistore sono le sorgenti alimentazione di riserva. Fondamentalmente, questi sono chip di memoria o orologi elettronici. In questo caso, il parametro principale dello ionizzatore è una piccola corrente di dispersione, la sua autoscarica.

Abbastanza promettente è l'uso di ionizzatori in combinazione con i pannelli solari. Influisce anche sulla non criticità della condizione di carica e sul numero praticamente illimitato di cicli di carica-scarica. Un'altra proprietà di pregio è che lo ionistor non necessita di manutenzione.

Classificazione dei condensatori.

Immagine 1.

Designazione convenzionale sui diagrammi.

A seconda dello scopo, i condensatori sono divisi in due grandi gruppi: scopi generali e speciali.

Il gruppo per uso generico comprende condensatori ampiamente utilizzati utilizzati nella maggior parte dei tipi e classi di apparecchiature. Tradizionalmente, include i condensatori a bassa tensione più comuni, che non hanno requisiti speciali.

Tutti gli altri condensatori sono speciali. Questi includono: alta tensione, impulso, soppressione del rumore, dosimetrico, avviamento, ecc.

A seconda del metodo di installazione, i condensatori possono essere realizzati per circuiti stampati e montaggio su superficie, nonché come parte di micromoduli e microcircuiti o per interfacciarsi con essi. I terminali del condensatore per montaggio a parete possono essere rigidi o morbidi, assiali o radiali, realizzati in filo tondo o nastro, a forma di petali, con ingresso cavo, a forma di prigionieri passanti, viti di supporto, ecc.

In base alla natura della protezione dalle influenze esterne, i condensatori sono realizzati: non protetti, protetti, non isolati, isolati, sigillati e sigillati.

I condensatori non protetti consentono il funzionamento in condizioni di elevata umidità solo come parte di apparecchiature sigillate ermeticamente. I condensatori protetti consentono il funzionamento in apparecchiature di qualsiasi tipo. I condensatori nudi (rivestiti o non rivestiti) non consentono al loro corpo di toccare il telaio dell'apparecchiatura. I condensatori isolati hanno un rivestimento isolante abbastanza buono e consentono di toccare il telaio dell'apparecchiatura. I condensatori sigillati hanno una struttura del corpo sigillata con materiali organici. I condensatori ermeticamente sigillati hanno un design ermetico dell'alloggiamento che elimina la possibilità di comunicazione ambiente con il suo interno. La sigillatura viene eseguita utilizzando custodie in ceramica e metallo o boccette di vetro. In base al tipo di dielettrico, tutti i condensatori possono essere suddivisi in gruppi: con dielettrico organico, inorganico, gassoso e di ossido.

Condensatori(dal latino condenso - condenso, addenso) - si tratta di elementi radio con una capacità elettrica concentrata formati da due o più elettrodi (piastre) separati da un dielettrico (carta sottile speciale, mica, ceramica, ecc.). La capacità del condensatore dipende dalla dimensione (area) delle piastre, dalla distanza tra loro e dalle proprietà del dielettrico.

Una proprietà importante di un condensatore è che per la corrente alternata è una resistenza, il cui valore diminuisce con l'aumentare della frequenza.

Come i resistori, i condensatori sono divisi in condensatori fissi, condensatori variabili (KPI), tuning e autoregolazione. I più comuni sono i condensatori fissi. Sono utilizzati in circuiti oscillanti, vari filtri, nonché per separare circuiti CC e CA e come elementi di blocco.

Condensatori fissi. La designazione grafica convenzionale di un condensatore di capacità costante - due linee parallele - simboleggia le sue parti principali: due piastre e un dielettrico tra di loro (Fig. 54). Vicino alla designazione del condensatore nel diagramma, viene solitamente indicata la sua capacità nominale e talvolta la tensione nominale. L'unità di base della capacità è farad (F) - la capacità di un tale conduttore solitario, il cui potenziale aumenta di un volt con un aumento della carica di un ciondolo. Questo è un valore molto grande, che non viene utilizzato nella pratica. Nell'ingegneria radio, vengono utilizzati condensatori con una capacità da frazioni di picofarad (pF) a decine di migliaia di microfarad (μF). Ricordiamo che 1 microfarad equivale a un milionesimo di farad e 1 pF equivale a un milionesimo di microfarad o un trilionesimo di farad.

