Эрл Гейтс - Введение в электронику

1 пикофарада = 0,000000000001 или 1/1000000000000 фарады

11-1. Вопросы

1. Что такое емкость?

2. Нарисуйте схематическое изображение емкости.

3. Какие предосторожности необходимо соблюдать при работе с конденсаторами?

4. В каких единицах измеряется емкость?

5. Какие единицы обычно используются для обозначения емкости конденсаторов?

На емкость конденсатора влияют четыре фактора:

1. Площадь обкладок

2. Расстояние между обкладками.

3. Тип диэлектрического материала.

4. Температура.

Конденсаторы бывают постоянные и переменные. Постоянный конденсаторимеет определенное значение емкости, которое не может быть изменено. Емкость переменного конденсатораможно изменять, изменяя либо расстояние между обкладками (подстроечный конденсатор), либо перекрытие между двумя наборами пластин (переменный конденсатор).

Емкость прямо пропорциональна площади обкладок.

Например, увеличение площади обкладок в два раза в те же два раза увеличивает емкость, если, конечно, все другие факторы остаются неизменными.

Емкость обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. Другими словами, если обкладки раздвинуть, величина электрического поля между ними уменьшится.

Способность конденсаторов сохранять электрическую энергию зависит от электростатического поля между обкладками и искажения электронных орбит в диэлектрическом материале. Степень этого искажения зависит от природы диэлектрического материала и определяется его диэлектрической постоянной. Диэлектрическая постоянная — это мера эффективности материала как диэлектрика. Эта постоянная сравнивает способность материала к искажению электронных орбит и сохранению энергии в электрическом поле со способностью воздуха, диэлектрическая постоянная которого равна 1. Бумага имеет диэлектрическую постоянную от 2 до 3; слюда — от 5 до 6; а титан — от 90 до 170.

Температура конденсатора из всех четырех факторов имеет наименьшее значение. Для большинства приложений общего назначения рассматривать ее нет необходимости.

Конденсаторы бывают различных типов и конструкций в соответствии с требованиями электронной промышленности. Электролитические конденсаторы обладают большой емкостью при малых размерах и весе (рис. 11-3).

Рис. 11-3. Электролитические конденсаторы.

Электролитические конденсаторы состоят из двух металлических обкладок из фольги, разделенных тонкой материей или другим гигроскопическим материалом, насыщенным химической пастой, называемой электролитом.

Электролит является хорошим проводником и служит частью отрицательной обкладки. Диэлектрик образуется окислением положительной обкладки. Слой окисла является тонким и хорошим изолятором. Электролитический конденсатор является поляризованным, имеет положительный и отрицательный выводы. При включении электролитического конденсатора в цепь должна соблюдаться полярность.

Бумажные и пластиковые конденсаторы сконструированы как рулоны фольги, разделенной диэлектриком (рис. 11-4).

Рис. 11-4. Бумажные и пластиковые конденсаторы

Бумажный диэлектрик имеет меньшее сопротивление, чем пластиковая диэлектрическая пленка, но пластиковая пленка в настоящее время используется чаще. Пластиковая пленка позволяет нанести металлическую пленку прямо на нее. Это уменьшает расстояние между обкладками, и в результате конденсатор получается компактнее.

Керамические дисковые конденсаторы популярны вследствие того, что их производство обходится очень дешево (рис. 11-5). Они используются в качестве емкостей от 0,1 микрофарады и меньше. Керамический материал является диэлектриком. Это выносливые, надежные конденсаторы для широкого применения.

Рис. 11-5. Керамические дисковые конденсаторы.

Переменные конденсаторы также имеют различные размеры и формы (рис. 11-6). Переменные конденсаторы бывают выравнивающие, подстроечные и настроечные. Выравнивающие и подстроечные конденсаторы должны настраиваться специалистом. Настроечные конденсаторы могут настраиваться пользователем.

Рис. 11-6. Переменные конденсаторы.

Подобно резисторам и катушкам индуктивности, конденсаторы могут соединяться последовательно, параллельно и последовательно-параллельно. Последовательное соединение конденсаторов эффективно увеличивает толщину диэлектрика. Это уменьшает общую емкость, так как емкость обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. Общая емкость последовательно соединенных конденсаторов вычисляется подобно общему сопротивлению параллельно соединенных резисторов:

1/ С T= 1/ С 1+ 1/ С 2+ 1/ С 3+… + 1/ С n

Когда конденсаторы различной емкости соединяются последовательно, наименьший конденсатор заряжается до наивысшего напряжения.

Параллельное соединение конденсаторов эффективно увеличивает площадь обкладок. Это приводит к тому, что общая емкость равна сумме отдельных емкостей:

С T= С 1+ С 2+ С 3+… + С n

11-2. Вопросы

1. Какие четыре фактора влияют на емкость конденсатора?

2. Каковы преимущества электролитических конденсаторов?

3. Как иначе называются переменные конденсаторы?

4. По какой формуле определяется общая емкость последовательной цепи?

5. По какой формуле определяется общая емкость параллельной цепи?

Постоянная времени цепи RC отражает соотношение между временем, сопротивлением и емкостью. На рис. 11-7 изображена RC цепь.

Рис. 11-7. Цепь, используемая для определения постоянной времени RC.

Время, необходимое для заряда и разряда конденсатора прямо пропорционально величине сопротивления и емкости. Постоянная времени цепи определяет время, требуемое для того, чтобы конденсатор зарядился до 63,2 % от величины приложенного напряжения или разрядился на 63,2 % от этой величины. Постоянная времени определяется следующей формулой:

t= RC,

где

t — время в секундах, R — сопротивление в омах, С — емкость в фарадах.

ПРИМЕР: Чему равна постоянная времени цепи, состоящей из конденсатора емкостью в 1 микрофараду и резистора величиной 1 МОм?

Дано:

С = 1 мкФ; R = 1 МОм

t =?

Решение:

t = RC

t = (1000000)(0,000001)

t = 1 сек.

Постоянная времени цепи не равна времени, требуемого для полного заряда или разряда конденсатора. Рис. 11-8 показывает, сколько постоянных времени требуется для полного заряда и разряда конденсатора. Заметим, что для полного заряда или разряда конденсатора требуется время, примерно в пять раз большее постоянной времени цепи.