Энергия конденсатора

Этот двухполюсный элемент применяют в разных электрических схемах. Способность к накоплению энергии с последующей отдачей в цепь используют для фильтрации сигналов, создания колебательного контура, решения иных практических задач.

Конденсатор в цепи переменного тока смещает фазы тока и напряжения

Что такое конденсатор

Конструкция простейшего устройства этой категории состоит их двух проводящих пластин с диэлектриком в промежутке. Подключением такого устройства к источнику постоянного тока накапливают на рабочих элементах положительные и отрицательные заряды. После разрыва цепи питания энергетический потенциал сохраняется.

Электроемкость

Этим термином характеризуют накопительные способности пассивного элемента. В обозначениях серийных изделий указывают номинальное значение. Так как базовая единица (Ф, фарад) слишком велика, пользуются уменьшительными приставками для обозначения часто применяемых электронных компонентов:

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

Один фарад соответствует емкости, при которой накопленный единичный заряд (1Кл) создаст разницу потенциалов на пластинах 1 В.

Определение энергии конденсатора

Чтобы выяснить, от чего будут зависеть накопительные характеристики, можно применить две методики. Первая – это определение работы, которая выполняется для распределения зарядов на обкладках. Подразумевается, что для этого понадобится затратить определенную энергию. Во втором варианте пользуются притяжением разноименных зарядов. Для перемещения пластин до прямого контакта нужно выполнить соответствующую работу.

Энергия поля плоского конденсатора

Для упрощения можно рассмотреть пример с перемещением разноименно заряженных пластин. Сформированная сила притяжения (F) будет измеряться величиной заряда (q) и напряженностью поля (E) между соответствующими обкладками:

F = q * E.

Так как E = q/(2*e0*S), несложно получить выражение для значения силового взаимодействия:

F = q2/(2*e0*S),

где:

• e0 – это электрическая постоянная = 8,854 * 10-12 Ф*м-1;
• S – площадь пластин.

Работа (A) равна произведению силы на пройденное расстояние (d), поэтому W (энергия плоского конденсатора) = A = F * d = d *q2/(2*e0*S). Емкость (С) определяется, как C = d /(e0*S). Следующими преобразованиями можно получить итоговое выражение:

• W = q2/(2*C);
• q = C * U;
• энергия конденсатора формула:

W = ½ *C * U2.

Для чего знать энергию

Даже приблизительный расчет этого параметра для многих радиотехнических схем не нужен. Функциональный фильтр, например, создают только с учетом емкости. Однако в некоторых устройствах энергия заряженного конденсатора имеет определяющее значение.

Блок питания фотовспышки

Комплект конденсаторов накапливает достаточное количество энергии для освещения объекта съемки.

Величина энергии

Как будет вычисляться накопленный энергетический потенциал, разобраться можно с помощью показанного на снимке блока фотовспышки. Следует напомнить о том, что для увеличения емкости применяют параллельное соединение (Cобщ = C1 + C2 +…+ Cn). При последовательном варианте пропорциональная зависимость обратная (1/Cобщ = 1/C1 + 1/C2 +…+ 1/Cn).

Расчет:

• 2 емкости по 400 мкФ (Cобщ = C1 + C2 = 400 + 400 = 800 мкФ);
• источник питания будет заряжать элемент напряжением 300 В;
• энергия конденсатора W = ½ *C * U2 = ½ * 800 * 10-6 * 300 = 0,12 джоуля.

Виды конденсаторов

Основные технические параметры этих изделий во многом зависят от проницаемости и других свойств промежутка между обкладками. В частности, проходящий через этот слой ток определяет длительность сохранения запаса энергии. По материалу диэлектрика различают следующие виды конденсаторов:

• вакуумный;
• воздушный (газовый);
• жидкий;
• твердый неорганический (слюда)/ органический (бумажный);
• полимерный;
• электролитический;
• оксидный.

Для улучшения потребительских параметров используют различные комбинации представленных материалов.

Серийные модели постоянной емкости рассчитаны на сохранение исходных характеристик на протяжении всего срока службы. Также выпускают переменные модели. Для увеличения (уменьшения) емкости применяют:

• механический ручной или электрический привод;
• изменение напряжения (варикапы) или температуры.

Миниатюрные подстроечные конденсаторы нужны для точной настройки электрической схемы

Также применяют классификацию по форме и взаимному расположению обкладок. Специальные конденсаторы (пусковые, высоковольтные и др.) создают для решения отдельных задач.

Использование конденсаторов

Подученное соотношение величин характерно для всех типов конденсаторов. Его используют для того, чтобы определить накопленную энергию при подключении к источнику питания. Измерить напряжение на выводах можно с помощью мультиметра. Кроме емкости, на корпусе конденсатора указывают другие важные параметры:

• рабочий ток;
• номинальное напряжение;
• диэлектрический материал;
• тип элемента.

В следующем перечне приведены примеры электротехнических схем и устройств, которые создают с применением конденсаторов:

• частотный (сглаживающий) фильтр;
• колебательный контур;
• накопитель энергии для формирования мощного импульса (лазер, фотовспышка);
• ограничитель силы тока (компенсатор подключаемой реактивной нагрузки);
• измерение перемещений (изменение емкости при сближении/ отдалении обкладок).

Для автоматизированного расчета типовой схемы можно использовать специализированный калькулятор онлайн. Следующий пример демонстрирует расчет корректного подключения электродвигателя:

• соединение обмоток – треугольник;
• мощность потребления – 1 200 Вт;
• напряжения сети – 220 В;
• cos ϕ – 0,9;
• КПД – 85%;
• емкость рабочего (пускового) конденсатора – 52 (130) мкФ.

Конденсатор или аккумулятор

Использование таких изделий вместо АКБ ограничено незначительной емкостью серийных электролитических моделей. Ситуация изменилась с появлением ионисторов, которые отличаются увеличенной емкостью (до десятков тыс. фарад). Ниже перечислены особенности, которые следует учесть при сравнении конденсаторов и аккумуляторных батарей.

Преимущества ионисторов:

• длительное сохранение хороших рабочих параметров;
• широкий температурный диапазон (от -40°C до + 60°C);
• надежность;
• простота обращения;
• разумная стоимость.

Недостатки:

• быстрый самостоятельный разряд (15-25% за 24 часа);
• сравнительно небольшой запас энергии (1-1,5 мА на 1 Ф).

Для правильного применения конденсаторов требуется точный предварительный расчет. Как накопители энергии, эти элементы применяют в комплекте с солнечными батареями. В таких наборах при непрерывной эксплуатации обозначенные потери можно признать приемлемыми. Если придется отключить источник питания на длительный срок, предпочтительным выглядит использование АКБ.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич