Поликарбонатные и полистирольные конденсаторы можно найти в старом оборудовании, но они больше не используются.
Вся правда о конденсаторах: магические свойства таинственных баночек
Было ли лучшее время для энтузиастов и любителей Hi-Fi, чем конец 1970-х и начало 1980-х годов? С одной стороны, происходило так много событий, связанных с развитием цифрового аудио, а с другой – росла субъективность. Внезапно проигрыватели и усилители стали оценивать не по уровням детюнинга, выходной мощности и гармоническим искажениям, а по звуку! Стало возможным даже серьезно говорить о звучании кабелей. В этой новой атмосфере все, что раньше считалось само собой разумеющимся в Hi-Fi, стало кандидатом на переоценку.
Влияние пассивных электронных компонентов, таких как резисторы, индукторы и конденсаторы, на звук также подверглось тщательному изучению. В частности, конденсаторы. Знающие люди начали обсуждать такие явления, как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и диэлектрическое поглощение.
Сегодня мы нечасто слышим об этой теме, но не потому, что проблема исчерпана. Скорее, сегодня разработчики уделяют столько же внимания используемым пассивным компонентам, сколько и схемам, в которых они применяются, поэтому общественный фурор несколько поутих.
Основы
В своей простейшей форме конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных воздухом (или, что еще лучше, вакуумом), и схематически показан на рис. 1. Поскольку между пластинами нет проводящего пути, конденсатор блокирует постоянный ток (например, от батареи). Напротив, конденсатор пропускает сигналы переменного тока – подобно звуковым волнам.
RC-цепочка
RC-цепи бывают как интегральными, так и дифференциальными.
Что произойдет в этой цепи, если замкнуть переключатель S1?
Конденсатор C вначале разряжен, и его напряжение вначале равно 0. Поэтому ток вначале будет I=U/R. Затем конденсатор начнет заряжаться, напряжение на нем увеличится, и ток, протекающий через резистор, начнет уменьшаться. I=(U-Uc)/R. Этот процесс будет продолжаться, конденсатор будет заряжаться с уменьшающимся током до напряжения источника U. Напряжение на конденсаторе будет расти экспоненциально.
Вопрос: а если запитать такую цепь от генератора тока, как будет расти напряжение на конденсаторе?
Почему цепь называется "интегрирующей"?
Как уже говорилось выше, ток в первый момент после подачи напряжения будет равен I = U / R, так как конденсатор разряжен и напряжение на нем равно 0. И в течение некоторого времени, пока напряжение на конденсаторе Uc мало по сравнению с U, ток будет оставаться почти постоянным. Когда конденсатор заряжается постоянным током, напряжение на конденсаторе линейно возрастает.
Uc=Q/C, и мы помним, что ток – это количество заряда в секунду, или скорость потока заряда. Другими словами, заряд – это интеграл тока.
Q = ∫ I * dt =∫ U/R * dt
Uc = 1/RC ∫ U * dt
Но все это близко к истине в начальный момент, когда напряжение на конденсаторе мало.
Параллельное и последовательное соединение конденсаторов
Как и резисторы, конденсаторы могут быть соединены последовательно и параллельно.
При параллельном соединении емкость суммируется – ну, это легко понять, это как заполнение соединенных сосудов, общий объем равен сумме объемов. При последовательном соединении конденсатор с малой емкостью будет заполняться зарядом быстрее, чем конденсатор с большой емкостью. Напряжение на маленьком конденсаторе быстро поднимется почти до напряжения источника (этому будут способствовать и другие конденсаторы), ток в общей цепи упадет до нуля, и процесс зарядки конденсаторов прекратится. Поэтому емкость последовательно соединенных конденсаторов меньше, чем емкость самого маленького конденсатора.
Обновление.
Рассмотрим более подробно процесс зарядки конденсатора в схеме рис. 10 (по учебнику И.В.Савельева "Общий курс физики", том II. "Электричество").
Как было сказано в предыдущей статье О природе электрического тока Электрический ток – это движение заряженных частиц. В проводнике (в отличие от диэлектрика изолятора) часть электронов свободна и может переходить от одного атома к другому. В целом, проводник электрически нейтрален – отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ядер атомов. Чтобы привести электроны в движение, на одном конце проводника должен быть избыток электронов, а на другом – недостаток. Этот избыток электронов на одном полюсе создается в результате электрохимических реакций, происходящих в батарее. Когда проводник подключен к клеммам батареи, электроны из того полюса, где имеется избыток, начинают двигаться к другому полюсу, поскольку заряды с одинаковыми свойствами отталкиваются друг от друга. Эти свободные электроны перемещаются внутри проводника.
Движение электронов в RC-цепи на рисунке 3 имеет другую природу. Поскольку цепь не замкнута (обкладки конденсатора не соединены друг с другом), в ней не может протекать постоянный ток. Поэтому избыток электронов, притекающих с клеммы батареи, приводит к тому, что проводник теряет свою электрическую нейтральность. Избыточный заряд, q, распределяется по поверхности проводника так, что напряженность поля внутри проводника равна нулю. Понятно, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга и стремятся разойтись в стороны, т.е. на поверхность. Если бы не было резистора R, то перераспределение зарядов на поверхности произошло бы мгновенно. Однако резистор ограничивает ток (движение заряда), поэтому перераспределение происходит постепенно. Когда конденсатор заряжается, напряжение на нем увеличивается, а ток через резистор уменьшается. Избыток электронов концентрируется на одной из катушек и создает электрическое поле. Это поле отталкивает электроны от другой катушки и "толкает" их дальше по проводнику к отрицательному полюсу батареи. (Знаки + и – здесь приняты условно). Таким образом, в разомкнутой цепи конденсатора протекает зарядный ток. Этот ток непостоянен и со временем уменьшается. Однако если в какой-то момент поменять полярность батареи, ток потечет в обратном направлении. Если это переключение происходит достаточно часто, чтобы конденсатор не успевал полностью зарядиться, ток в цепи будет течь туда и обратно все время. Именно это происходит, когда "конденсатор проводит переменный ток".
Для плоского конденсатора емкость равна C=ε0*ε*S/d , где d – зазор между обкладками, ε – диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего зазор.S – площадь поверхности обкладок.
Это означает, что на емкость влияет не только площадь поверхности торцевых пластин и расстояние между ними, но и диэлектрический материал, расположенный между торцевыми пластинами. Диэлектрический материал может оказывать довольно сильное влияние на емкость конденсатора, с различными дополнительными эффектами, см. например, статью "Диэлектрическая поляризация".
Алюминиевые электролитические конденсаторы
В алюминиевых электролитических конденсаторах в качестве одной диэлектрической пластины используется анодно-окисленный слой на алюминиевой пластине, а в качестве другой пластины – электролит из электрохимической ячейки. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, т.е. постоянное напряжение должно быть приложено в одном направлении, а анодированная пластина должна быть анодом или положительной пластиной.
На практике пластины изготавливаются в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завернутой в цилиндр и помещенной в алюминиевую банку. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.
Электролитические конденсаторы имеют самую высокую емкость среди наиболее часто используемых конденсаторов – от 0,1 мкФ до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки они имеют высокую эквивалентную последовательную индуктивность (ESI или эффективную индуктивность), поэтому не могут использоваться на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания мощности, развязки и объединения на звуковых частотах.
Танталовый электролитический
Танталовый конденсатор поверхностного монтажа
Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спеченного танталового анода с большой площадью поверхности, на котором нарастает толстый оксидный слой, а затем в качестве катода помещается электролит из диоксида марганца. Сочетание большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой емкости на единицу объема. В результате такие конденсаторы значительно меньше алюминиевых конденсаторов сопоставимой емкости. Как и последние, танталовые конденсаторы поляризованы, поэтому постоянный ток должен протекать строго в одном направлении.
Их доступная емкость варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. Они имеют гораздо меньшее сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), поэтому используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественной аудиоаппаратуре – там, где эти свойства полезны.
С танталовыми конденсаторами нужно быть особенно осторожными, чтобы не допустить их выхода из строя – есть вероятность, что они могут загореться. Аморфный оксид тантала является хорошим диэлектриком, а в кристаллической форме становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, слишком большой начальный ток – может изменить форму диэлектрика, увеличив протекающий через него ток. Правда, репутация воспламеняемости исходит от предыдущих поколений танталовых конденсаторов, но усовершенствованные технологии производства привели к созданию более надежных изделий.
Время зарядки резистора и конденсатора
Зачем нужен резистор в цепи? Почему бы не подключить его непосредственно к источнику питания? На это есть две причины.
Резистор ограничивает ток, протекающий через конденсатор. Чем меньше заряженных частиц попадает в конденсатор в единицу времени, тем больше времени потребуется для его зарядки.
Конденсатор заряжается и разряжается по экспоненциальному закону. Зная это, мы можем легко рассчитать время заряда/разряда конденсатора как функцию его емкости и сопротивления резистора.
На рисунке показано, что в момент времени T конденсатор заряжен на 63,2%. Но в момент времени 3T он уже заряжен на 95%. Время T здесь равно произведению емкости конденсатора C и сопротивления R последовательного резистора:
Например, у нас есть конденсатор емкостью 100 мкФ, соединенный с резистором 1 кОм. Рассчитайте, сколько секунд потребуется, чтобы зарядить его хотя бы на 95%:
Теперь умножьте это на 3 и получите 3T = 0,3 секунд – за это время конденсатор будет почти полностью заряжен.
Таким образом, изменяя емкость конденсатора и резистора, мы можем контролировать время зарядки, что будет полезно в будущем.
Вторая важная причина наличия резистора в схеме – это защита источника питания. Дело в том, что разряженные конденсаторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление в доли ома. В результате их можно рассматривать как обычные проводники. Но что произойдет, если клеммы источника питания закоротить на проводник? Это аварийная ситуация для источника питания, и ее следует избегать.
Плавное отключение светодиодов с помощью конденсатора
Давайте проведем небольшой эксперимент. Для этого на печатной плате соберем схему с кнопкой, конденсатором и светодиодом. В качестве источника питания мы будем использовать контакты питания Arduino Uno.
Принципиальная схема
Схема электрической цепи
Мы подключаем Arduino к источнику питания. Затем нажимаем на кнопку, и светодиод загорается почти сразу. Когда кнопка отпускается, светодиод медленно гаснет. Почему это происходит?
Как только наша схема подключается к источнику питания, в ней начинают происходить интересные процессы.
Как упоминалось ранее, пока конденсатор пуст, ток, протекающий через него, максимален. Следовательно, конденсатор начинает быстро заряжаться. Светодиод, подключенный параллельно, ничего не получает 🙁 Напряжение на нем близко к нулю.
Со временем конденсатор насыщается, поэтому ток постепенно начинает течь в параллельную цепь – через светодиод. Напряжение на светодиоде начинает расти. В этот момент напряжение на светодиоде достигает критического значения (около 1,8 В для красного светодиода), в этот момент светодиод быстро потребляет остаточный ток из конденсатора и мигает!
Когда кнопка отпущена, ситуация становится намного проще. Конденсатор становится источником питания для светодиода с резистором. Светодиод начинает медленно высасывать заряд из конденсатора, пока тот не разрядится. В этот момент мы наблюдаем медленное гашение.
Изменяя сопротивление R1, мы можем влиять на скорость мигания светодиода. Обратите внимание, однако, что, увеличивая R1, мы уменьшим ток в цепи, тем самым уменьшая максимальный заряд конденсатора и яркость светодиода.