Secondo GOST 2.702-75, la capacità nominale da 0 a 9.999 pF è indicata sui diagrammi in picofarad senza una designazione di unità, da 10.000 pF a 9.999 microfarad - in microfarad con la designazione dell'unità di misura con le lettere mk (Fig. 55).

La capacità nominale e la deviazione consentita da essa, e in alcuni casi la tensione nominale, sono indicati sulle custodie dei condensatori.

A seconda delle loro dimensioni, la capacità nominale e lo scostamento consentito sono indicati in forma completa o abbreviata (codificata). La designazione completa della capacità è costituita dal numero e dall'unità di misura corrispondenti e, come nei diagrammi, la capacità da 0 a 9.999 pF è indicata in picofarad (22 pF, 3.300 pF, ecc.) e da 0,01 a 9.999 uF - in microfarad (0,047 uF, 10 uF, ecc.). Nell'etichettatura abbreviata, le unità di capacità sono indicate dalle lettere P (picofarad), M (microfarad) e H (nanofarad; 1 nano-farad \u003d 1000 pF \u003d 0,001 microfarad). In questo caso, la capacità da 0 a 100 pF viene indicata in picofarad, inserendo la lettera P o dopo il numero (se intero) o al posto della virgola (4,7 pF - 4P7; 8,2 pF -8P2; 22 pF - 22P; 91 pF - 91P, ecc.). La capacità da 100 pF (0,1 nF) a 0,1 μF (100 nF) è indicata in nanofarad e da 0,1 μF e oltre - in microfarad. In questo caso, se la capacità è espressa in frazioni di nanofarad o microfarad, l'unità di misura corrispondente viene posta al posto di zero e di un punto decimale (180 pF = 0,18 nF-H18; 470 pF = 0,47 nF -H47; 0,33 μF -MZZ; 0,5 μF - MbO, ecc.) e se il numero è costituito da una parte intera e una frazione - al posto del punto decimale (1500 pF = 1,5 nF - 1H5; 6,8 μF - 6M8, ecc.). Le capacità dei condensatori, espresse come numero intero delle corrispondenti unità di misura, sono indicate nel modo consueto (0,01 μF - YuN, 20 μF - 20M, 100 μF - 100M, ecc.). Per indicare la deviazione consentita della capacità dal valore nominale, vengono utilizzate le stesse designazioni codificate dei resistori.

A seconda del circuito in cui vengono utilizzati i condensatori, vengono anche presentati esigenze diverse. Quindi, un condensatore operante in un circuito oscillatorio deve avere basse perdite alla frequenza di lavoro, elevata stabilità di capacità nel tempo e con variazioni di temperatura, umidità, pressione, ecc.

Le perdite nei condensatori, determinate principalmente dalle perdite nel dielettrico, aumentano con l'aumentare della temperatura, dell'umidità e della frequenza. I condensatori con un dielettrico in ceramica ad alta frequenza, con mica e dielettrici a film hanno le perdite più piccole e i condensatori con un dielettrico in carta e la ceramica ferroelettrica hanno le perdite maggiori. Questa circostanza deve essere presa in considerazione quando si sostituiscono i condensatori nelle apparecchiature radio. Una variazione della capacità di un condensatore sotto l'influenza dell'ambiente (principalmente la sua temperatura) si verifica a causa di una variazione delle dimensioni delle piastre, degli spazi tra loro e delle proprietà del dielettrico. A seconda del design e del dielettrico utilizzato, i condensatori sono caratterizzati da un diverso coefficiente di capacità di temperatura (TKE), che mostra la variazione relativa della capacità al variare della temperatura di un grado; TKE può essere positivo o negativo. In base al valore e al segno di questo parametro, i condensatori sono divisi in gruppi, ai quali viene assegnato il corrispondente designazioni di lettere e il colore del corpo.

