Конденсатор. Пособие для дошкольных образовательных учреждений

Итак, с проводками-токами-источниками разобрались. Теперь пробежимся по элементам. Сейчас я толкну телегу про конденсатор. Как через него ходит ток, если он представляет собой обрыв.

Одеваем спецовку сантехника и премся в кладовку за трубами, будем из говна и палок мастерить модель конденсатора. Чтобы не выбиваться из канализационной стилистики.

Что представляет собой конденсатор? Из учебника физики известно, что это две пластины проводника, а между ними тонкий диэлектрик, чем он тоньше тем лучше конденсатор. Ну вот эту фигню мы и сколхозим из труб. Еще нам потребуется эластичная мембрана, прокатит за диэлектрик. А чего? Воду она не пропускает, сгодится! Возьмем соединим две трубы, а между ними сунем мембрану. Герметично перекрывающую проток, но очень упругую.

http://easyelectronics.ru/kondensator-posobie-dlya-doshkolnyx-obrazovatelnyx-uchrezhdenij.html?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=kondensator-posobie-dlya-doshkolnyx-obrazovatelnyx-uchrezhdenij

Неправда ли похоже получилось? В конденсаторе энергия запасается в электрическом поле, а у нас энергия будет запасаться в упругом элементе мембраны. Чем больше давление, тем сильней растягивается мембрана. Рано или поздно давление источника уравновесится противодействием мембраны и процесс встанет. Но всегда можно добавить еще давление и ее растянет еще сильней. И еще, и еще, и еще до тех пор, пока не лопнет. Обьемами камеры куда может упереться мембрана пренебрегаем.

С электрическим конденсатором ситуация совершенно аналогичная. По даем на него напругу — он заряжается. Внутри него возникает электрическое поле, которое уравновешивает напряжение источника. Но если мы повысим напряжение, то конденсатор еще дозарядится. И еще, и еще, пока его не пробьет нафиг. Идеальный конденсатор можно заряжать бесконечно, бесконечно увеличивая напряжение. Но, оставим эти изыски математикам, они любят все эти теоретические приколы.

Так как же он все таки проводит ток? Ведь если поставить его в цепь, включить, то в лучшем случае наша нагрузка дернется чуток, а потом конденсатор зарядится и все. Все встанет

Но ведь дернется же! Заменим источник постоянного тока, на источник переменного. Сделаем его из поршня и кривошипа:

Во! Теперь жидкость будет колбаситься туда-сюда. Мембрана конденсатора будет тянуться то в одну сторону, то в другую. В трубе пойдет движуха жидкости, а энергия начнет передаваться от источника к нагрузке — крыльчатке на другом конце трубы. Надо там ее только выпрямить каким-нибудь храповым колесом и готово. И, главное, конденсатор, разделяющий трубу тут уже вовсе и не помеха. Знакопеременный поток через него проходит на отлично.

В электрическом кондере ситуация совершенно аналогичная. Разумеется конденсатор оказывает сопротивление току и у него тоже есть сопротивление. Зовется оно реактивным сопротивлением Xc и зависит от частоты.

С — тут емкость конденсатора
f — частота

У постоянного тока частота = 0, поэтому и реактивное сопротивление конденсатора на постоянном токе равно бесконечности, обрыву. А чем выше частота, тем сопротивление ниже.

А теперь вспоминаем что, конденсатор это любые два проводника разделенные диэлектриком. ЛЮБЫЕ. Две параллельные дорожки на плате проводники? Несомненно. Разделены диэлектриком? Конечно! А значит… То то и оно! Правда емкостные связи обычно не досаждают, т.к. емкость там маленькая обычно. Но, если наша схема начинает работать на высокой частоте, то сопротивление этих емкостных связей резко снижается и они начинают влиять. Поэтому то проектирование действительно высокоскоростных устройств, где частоты в гигагерцы и выше — это та еще черная магия. Т.к. там приходится учитывать все эти паразитные эффекты и еще кучу других.

Теперь резко подадим воду, ака ток и смотрим что у нас получается в динамике.

Момент времени 1.

Наш конденсатор не заряжен, в нем ничего нет, мембрана расслаблена. Труба перекрыта заслонкой.

Момент времени 2.

Открыли заслонку и поток ринулся в конденсатор. Давление в трубе перед ним нулевое. А с чего ему быть большим то? Вода спокойно вливается, без всякого сопротивления. А вот скорость потока жидкости максимальная. Как будто тут и нет никакого барьера, словно накоротко все идет. Скорость потока я нарисовал стрелочками, чем длинней стрелочки тем больше скорость. Давление потока я обозначил толщиной стрелки. Чем стрелка тоньше, тем давление больше, словно ее сплющивает давлением.

Момент времени 3.

Конденсатор еще не зарядился до конца, но мембрана уже начала натягиваться и оказывать сопротивление. Скорость потока снижается, а напряжение растет.

Момент времени 4.

Конденсатор полностью зарядился, его мембрана натянулась и своей упругостью полностью скомпенсировала давление которое развивает источник. Давление на входе стало равным давлению источника. Словно конденсатор стал тупиком. Скорость потока нулевая.

Электрический его аналог ведет себя точно также. Когда конденсатор не заряжен, то напряжение его равно нулю, сопротивления протеканию тока он не оказывает, поэтому ток максимальный. По мере заряда напряжение растет, а вот ток снижается. И, в итоге, ток становится равным нулю, а напряжение равно источнику.

Тут мы приходим к одному фундаментальному понятию в ТОЭ — фазовый сдвиг между током и напряжением на конденсаторе. На конденсаторе ток опережает напряжение. Вот как это выглядит:

Возьмем да включим наш генератор переменного синусоидального напряжения в момент времени 0. Ток сразу же ломанется в максимум, конденсатор то разряжен, вливайся! А напряжение будет, отставая на четверть периода, т.е. на 90 градусов, за ним нарастать. Потом кондер зарядится, напряжение наконец достигнет максимума, а ток упадет до нуля. Но в этот момент генератор сменит полярность и конденсатор начнет разряжаться, ток опять будет нарастать, но уже в обратную сторону, а напряжение, соответственно падать — конденсатор то разряжается, ток течет из него. И так до тех пор, пока вся система не придет в зеркально противоположное состояние. Когда конденсатор окажется заряжен до упора уже в обратную сторону, а тут генератор снова сменит полярность…

Отсюда стоит запомнить следующие прикидочные тезисы.

• 1. Разряженный конденсатор ведет себя как КЗ.
• 2. Заряженный конденсатор ведет себя как обрыв.
• 3. В промежутке между 1 и 2 состоянием, заряжающийся конденсатор можно представить как резистор у которого стремительно растет сопротивление от нуля до бесконечности, по экспоненте.
• 4. Разряжающийся конденсатор ведет себя как источник напряжения у которого напряжение падает с разрядом.
• 5. Конденсатор пропускает переменный ток, чем выше частота, тем ниже сопротивление конденсатора.
• 6. Не важно насколько заряжен конденсатор, его всегда можно дозарядить, приложив напруги сверху. Лишь бы не пробило.
• 7. Из-за опережения тока у конденсатора максимум тока совпадает с минимумом напряжения и наоборот.

Это позволит умозрительно прикидывать работу большинства схем с конденсаторами. Теперь эти тезисы я подкреплю примерами.

▌Разряженный конденсатор ведет себя как КЗ
Именно поэтому, например, сгорают выводы микроконтроллеров, подключенных напрямую к мощным силовым MOSFET ключам, ведь их затворы имеют ощутимую емкость и пока она не зарядится вывод контроллера, фактически, работает на КЗ.

По этой же причине могут подгорать контакты реле и кнопок работающих на емкостную нагрузку. Т.к. в момент заряда конденсатора по его цепи идет ток, фактически равный КЗ, пусть и на очень короткое время. А контакты на такой ток не рассчитаны.

▌Заряженный конденсатор ведет себя как обрыв
На этом принципе построены многие времязадающие цепи. Простейший пример — цепь сброса микроконтроллера.

В первоначальный момент времени конденсатор ведет себя как КЗ и замыкает сброс на землю или на питание, смотря как включен. А потом, когда конденсатор через резистор зарядится, то он превращается в обрыв и вывод резистором подтягивается к противоположному уровню. Получается сигнал сброса.

На аналогичном же принципе построены всякие схемы импульсного токоограничения. Как например вот эта:

У реле есть ток срабатывания, минимальное значение тока, чтобы сорвать якорь с места. И ток удержания — минимальное значение тока, при котором якорь надежно держится, не отпадает. Ток срабатывания намного больше тока удержания. И если нас это парит, если мы хотим сократить ток, которые жрут наши реле (а если их многие десятки, то ток может быть большим), то можно поставить резистор, зашунтировав его конденсатором. Тогда в момент старта ,конденсатор будет разряжен и подобен КЗ, это даст рывок который сдернет якорь с места. А потом конденсатор зарядится, превратится в обрыв, и весь ток пойдет через токоограничивающий резистор. Существенно снизив потребление. Тут надо правда учитывать разряд. Если реле щелкает постоянно, то конденсатор может и не успеть разрядиться, а удерживающего тока не хватит для включения.

▌Заряжающийся конденсатор можно представить как резистор у которого стремительно растет сопротивление от нуля до бесконечности, по экспоненте.
Это конечно не совсем так, но тем не менее что нам мешает так думать? Как можно применить? Ну, например, сделать «делитель напряжения», где нижнее плечо будет не резистор, а конденсатор. На выходе, при включении будет плавно нарастающее (по экспоненте точнее) напряжение, как если бы мы всобачили вместо конденсатора переменный резистор с экспоненциальной зависимостью и крутили от нуля до бесконечности. Получим, например, управляющий сигнал для плавного зажигания света.

▌Разряжающийся конденсатор ведет себя как источник напряжения у которого напряжение падает с разрядом
Ну тут, думаю, пояснять особо и не нужно. Все видели огромные россыпи конденсаторов в хороших блоках питания. Иной раз они такие огромные, что даже если выдернуть прибор из розетки, то он еще несколько секунд может работать на запасенной в кондерах энергии. Там просто емкости стоят в шине питания между плюсом и минусом и служат накопителями энергии, для сглаживания сбоев питания.

▌Конденсатор пропускает переменный ток, чем выше частота, тем ниже сопротивление конденсатора
Это основная тема всяких фильтров. Вкорячивая конденсаторы мы либо сливаем ненужные частоты на землю, либо не пропускаем их дальше. Или сразу одновременно и то и другое. В зависимости от того, что нам нужно.

Согласно теореме Фурье, то периодический сигнал можно представить как сумму синусоид-гармоник с разной амплитудой и частотой. Вот с помощью фильтра можно подавить ненужные гармоники.

▌Не важно насколько заряжен конденсатор, его всегда можно дозарядить, приложив напруги сверху. Лишь бы не пробило
На этом принципе используются различные разделительные конденсаторы, которые отделяют постоянную составляющую от переменной. Обычная тема для звуковой аппаратуры.

Вернемся к нашей трубе с мембраной. Только добавим к источнику переменного напряжения еще и куда более мощный постоянный. Исходное колебание потока будет складываться из их суммы. На положительной волне переменного источника давление будет складываться, а на отрицательной вычитаться. Но т.к. постоянный мощней, то он обеспечит смещение.

Завернем эту конструкцию в нашу трубу. Что получится? Смещение тотчас натянет мембрану и на этом его действие ограничится. А переменные колебания будут либо дорастягивать ее дальше, либо ослаблять. Т.е. в нагрузку пойдут только колебания переменного источника, постоянный же отрежет конденсатором.

В электроцепи полностью все также. Например, имеем мы некий усилитель мощности звуковой частоты. Но вот беда, его выход не мостовой и может колебаться только от нуля до максимума, не выходя в минус. Мало того, смещение там в несколько вольт. Если мы подключим динамик, то это смещение его натянет магнитную систему в одну сторону до предела и он в лучшем случае будет вяло хрипеть. А то и вовсе выплюнет катушку и писец ему.

Воткнем блокирующий конденсатор и проблема решена. Все постоянное напряжение высадится на этом конденсаторе, а в динамик пойдет только его переменная часть, составляющая звуковые колебания.

Точно для такой же цепи блокирующие конденсаторы ставят между каскадами усилителя. Чтобы каждый следующий транзистор работал только с переменной составляющей сигнала, без блокирующего конденсатора постоянная составляющая сразу же загонит транзистор в насыщение и он перестанет воспринимать какие-либо колебания управляющего сигнала вообще.

▌Из-за опережения тока у конденсатора максимум тока совпадает с минимумом напряжения и наоборот.
Этот принцип применяется, например, в конденсаторном блоке питания. Ведь, по сути, он является банальнейшим делителем напряжения, но работающим на переменном токе.

Но, что же нам мешает взять и просто сделать тот же самый делитель напряжения на резисторах? Принцип то тот же, а уж резистор он везде одинаково работает. Так то да, ничего особо не мешает. Кроме потерь.

Делитель напряжения это же тупо нагрузка работающая на сеть. Переводящая энергию в тепло. Если мы сделаем ее высокоомной, чтобы снизить ток и, соответственно потери (а потери у нас растут от квадрата тока), то у получившегося источника напряжения будет очень большое внутреннее сопротивление и он не сможет питать сколь-нибудь серьезную нагрузку без просадки. А если мы снизим номиналы этих резисторов, то снизим и внутреннее сопротивление источника, но резко возрастут потери на этих самых резисторах. А это нагрев, это габариты. Короче, овчинка не стоила бы выделки.

И тут на помощь приходит конденсатор. У него ведь такой прикол, что максимум амплитуды тока совпадает с минимумом амплитуды напряжения, и наоборот. Т.е. уже мгновенные потери P = U*I будут меньше чем у резистора. Где если уж максимум тока, то и максимум напряжения. Один к одному.

▌Выбор
Если не углубляться в дебри характеристик (а их там полно, это и диэлектрические потери, точность, ESR всякие), то выбор конденсатора идет по двум параметрам — предельному напряжению пробоя и емкости.

Предельное напряжение должно быть не ниже того которое у вас там в цепях гуляет. Выше можно, ниже нет. Поэтому вполне допускается менять конденсатор с допуском по напряжению в 16 вольт, на 36 вольтовый, если у них совпадает емкость.

Еще некоторые конденсаторы, например, танталовые и электролитические имеют полярность. Для них справедливо все то же что и для любого другого конденсатора, кроме одного — его нельзя заряжать в обратную полярность — сдохнет.

Обычно, в радиолюбительской практике, применяют три типа конденсаторов.

1) Электролитические. Этакие бочонки разных размеров. Обязательно подписан где минус. Указана емкость и предельное напряжение. Их втыкают в питание, как правило. Они очень дешевые, имеют большую емкость (до сотен тысяч микрофарад), но крайне хреновые остальные характеристики. Но для грубых задач, вроде страховки питания от просадки или задачи длительных интервалов, вполне подходят. Плохо работают на высоких частотах (из-за большой паразитной индуктивности). Так что с фильтрацией ВЧ помех в питании справляются плохо.

2) Керамические. Дешевые, отлично работают на высоких частотах, держат высокие напряжения (для своих габаритов). Но имеют малую емкость. До единиц микрофарад. Выше, наверное, тоже бывают, но цена с ростом емкости увеличивается очень резко.

3) Танталовые. Почти всем хорошие.

Маленькие, емкость большая, характеристики неплохие, стабильность и долговечность. Вот только стоят дорого и редкий тантал берет на себя больше 50 вольт. А если что не по нраву ему, то натурально взрывается. Причем причин для взрыва масса: полярность попутал — бабах! Слишком быстро заряжаешь — бабах! Слишком большой ток вкачиваешь — бабах! Слишком большое напряжение — бабах! Взрывной у него характер, шахид-кондер прям.

Кроме всего этого есть еще порядка 30 видов разных типов конденсаторов, но это довольно узкоспециализированные вещи и применяются куда реже основной тройки.