Электроемкость плоского конденсатора

Эти пассивные элементы применяют в периодических частотно-зависимых и защитных электротехнических схемах, для создания таймеров и хранения оперативного запаса энергии. Для точных расчетов и корректного выбора подходящих компонентов нужно изучить тематические формулы, особенности серийных конструкций. Пригодятся знания о том, как проверить емкость конденсатора с применением разных методов. Представленная ниже информация поможет решать отмеченные и другие практические задачи без ошибок.

Технические данные компактных SMD конденсаторов с применением кода размещают на небольшой площади

Что такое плоский конденсатор

Рисунок наглядно иллюстрирует сложность обращения с миниатюрной маркировкой. В некоторых ситуациях нельзя выпаивать компоненты из платы, чтобы не повредить соседние радиодетали чрезмерным нагревом. Объективные трудности возникают при механическом удалении надписей или отсутствии сопроводительной документации.

В любом случае до перехода к практическим рекомендациям следует ознакомиться с теорией. Для упрощения рассматривают конструкцию из двух пластин. В цилиндрической конструкции применяют обкладки, свернутые в рулон. Однако при достаточно большой длине достаточно точные расчеты можно выполнить с применением представленных ниже формул.

В следующих условиях можно пренебречь краевыми и другими явлениями, которые способны исказить определение емкости конденсатора:

• свободный промежуток (толщина диэлектрика) значительно меньше размеров пластин;
• эти элементы установлены параллельно;
• отсутствуют внешние электромагнитные поля, либо их силовые параметры незначительны;
• температурный диапазон соответствует рабочему.

Если такое изделие подсоединить к источнику постоянного тока, на обкладках за определенный промежуток времени будут накоплены заряды разной полярности. В отмеченных условиях формируется поле с равномерным распределением силовых линий. Его напряженность (Е) описывается выражением:

E = q*e0* e*S,

где:

• q – это величина заряда;
• e0 – электрическая постоянная, которая определяется в идеальных условиях (вакуум) как 8,854 * 10-12 Ф*м-1;
• e – проницаемость воздушного слоя или другого диэлектрика (справочная величина);
• S – площадь обкладок (пластин).

От чего зависит электроемкость конденсатора

Определить этот параметр можно по формуле:

C = d * e0*e * S.

Здесь, кроме отмеченных выше величин, добавлено расстояние (d) между пластинами. Понятна прямая зависимость от размеров обкладок, расстояния между ними, диэлектрических свойств промежуточного слоя.

Это соотношение объясняет необходимость применения рулонных конструкций. Типовое решение – создание чередующихся слоев из металлического проводника (фольга 8-15 мкм) и бумаги (6-7 мкм).

онструкции керамических дисковых, трубчатых и литых конденсаторов

На рисунке отмечены следующие детали:

1. пластины;
2. внутренние электроды;
3. керамика (диэлектрик);
4. выводы.

Уменьшение расстояния между обкладками, кроме ухудшения накопительных свойств, повышает вероятность электрического пробоя.

Заряд и разряд конденсаторов

Рабочий цикл начинается после подключения в цепь источника тока. Перемещение электронов в батарею повышает положительный потенциал на обкладке. Аналогичный процесс увеличивает отрицательный заряд второго рабочего элемента. Рост напряженности поля ограничен напряжением АКБ (U). Накопленную энергию (W) можно определить следующим образом:

W = d *q2/(2*e0*S) = (U2 * C)/2.

Рабочие циклы

Чтобы зарядить конденсатор через резистор, понадобится определенное время:

t = In (1-U (t)/ (Uип — Uн) * R * C,

где:

• U(t)/Uип/ Uн – напряжение изменения на конденсаторе/источника питания/ начального уровня, соответственно;
• C – электроемкость плоского конденсатора;
• R – электрическое сопротивление.

По этой формуле можно определить резистор, который надо установить в цепь для получения определенного временного интервала. Данная схема – пример простейшего функционального таймера. Для привода в действие исполнительного механизма к выходу можно подсоединить реле либо иной ключ с расчетом на необходимый уровень напряжения срабатывания. По аналогичной схеме происходит разрядка, показанная в нижней части рисунка.

Второй способ применения с пользой времени задержки – сглаживание пульсаций. Даже при сильном, но слишком коротком сигнале на входе напряжение на выходе не успеет измениться. Такое защитное устройство отличается простотой и надежностью при точном расчете компонентов схемы.

Расчёт ёмкости плоских конденсаторов

В идеальных условиях для определения емкости конденсатора (C0) можно применить формулу:

С0 = q/ U.

Диэлектрические свойства промежуточного слоя учитывают дополнением C = C0 * e.

Базовая единица (фарад или сокращенно Ф) слишком велика для типовых электротехнических схем. Поэтому применяют кратные уменьшительные приставки:

• миллифарад (мФ) – 10-3 Ф;
• микрофарад (мкФ) – 10-6 Ф;
• нанофарад (нФ) – 10-9 Ф;
• пикофарад (пФ) – 10-12 Ф.