Per mantenere la sintonizzazione dei circuiti oscillatori quando si lavora in un ampio intervallo di temperature, serie e collegamento in parallelo condensatori, in cui TKE hanno segni diversi. Per questo motivo, quando la temperatura cambia, la frequenza di sintonizzazione di un tale circuito compensato in temperatura rimane quasi invariata.

Come tutti i conduttori, i condensatori hanno una certa induttanza. È più grande, più lunga e sottile è la conclusione del condensatore, maggiori sono le dimensioni delle sue piastre e dei conduttori di collegamento interni. Nai

i condensatori di carta hanno una maggiore induttanza, in cui i rivestimenti sono realizzati sotto forma di lunghe strisce di lamina arrotolate insieme a un dielettrico in un rotolo o altro rotolo. A meno che non venga prestata particolare attenzione, tali condensatori funzionano male a frequenze superiori a pochi megahertz. Pertanto, in pratica, per garantire il funzionamento del condensatore di blocco in un ampio intervallo di frequenze, in parallelo a quello di carta viene collegato un piccolo condensatore ceramico o in mica.

Tuttavia, ci sono condensatori di carta con bassa induttanza intrinseca. In essi, strisce di lamina sono collegate ai cavi non in uno, ma in molti punti. Ciò si ottiene o inserendo strisce di lamina nel rotolo durante l'avvolgimento, oppure spostando le strisce (piastre) alle estremità opposte del rotolo e saldandole (Fig. 54).

Per proteggere dalle interferenze che possono entrare nel dispositivo attraverso i circuiti di alimentazione e viceversa, oltre che per vari blocchi, vengono utilizzati i cosiddetti condensatori passanti. Un tale condensatore ha tre terminali, due dei quali sono un'asta porta corrente continua che passa attraverso la custodia del condensatore. Una delle piastre del condensatore è attaccata a questa asta. Il terzo terminale è una custodia metallica a cui è collegata la seconda piastra. Il corpo del condensatore passante è fissato direttamente allo chassis o allo schermo e il filo che trasporta la corrente (circuito di alimentazione) è saldato al suo terminale centrale. A causa di questo design, le correnti ad alta frequenza sono chiuse al telaio o allo schermo del dispositivo, mentre correnti continue passare senza ostacoli. Sul; alte frequenze vengono utilizzati condensatori passanti ceramici, in cui il ruolo di una delle piastre è svolto dal conduttore centrale stesso e l'altro è uno strato di metallizzazione depositato sul tubo ceramico. Queste caratteristiche di progettazione si riflettono anche nella designazione grafica convenzionale del condensatore passante (Fig. 56). Il rivestimento esterno è indicato sotto forma di un breve arco (a) o sotto forma di uno (b) o due (c) segmenti di linee rette con derivazioni dal centro. L'ultima designazione viene utilizzata quando si rappresenta un condensatore passante nella parete dello schermo.

Per lo stesso scopo dei condensatori passanti, vengono utilizzati condensatori di riferimento, che sono una sorta di rack di montaggio montati su uno chassis di metallo. Il rivestimento ad esso collegato si distingue nella designazione di un tale condensatore da tre linee inclinate, che simboleggiano la "messa a terra" (Fig. 56, d).

Per operare nella gamma di frequenze audio, oltre che per filtrare le tensioni di alimentazione rettificate, sono necessari condensatori la cui capacità viene misurata in decine, centinaia e persino migliaia di microfarad. I condensatori di ossido (il vecchio nome è elettrolitico) hanno una tale capacità a dimensioni sufficientemente piccole. In essi, il ruolo di un rivestimento (anodo) è svolto da un elettrodo di alluminio o tantalio, il ruolo del dielettrico è svolto da un sottile strato di ossido depositato su di esso e il ruolo dell'altro rivestimento (catodo) è un elettrolita speciale , la cui uscita è spesso la custodia metallica del condensatore. A differenza di altri, la maggior parte dei tipi di condensatori di ossido sono polari, cioè richiedono operazione normale tensione polarizzante. Ciò significa che possono essere accesi solo in un circuito a tensione costante o pulsante e solo in quella polarità (catodo - a meno, anodo - a più), che è indicata sulla custodia. Il mancato rispetto di questa condizione porta al guasto del condensatore, che a volte è accompagnato da un'esplosione.

