Устройство плавного заряда и разряда фильтрующих конденсаторов высоковольтного выпрямителя

Вопросы и задания для самоконтроля

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что представляет собой конденсатор и от чего зависит его ёмкость?
2. Выведите формулы ёмкости плоского, цилиндрического и сферического конденсаторов.
3. Как изменяется разность потенциалов на обкладках конденсатора при его зарядке и разрядке?
4. Какой ток называется квазистационарным?
5. Выведите формулы электроёмкости батареи последовательно и параллельно соединённых конденсаторов
6. Что такое время релаксации?
7. Объясните принцип работы экспериментальной установки.
8. Нарисуйте графики зависимости силы тока и напряжения от времени при зарядке и разрядке конденсатора.
9. Соберите на мониторе такую цепь, состоящую из источника тока, двух ламп, выключателя и соединительных проводов, чтобы с выключением лампы в одной цепи загоралась лампа в другой.
10. Определите заряд, который пройдёт через гальванометр в схеме, показанной на рис. 2, при замыкании ключа.
11. Конденсатор ёмкости С = 300 пФ подключается через сопротивление R =500 Ом к источнику постоянного напряжения U0. Определите: а) время, по истечению которого напряжение на конденсаторе составит 0,99 U0; в) количество тепла, которое выделится на этом сопротивлении при разрядке конденсатора за это же время.
12. Имеется ключ, соединительные провода и две электрические лампочки. Составьте на мониторе электрическую схему включения в сеть этих лампочек, которая должна удовлетворять следующему условию: при замкнутом ключе горит только первая лампочка, при размыкании ключа первая гаснет, а вторая загорается.
13. Конденсатору ёмкостью С сообщают заряд q, после чего обкладки конденсатора замыкают через сопротивление R. Определите: а) закон изменения силы тока, текущего через сопротивление; б) заряд, прошедший через сопротивление за время t; в) количество тепла, выделившееся в сопротивлении за это время.
14. Определите количество тепла, выделившегося в цепи (рис. 4-6) при переключении ключа К из положения 1 в положение 2. Параметры цепи обозначены на рисунках.

Электроемкость

Энергетический потенциал дает возможность применять (большая электроемкость) конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора используется при необходимости применить кратковременный импульс тока.

От каких величин зависит электроемкость? Процесс зарядки конденсатора начинается с подключения его обкладок к полюсам источника тока. Накапливаемый на одной обкладке заряд (величина которого q) принимается за заряд конденсатора. Электрическое поле, сосредоточенное между обкладками, имеет разность потенциалов U.

Электроемкость (С) зависит от количества электричества, сосредоточенного на одном проводнике, и напряжения поля: С= q/U.

Измеряется эта величина в Ф (фарадах).

Емкость всей Земли не идет в сравнение с величина которого примерно с тетрадь. Накапливаемый мощный заряд может быть использован в технике.

Однако накопить неограниченное количество электричества на обкладках нет возможности. При возрастании напряжения до максимального значения может произойти пробой конденсатора. Пластины нейтрализуются, что может привести к порче устройства. Энергия заряженного конденсатора при этом полностью идет на его нагревание.

Процессы зарядки и разрядки конденсаторов.

С устройством мы разобрались, теперь разберемся, что произойдет, если подключить к конденсатору источник постоянного тока. На принципиальных электрических схемах конденсатор обозначают следующим образом:

Итак, мы подключили обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока. Что же будет происходить?

Свободные электроны с первой обкладки конденсатора
устремятся к положительному полюсу источника, в связи с чем на обкладке возникнет недостаток отрицательно заряженных частиц и она станет положительно заряженной. В то же время электроны с отрицательного полюса источника тока переместятся ко второй обкладке конденсатора, в результате чего на ней возникнет избыток электронов, соответственно, обкладка станет отрицательно заряженной. Таким образом, на обкладках конденсатора образуются заряды разного знака (как раз этот случай мы и рассматривали в первой части статьи), что приводит к появлению электрического поля, которое создаст между пластинами конденсатора определенную . Процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока эта разность потенциалов не станет равна напряжению источника тока, после этого процесс зарядки закончится, и перемещение электронов по цепи прекратится.

При отключении от источника конденсатор может на протяжении длительного времени сохранять накопленные заряды. Соответственно, заряженный конденсатор является источником электрической энергии, это означает, что он может отдавать энергию во внешнюю цепь. Давайте создадим простейшую цепь, просто соединив обкладки конденсатора друг с другом:

В данном случае по цепи начнет протекать ток разряда конденсатора
, а электроны начнут перемещаться с отрицательно заряженной обкладки к положительной. В результате напряжение на конденсаторе (разность потенциалов между обкладками) начнет уменьшаться. Этот процесс завершится в тот момент, когда заряды пластин конденсаторов станут равны друг другу, соответственно электрическое поле между обкладками пропадет и по цепи перестанет протекать ток. Вот так и происходит разряд конденсатора, в результате которого он отдает во внешнюю цепь всю накопленную энергию.

Как видите, здесь нет ничего сложного

Применение на практике

Свойства конденсатора используются при конструировании различных фильтров. Действие ёмкостного сопротивления в этом случае зависит от способа подключения детали:

• Если он присоединён параллельно нагрузке, то получится фильтр, задерживающий высокие частоты. С их ростом падает сопротивление конденсатора. Соответственно, нагрузка на высоких частотах шунтируется сильнее, чем на низких.
• Если деталь подключена последовательно с нагрузкой, то получится фильтр, задерживающий низкие частоты. Эта схема также не пропускает постоянное напряжение.
• Ещё одна область применения — отделение переменной составляющей от постоянной. Например, в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Чем выше ёмкость, тем более низкую частоту способен воспроизвести подключённый громкоговоритель.

В фильтрах электропитания, наряду с ёмкостным сопротивлением, используется также свойство накопления и отдачи заряда. В момент повышения нагрузки заряженная ёмкость фильтра разряжается, отдавая дополнительную энергию. Она также осуществляет подавление пульсаций и прочих паразитных сигналов, пропуская их через себя и замыкая на общий провод. Таким образом, обеспечивается сглаживание и поддержание напряжения на нагрузке в заданных пределах, и устранение нежелательных междукаскадных связей, вызывающих нестабильную работу.

Измерение сопротивления конденсаторов.

Конденсатор постоянной емкости

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами постоянной емкости.

Рисунок 2. Схема устройства конденсатора постоянной емкости

Наиболее распространенные в настоящее время конденсаторы постоянной емкости состоят из очень тонких металлических (станиолевых) листов с парафинированной бумажной или слюдяной прослойкой между ними.

Для увеличения емкости (увеличения площади пластин конденсатора) чаще всего берут по нескольку станиолевых листов и соединяют их в две группы, входящие одна в другую и разделенные диэлектриком, как схематически показано на рисунке 2. Иногда также берут две длинные станиолевые пластины, прокладывают между ними и снаружи парафинированную бумагу и затем свертывают все в компактный пакет или трубку. Конденсаторы большой емкости во многих случаях помещают в металлическую коробку и заливают парафином.

Рисунок 3. Внешний вид современных конденсаторов постоянной емкости

Определим емкость плоского конденсатора. Возьмем произвольную замкнутую поверхность вокруг одной из пластин конденсатора. Тогда по теореме Гаусса поток вектора напряженности, проходящий через любую замкнутую поверхность, внутри которой находится электрический заряд, равен:

Предполагая, что поле конденсатора однородно (пренебрегая искажением поля у краев пластин), получаем напряженность электрического поля в конденсаторе:

где d – расстояние между пластинами или толщина диэлектрика. Подставив значение E из формулы (2) в формулу (1), получим:

откуда

Так как

то выражение емкости плоского конденсатора примет вид:

где S – площадь пластин в м²; d – толщина диэлектрика в м; ε – относительная электрическая проницаемость диэлектрика (диэлектрическая проницаемость).

Таким образом, для увеличения емкости плоского конденсатора нужно увеличить площадь его пластин (обкладок) S, уменьшить расстояние между ними d и в качестве диэлектрика поставить материал с большой относительной электрической проницаемостью (ε).

Видео об устройстве конденсатора постоянной емкости:

Конденсатор или аккумулятор

Способность долгое время сохранять накопленный заряд дает замечательную возможность использовать его в качестве накопителя информации или хранилища энергии. В радиотехнике это свойство широко используется.

Заменить аккумулятор, к сожалению, конденсатор не в состоянии, поскольку имеет особенность разряжаться. Накопленная им энергия не превышает нескольких сотен джоулей. Аккумулятор может сохранять большой запас электроэнергии длительно и практически без потерь.

Одними из наиболее часто используемых электронных компонентов являются конденсаторы
. И в этой статье нам предстоит разобраться, из чего они состоят, как работают и для чего применяются

Давайте, в первую очередь, рассмотрим устройство конденсаторов
, а затем уже плавно перейдем к их основным видам и характеристикам, а также к процессам зарядки/разрядки. Как видите, нам сегодня предстоит изучить много интересных моментов

Итак, простейший конденсатор представляет из себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно друг другу и разделенные слоем диэлектрика. Причем расстояние между пластинами должно быть намного меньше, чем, собственно, размеры пластин:

Такое устройство называется плоским конденсатором
, а пластины — обкладками конденсатора
. Стоит уточнить, что здесь мы рассматриваем уже заряженный конденсатор (сам процесс зарядки мы изучим чуть позже), то есть на обкладках сосредоточен определенный заряд. Причем наибольший интерес представляет тот случай, когда заряды пластин конденсатора одинаковы по модулю и противоположны по знаку (как на рисунке).

А поскольку на обкладках сосредоточен заряд, между ними возникает электрическое поле, изображенное стрелками на нашей схеме. Поле плоского конденсатора, в основном, сосредоточено между пластинами, однако, в окружающем пространстве также возникает электрическое поле, которое называют полем рассеяния. Очень часто его влиянием в задачах пренебрегают, но забывать о нем не стоит

Для определения величины этого поля рассмотрим еще одно схематическое изображение плоского конденсатора:

Каждая из обкладок конденсатора в отдельности создает электрическое поле:

Выражение для напряженности поля равномерно заряженной пластины выглядит следующим образом:

Здесь — это поверхностная плотность заряда: . А — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора. Поскольку площадь пластин конденсатора у нас одинаковая, как и величина заряда, то и модули напряженности электрического поля, равны между собой:

Но направления векторов разные — внутри конденсатора вектора направлены в одну сторону, а вне — в противоположные. Таким образом, внутри обкладок результирующее поле определяется следующим образом:

А какая же будет величина напряженности вне конденсатора? А все просто — слева и справа от обкладок поля пластин компенсируют друг друга и результирующая напряженность равна 0

Периодическая (колебательная) разрядка конденсатора

Основы > Теоретические основы электротехники

Периодическая (колебательная) разрядка конденсатора
Разрядка будет периодической или колебательной, если сопротивление контура меньше критического: , т. е. корни характеристического уравнения ( 14.34) комплексные и сопряженные.Обозначим в ( 14.35)
так что
где — угловая частота и — период собственных или свободных колебаний контура.Для корней получим
Решение дифференциального уравнения ( 14.32) при комплексных корнях его характеристического уравнения удобно записать в виде

Все страницы раздела «Классический метод расчета переходных процессов» на websor Законы коммутации Переходный, установившийся и свободный процессы Короткое замыкание rL-цепи Включение rL-цепи на постоянное напряжение Включение rL-цепи на синусоидальное напряжениеКороткое замыкание rС-цепи Включение rС-цепи на постоянное напряжение Включение rС-цепи на синусоидальное напряжение Переходные процессы в rLC-цепи Апериодическая разрядка конденсатора Предельный случай апериодической разрядки конденсатора Периодическая (колебательная) разрядка конденсатора Включение rLC-цепи на постоянное напряжение Общий случай расчета переходных процессов классическим методом Переходные процессы в цепях с взаимной индуктивностью Включение пассивного двухполюсника к источнику непрерывно меняющегося напряжения Включение пассивного двухполюсника к источнику напряжения произвольной формы Переходная и импульсная переходная характеристики Запись интеграла Дюамеля Метод переменных состояния Численные методы решения уравнений состояния Дискретные модели электрической цепи Переходные процессы при некорректных коммутациях Определение переходного процесса при воздействии периодических импульсов напряжения