Емкость один фарад соответствует накопленному единичному заряду (1 Кл), который создает разницу потенциалов на пластинах 1 В. По формуле емкости шара можно вычислить потенциал Земли –700 микрофарад.

Допустимое напряжение

В предыдущих разделах показано, от чего зависит электроемкость конденсатора. Этот важнейший параметр корректируют с учетом необходимого класса точности. В сложных ситуациях применяют подстроечные модификации. Проверка тестером (осциллографом) поможет выполнить настройку схемы.

Однако для выбора подходящего компонента необходимо учитывать дополнительные характеристики:

• при поддержании заданного уровня номинального напряжения конденсатор выполняет свои функции в течение длительного срока службы;
• по удельной емкости определяют накопительные свойства в расчете на единицу объема;
• некоторые модели (с электролитом, оксидным диэлектриком) подключают с учетом полярности выводов.

Обязательно следует обратить внимание на допустимое напряжение. Превышение этого порога провоцирует пробой. Некоторые диэлектрики способны восстанавливать функциональность. Другие – полностью выходят из строя после подобного воздействия.

Длительные рабочие циклы в предельных режимах, внешний перегрев или естественное старение способны повысить внутреннее давление до взрывоопасного уровня. Уменьшают вероятность сильных повреждений встроенным клапаном. Также применяют специальные насечки на торцевой части корпуса, которые формируют линии планового разрыва при возникновении аварийной ситуации.

Для повышения точности выбора пользуются дополнительной справочной информацией. Потери и ухудшение основных параметров определяют по следующим критериям:

• электрическое и эквивалентное сопротивление изделия;
• паразитная индуктивность;
• самостоятельный разряд;
• зависимость емкости от температуры;
• остаточные явления поляризации.

В следующем перечне приведены особенности распространенных видов конденсаторов:

• масляные с бумажным диэлектриком рассчитаны на сравнительно низкий частотный диапазон;
• энергонакопительные модели отличаются большими габаритами;
• гигроскопичность бумажных слоев без наполнителя ограничивает область применения средой с низкими показателями относительной влажности;
• диэлектрик из полиамида сохраняет работоспособность при высокой температуре (более +220°C), но значительно увеличивает себестоимость;
• поликарбонат обеспечивает отличные диэлектрические параметры и влагостойкость, но применяют такие изделия при температуре не выше +120°C;
• устойчивостью к внешним неблагоприятным воздействиям отличаются стеклянные и керамические конденсаторы.

Отдельно следует отметить новое направление – со слоем диэлектрика из ионов лития. По сравнению с аналогичными аккумуляторами, конденсаторы менее опасны, так как конструкция блокирует химические реакции с выделением газа при повышении температуры.

Соединение конденсаторов

Чтобы получить необходимую фиксированную емкость (без подстроечных компонентов) применяют параллельное, последовательное и комбинированное сочетания нескольких стандартных конденсаторов.

Расчёт последовательного соединения

В этом варианте на каждой паре пластин накапливается одинаковый заряд (q1 = q2 =…=qn). По закону Кирхгофа Uобщ= U1 + U2 +…+ Un. По базовым формулам и с учетом сделанных замечаний можно эквивалентное значение емкости (Сэкв) узнавать двумя способами:

• Сэкв = q/ (U1 + U2 +…+ Un);
• Cэкв = 1/С1 + 1/С2 +…+1/Сn.

Расчёт параллельного соединения

При таком подключении Uип =U1 = U2 =…= Un, общий заряд вычисляют по сумме накопленных значений на каждой рабочей паре пластин.

Эквивалентную емкость вычисляют по формуле:

Cэкв = q/U =С1 + С2 +…+Сn.

Как проверить емкость конденсатора

Если фабричные обозначения отсутствуют или повреждены, узнать номинал можно с помощью мультиметра в соответствующем режиме измерений.

На рисунке показан соответствующий диапазон положений переключателя типичного прибора

Проверять емкость можно по соотношению C =q/U с применением баллистического гальванометра. Этот специализированный прибор показывает заряд, проходящий через рабочую рамку. Аналогичное измерение не получится выполнить с применением серийного миллиамперметра, в котором привод стрелки обладает меньшей инерционностью. Для сравнения можно взять эталонный конденсатор с известной емкостью.

Проверка путём измерения времени зарядки

Вычислить емкость можно после преобразования рассмотренной выше формулы для таймера:

С = t/(In (1-U (t)/ (Uип — Uн) * R).

Для упрощенных расчетов надо запомнить, что за время t = C * 3R при подключении к источнику постоянного тока напряжение на выводах конденсатора увеличится до 95% от Uип. Соответственно, C = t/3R.

Измерение ёмкостного сопротивления

В частотно-зависимых цепях пригодится формула емкостного (Хс) сопротивления Xc = ½ * π * f *C, где f частота сигнала в цепи.

Проверка исправности тестером

Для уточнения исправности детали достаточно применить «прозвонку» или тестер. Токопроводящая цепь фиксируется в процессе заряда.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич