В настоящее время почти не существует электронных схем, в которых не было бы такого элемента как конденсатора. Наряду с резисторами и катушками индуктивности конденсаторы являются основными пассивными компонентами, которые мы используем в электронике. В этом уроке мы узнаем, что такое конденсатор, как он работает, и рассмотрим некоторые основные примеры его применения.
Также на нашем сайте вы можете прочитать статью про различные типы конденсаторов.
Что такое конденсатор?
Конденсатор — это устройство, способное хранить энергию в виде электрического заряда. По сравнению с батареей того же размера, конденсатор может хранить гораздо меньшее количество энергии, примерно в 10 000 раз меньше, но это все равно полезно для очень многих схем. Однако в последнее время активно развиваются и такие компоненты как суперконденсаторы, плотность хранения энергии в которых значительно выше чем в обычных конденсаторах.
Конструкция конденсатора
Конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком. Пластины являются проводящими и обычно изготавливаются из алюминия, тантала или других металлов, а диэлектрик может быть изготовлен из любого изоляционного материала, такого как бумага, стекло, керамика или что-либо еще, что препятствует прохождению тока.
Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах, прямо пропорциональна площади поверхности двух пластин, а также диэлектрической проницаемости ε диэлектрика, при этом чем меньше расстояние между пластинами, тем больше емкость. Давайте теперь посмотрим как работает конденсатор.
Как работает конденсатор
Во-первых, мы можем отметить, что металл обычно имеет равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, что означает, что он электрически нейтрален.
Если подключить источник питания или батарею к металлическим пластинам конденсатора, то попытается течь ток или электроны с пластины, подключенной к положительному выводу батареи, начнут двигаться к пластине, подключенной к отрицательному выводу батареи. Однако из-за наличия диэлектрика между пластинами электроны не смогут пройти через конденсатор и начнут скапливаться на пластине.
После того, как на пластине накопится определенное количество электронов, у батареи будет недостаточно энергии, чтобы подтолкнуть любые новые электроны к пластине из-за силы отталкивания тех электронов, которые уже там есть.
В этот момент конденсатор фактически полностью заряжен. Первая пластина образовала чистый отрицательный заряд, а вторая пластина образовала такой же чистый положительный заряд, создавая между ними электрическое поле с силой притяжения, которое удерживает заряд конденсатора.
Принцип работы диэлектрика конденсатора
Давайте посмотрим, как диэлектрик может увеличить емкость конденсатора. Диэлектрик содержит молекулы, которые являются полярными, что означает, что они могут менять свою ориентацию в зависимости от зарядов на двух пластинах. Таким образом, молекулы выравниваются по электрическому полю таким образом, что позволяют большему количеству электронов притягиваться к отрицательной пластине и отталкивать больше электронов от положительной пластины, что увеличивает заряд, который может хранить конденсатор.
Таким образом, как только конденсатор полностью заряжен, то если мы вынимаем батарею, он будет удерживать электрический заряд в течение длительного времени, выступая в качестве накопителя энергии.
Теперь, если мы укоротим два конца конденсатора через нагрузку, через нагрузку начнет течь ток. Накопленные электроны с первой пластины начнут перемещаться на вторую пластину, пока обе пластины снова не станут электрически нейтральными.
Итак, это основной принцип работы конденсатора, а теперь давайте посмотрим на некоторые примеры его применения.
Применение конденсаторов
Развязывающие (байпасные) конденсаторы
Развязывающие (Decoupling) конденсаторы или, как их по другому называют, байпасные (Bypass) конденсаторы часто используются вместе с интегральными схемами (ИС) и размещаются между источником питания и землей ИС.
Их работа состоит в том, чтобы фильтровать любые помехи в источнике питания, такие как пульсации напряжения, которые возникают, когда у источника питания на очень короткий период времени падает напряжение или когда часть цепи переключается, вызывая колебания в источнике питания. В момент падения напряжения конденсатор временно будет выполнять функцию источника питания в обход основного источника питания.
Преобразователь переменного тока в постоянный
Другим типичным примером применения являются конденсаторы, используемые в адаптерах постоянного тока. Для преобразования переменного напряжения в постоянное обычно используется диодный выпрямитель, но без конденсаторов он не справится с этой задачей.
Выходной сигнал выпрямителя представляет собой сигнал с изменяющимся напряжением. Таким образом, пока выходная мощность выпрямителя увеличивается, конденсатор заряжается, а когда выходная мощность выпрямителя снижается, конденсатор разряжается и, таким образом, сглаживает выходной постоянный ток.
Фильтрация сигналов
Фильтрация сигнала — еще один пример применения конденсаторов. Благодаря своему специфическому времени отклика они способны блокировать низкочастотные сигналы, пропуская при этом более высокие частоты.
Они используются в радиоприемниках для настройки на требуемые частот и в схемах кроссовера внутри динамиков для разделения низких частот для низкочастотного динамика и более высоких частот для высокочастотного динамика.
Конденсаторы как хранилище энергии
Еще одно довольно очевидное применение конденсаторов — для хранения и подачи энергии. Хотя они могут хранить значительно меньшую энергию по сравнению с батареями того же размера, их срок службы намного выше, и они способны доставлять энергию намного быстрее, что делает их более подходящими для приложений, где требуется высокая мощность.
Если вам интересна тема о противостоянии в современной силовой электронике суперконденсатора и батареи и что из них в каких условиях лучше использовать, то можете посмотреть эту статью.