La polarità dell'inclusione di un condensatore di ossido è mostrata nei diagrammi con un segno "+" raffigurato sulla piastra che simboleggia l'anodo (Fig. 57, a). Questo è il termine generale per un condensatore polarizzato. Insieme ad esso, in particolare per i condensatori di ossido, GOST 2.728-74 ha stabilito un simbolo in cui il rivestimento positivo è raffigurato come un rettangolo stretto (Fig. 57.6) e il segno? + "in questo caso può essere omesso.

Nei circuiti dei dispositivi elettronici, a volte si può trovare la designazione di un condensatore di ossido sotto forma di due rettangoli stretti (Fig. 57, c). Questo è il simbolo di un condensatore di ossido non polare che può funzionare in circuiti CA (cioè senza tensione di polarizzazione).

I condensatori di ossido sono molto sensibili alle sovratensioni, quindi i diagrammi spesso indicano non solo la loro capacità nominale, ma anche la tensione nominale.

Per ridurre le dimensioni, a volte due condensatori sono racchiusi in una custodia, ma vengono tratte solo tre conclusioni (una è comune). Il simbolo di un doppio condensatore trasmette chiaramente questa idea (Fig. 57, d).

Condensatori variabili(KPE). Il condensatore variabile è costituito da due gruppi di piastre metalliche, una delle quali può muoversi agevolmente rispetto all'altra. Durante questo movimento, le piastre della parte mobile (rotore) vengono solitamente introdotte negli interstizi tra le piastre della parte fissa (statore), per cui l'area di sovrapposizione di alcune piastre con altre, e, di conseguenza, , la capacità cambia. Il dielettrico in KPI è il più delle volte aria. In piccole apparecchiature, come ricevitori tascabili a transistor, ampia applicazione trovato KPI con un dielettrico solido, che viene utilizzato come pellicola di dielettrici ad alta frequenza resistenti all'usura (PTFE, polietilene, ecc.). I parametri del KPI con un dielettrico solido sono leggermente peggiori, ma lo sono significativamente

più economici da produrre e di dimensioni molto più ridotte rispetto ai PBC dielettrici ad aria.

Abbiamo già incontrato il simbolo KPI (vedi Fig. 2 e 29): questo è il simbolo di un condensatore a capacità costante, barrato con un segno di regolazione. Tuttavia, da questa designazione non è chiaro quale delle piastre simboleggia il rotore e quale - lo statore. Per mostrarlo nel diagramma, il rotore è rappresentato come un arco (Fig. 58).

I parametri principali del KPI, che consentono di valutarne le capacità quando si lavora in un circuito oscillatorio, sono la capacità minima e massima, che, di regola, indicano sul diagramma accanto al simbolo KPI.

Nella maggior parte dei ricevitori radio e trasmettitori radio, i blocchi KPI costituiti da due, tre o più sezioni vengono utilizzati per sintonizzare contemporaneamente diversi circuiti oscillatori. I rotori in tali blocchi sono fissati su un albero comune, ruotando il quale è possibile modificare contemporaneamente la capacità di tutte le sezioni. Le piastre estreme dei rotori sono spesso fatte divise (lungo il raggio). Ciò consente all'unità di essere regolata in fabbrica in modo che le capacità di tutte le sezioni siano le stesse in qualsiasi posizione del rotore.