(но можно и в виде суммы двух экспонент с комплексными показателями). Ток
Так как переходные напряжение и ток попрежнему равны их свободным значениям и начальные условия такие же, как и в двух предыдущих случаях, то по формулам (14.52) и (14.53) получим
Из последних соотношений находим

Подставив значения в (14.52) и (14.53) и обозначив для краткости
получим окончательные выражения:
Кривые изменения и i даны на рис. 14.19. Ток и напряжения представляются затухающими синусоидальными функциями с угловой частотой собственных колебаний контура и коэффициентом затуханияa, причем как , так и a определяются только параметрами контура r, L и С. Начальная фаза y зависит также только от параметров контура, в то время как зависят и от параметров контура, и от начального напряжения на конденсаторе.Быстроту затухания рассматриваемых колебаний характеризуют отношением напряжений в моменты времени t и
Это отношение, называемое декрементом колебания, — постоянная величина, не зависящая от времени t, а зависящая лишь от параметров rLC-контура.Часто быстроту затухания колебаний характеризуют натуральным логарифмом этого отношения
который называется логарифмическим декрементом колебания. Если кривая затухает медленно, то отношение ее значений, отстоящих на время друг от друга, близко к единице, логарифмический декремент близок к нулю. На рис. 14.20 представлены кривые изменения отношения амплитуд колебаний в конце 1, 2, 3-го и т. д. периодов к начальной амплитуде, построенные для разных значений логарифмического декремента .

Рис. 14.19

Рис. 14.20

Сопротивление r оказывает существенное влияние на скорость затухания колебательной разрядки конденсатора. Кроме того, как показывает равенство (14.49), по мере увеличения сопротивления r уменьшается частота собственных колебаний и увеличивается их период . Когда r достигнет значения , частота собственных колебаний будет равна нулю, период — бесконечности, что соответствует апериодической разрядке.При колебательной разрядке конденсатора через идеальную катушку (r = 0) получим
т. е. затухание процесса равно нулю, а частота собственных колебаний имеет наибольшее возможное значение и равна резонансной частоте последовательного контура.Из равенств (14.54) — (14.56) следует, что будут изменяться гармонически с угловой частотой Ток i отстает по фазе на p/2 от напряжения на индуктивном и опережает на p/2 напряжение на емкостном элементах. Поскольку сопротивление отсутствует, первоначальный запас энергии остается неизменным и энергия попеременно переходит из электрического поля в магнитное, и наоборот.

Зарядка и разрядка

Рассмотрим такую схему:

Пока переключатель находится в положении 1, на конденсаторе создаётся напряжение — он заряжается.
Заряд Q на пластине в определённый момент времени расчитывается по формуле:

C — ёмкость, e — экспонента (константа ≈ 2.71828), t — время с момента начала зарядки.
Заряд на второй пластине по значению всегда точно такой же, но с противоположным знаком. Если резистор
R убрать, останется лишь небольшое сопротивление проводов (оно и станет значением R)
и зарядка будет происходить очень быстро.

Изобразив функцию на графике, получим такую картину:

Как видно, заряд растёт не равномерно, а обратно-экспоненциально. Это связанно с тем, что по
мере того, как заряд копится, он создаёт всё большее и большее обратное напряжение V_c,
которое «сопротивляется» V_in.

Заканчивается всё тем, что V_c становится равным по значению V_in и
ток перестаёт течь вовсе. В этот момент говорят, что конденсатор достиг точки насыщения (equilibrium).
Заряд при этом достигает максимума.

Вспомнив , мы можем изобразить зависимость силы тока в нашей
цепи при зарядке конденсатора.

Теперь, когда система находится в равновесии, поставим переключатель в положение 2.

На пластинах конденсатора заряды противоположных знаков, они создают напряжение — появляется ток
через нагрузку (Load). Ток пойдёт в противоположном направлении, если сравнивать с направлением
источника питания. Разрядка тоже будет происходить наоборот: сначала заряд будет теряться быстро,
затем, с падением напряжения создаваемого им же, всё медленее и медленее. Если за Q
обозначить заряд, который был на конденсаторе изначально, то:

Эти величины на графике выглядят следующим образом:

Опять же, через некоторое время система придёт в состояние покоя: весь заряд потеряется, напряжение
исчезнет, течение тока прекратится.

Если снова воспользоваться переключателем, всё начнётся по кругу. Таким образом конденсатор
ничего не делает кроме как размыкает цепь когда напряжение постоянно; и «работает», когда напряжение
резко меняется. Это его свойство и определяет когда и как он применяется на практике.

Как измерить напряжение на конденсаторе

Кроме того, чтобы определить исправен ли элемент, необходимо выполнить проверку соответствия его реального напряжения к номинальному. Чтобы это сделать следует использовать тестер в режиме вольтметра, а также необходимо наличие источника питания для зарядки устройств. Значение напряжения должно быть меньшим нежели, то под которое рассчитаны накопители. Чтобы измерить вам понадобится подсоединить щуп к выводу и чуть подождать, до момента полной зарядки. При переводе прибора в режим вольтметра, необходимо выполнить проверку выдаваемого накопителем напряжения. Величина, которая появится на дисплее устройства на начальном этапе замера, должна соответствовать заявленным показателям. 

Следует учитывать, что в процессе проверки у накопителя теряется заряд и, очевидно, что напряжение будет быстро снижаться, именно поэтому важна начальная величина замера.

Существует более доступный способ проверить конденсаторы, но он подходит только для изделий, имеющих гораздо большую емкость. После полноценной зарядки накопителя, нужно взять простую отвертку с изолированной ручкой, поднести ее металлической частью к выводам и замкнуть их. Если же после проделанных манипуляций произошло возникновение искры, то это свидетельствует о работоспособности элемента. Если же она отсутствовала или была слабой, то это говорит о невозможности устройства держать заряд.

Применение конденсаторов

Наряду с резисторами конденсаторы являются самыми распространенными компонентами. Ни одно электронное изделие не может без него обойтись. Вот краткий перечень направлений использования конденсаторов.

Блоки питания
: в качестве сглаживающих фильтров при преобразовании пульсирующего тока в постоянный.

Звуковоспроизводящая техника
: создание при помощи RC-цепочек элементов схем, пропускающих звуковые сигналы одних частот и задерживая остальные. За счет этого удается регулировать тембр и формировать амплитудно-частотные характеристики устройств.

Радио- и телевизионная техника
: совместно с катушками индуктивности конденсаторы используются в составе устройств настройки на передающую станцию, выделения полезного сигнала, фильтрации помех.

Электротехника
. Для создания фазовых сдвигов в обмотках однофазных электродвигателей или в схемах подключения трехфазных двигателей в однофазную сеть. Используются в установках, компенсирующих реактивную мощность.

При помощи конденсаторов можно накопить заряд, превышающий по мощности источник питания. Это используется для работы фотовспышек
, а также в установках для отыскания повреждений в кабельных линиях, выдающих мощный высоковольтный импульс в место повреждения.

С момента начала изучения электричества решить вопрос о его накоплении и сохранении удалось лишь в 1745 году Эвальду Юргену фон Клейсту и Питеру ван Мушенбруку. Созданное в голландском Лейдене устройство позволяло аккумулировать и использовать ее при необходимости.

Лейденская банка — прототип конденсатора. Ее использование в физических опытах продвинуло изучение электричества далеко вперед, позволило создать прототип электрического тока.