I condensatori inclusi nel blocco KPI sono mostrati singolarmente nei diagrammi. Per mostrare che sono uniti in un blocco, cioè sono comandati da una manopola comune, le frecce che indicano la regolazione sono collegate da una linea tratteggiata di collegamento meccanico, come mostrato in fig. 59. Quando si rappresenta il KPI di un blocco in parti diverse dello schema distanti tra loro, non viene mostrata la connessione meccanica, limitata solo dalla corrispondente numerazione delle sezioni nella designazione di riferimento (Fig. 59, sezioni C 1.1, C 1.2 e C 1.3).

Nelle apparecchiature di misurazione, ad esempio, nelle braccia dei ponti capacitivi vengono utilizzati i cosiddetti condensatori differenziali (dal latino differenzia - differenza). Hanno due gruppi di piastre di statore e una di rotore, disposte in modo tale che quando le piastre di rotore escono dagli spazi tra le piastre di un gruppo di statore, entrino contemporaneamente tra le piastre di un altro. In questo caso, la capacità tra le piastre del primo statore e le piastre del rotore diminuisce e tra le piastre del rotore e il secondo statore aumenta. La capacità totale tra il rotore ed entrambi gli statori rimane invariata. Tali "condensatori" sono rappresentati nei diagrammi, come mostrato nella Figura 60.

Condensatori trimmer. Per impostare la capacità iniziale del circuito oscillatorio, che determina la frequenza massima della sua sintonizzazione, vengono utilizzati condensatori di sintonizzazione, la cui capacità può essere modificata da unità di picofarad a diverse decine di picofarad (a volte di più). Il requisito principale per loro è la fluidità del cambiamento di capacità e l'affidabilità del fissaggio del rotore nella posizione impostata durante la regolazione. Gli assi dei condensatori trimmer (solitamente corti) sono scanalati, quindi la loro capacità può essere regolata solo usando uno strumento (cacciavite). Nelle apparecchiature di trasmissione, i condensatori con un dielettrico solido sono i più utilizzati.

Il progetto di un condensatore trimmer ceramico (CPC) di uno dei tipi più comuni è mostrato in fig. 61, a. È costituito da una base in ceramica (statore) e da un disco ceramico (rotore) fissato in modo mobile su di essa. Le piastre del condensatore - sottili strati di argento - vengono applicate bruciando sullo statore e sul lato esterno del rotore. La capacità viene modificata ruotando il rotore. Nelle apparecchiature più semplici, a volte vengono utilizzati condensatori trimmer a filo avvolto. Un tale elemento è costituito da un pezzo di filo di rame con un diametro di 1 ... 2 e una lunghezza di 15 ... 20 mm, su cui è saldamente, da bobina a bobina, avvolto filo isolato con un diametro di 0,2 ... 0,3 mm (Fig. 61.6). La capacità viene modificata svolgendo il filo e, in modo che l'avvolgimento non scivoli, è impregnato di una sorta di composto isolante (vernice, colla, ecc.).

Condensatori trimmer indicato sui diagrammi dal simbolo principale, barrato dal segno della regolazione dell'accordatura (Fig. 61, c).

Condensatori autoregolanti. Utilizzando una ceramica speciale come dielettrico, la cui permittività dipende fortemente dall'intensità del campo elettrico, è possibile ottenere un condensatore la cui capacità dipende dalla tensione sulle sue piastre. Tali condensatori sono chiamati varicondi (da parole inglesi vari (able) - variabile e cond (enser) - condensatore). Quando la tensione cambia da pochi volt a capienza stimata variconda cambia 3-6 volte.

Variconda può essere utilizzato in vari dispositivi di automazione, in generatori di frequenza oscillante, modulatori, per la regolazione elettrica di circuiti oscillatori, ecc.

Simbolo variconda- un simbolo di un condensatore con un segno di autoregolazione non lineare e la lettera latina U (Fig. 62, o).

La designazione dei condensatori termici utilizzati nell'elettronica orologio da polso. Il fattore che modifica la capacità di un tale condensatore - la temperatura dell'ambiente - è indicato dal simbolo t ° (Fig. 62, b).

Letteratura:
VV Frolov, Linguaggio dei circuiti radiofonici, Mosca, 1998