ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Конденсаторы и цепи переменного тока

КОНДЕНСАТОРЫ И ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Коль скоро мы начинаем рассматривать изменяющиеся сигналы напряжения и тока, нам необходимо познакомиться с двумя очень занятными элементами, которые не находят применения в цепях постоянного тока, - речь идет о конденсаторах и индуктивностях. Скоро вы убедитесь, что эти компоненты вместе с резисторами являются основными элементами пассивных линейных цепей, составляющих основу почти всей схемотехники. Особенно следует подчеркнуть роль конденсаторов - без них не обходится почти ни одна схема. Они используются при генерации колебаний, в схемах фильтров, для блокировки и шунтирования сигналов. Их используют в интегрирующих и дифференцирующих схемах. На основе конденсаторов и индуктивностей строят схемы формирующих фильтров для выделения нужных сигналов из фона. Некоторые примеры подобных схем вы найдете в этой главе, а еще большее число интересных примеров использования конденсаторов и индуктивностей встретится вам в последующих главах.

Приступим к более детальному изучению конденсаторов. Явления, протекающие в конденсаторе, описываются математическими зависимостями, поэтому читателям, которые имеют недостаточную подготовку в области математики, полезно прочитать приложение Б. Не огорчайтесь, если некоторые детали не будут сразу вполне понятны, главное - это общее понимание вопроса.

1.12. Конденсаторы

Конденса рис. 1.27. -это устройство, имеющее два вывода и обладающее следующим свойством:

Q = CU

Конденсатор, имеющий емкость С фарад, к которому приложено напряжение U вольт, накапливает заряд Q кулон на одной пластине и - Q на другой.

Рис. 1.27. Конденсатор.

В первом приближении конденсаторы - это частотно-зависимые резисторы. Они позволяют создавать, например, частотно-зависимые делители напряжения. Для решения некоторых задач (шунтирование, связывание контуров) больших знаний о конденсаторе и не требуется, другие задачи (построение фильтров, резонансных схем, накопление энергии) требуют более глубоких знаний. Например, конденсаторы не рассеивают энергию, хотя через них и протекает ток, - дело в том, что ток и напряжение на конденсаторе смещены друг относительно друга по фазе на 90°.

Продифференцировав выражение для Q (см. приложение Б), получим

I = C(dU/dt).

Итак, конденсатор - это более сложный элемент, чем резистор; ток пропорционален не просто напряжению: а скорости изменения напряжения. Если напряжение на конденсаторе, имеющем емкость 1 Ф, изменится на 1 В за 1 с, то получим ток 1 А. И наоборот, протекание тока 1 А через конденсатор емкостью 1 Ф вызывает изменение напряжения на 1 В за 1 с. Емкость, равная одной фараде, очень велика, и поэтому чаще имеют дело с микрофарадами (мкФ) или пикофарадами (пФ). Для того чтобы сбить с толку непосвященных, на принципиальных схемах иногда опускают обозначения единиц измерения. Их приходится угадывать из контекста. Например, если подать ток 1 мА на конденсатор емкостью 1 мкФ, то напряжение за 1 с возрастет на 1000 В. Импульс тока продолжительностью 10 мс вызовет увеличение напряжения на конденсаторе на 10 В (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Напряжение на конденсаторе изменяется, когда через него протекает ток.

Промышленность выпускает конденсаторы разнообразных форм и размеров, через некоторое время вы познакомитесь с наиболее распространенными представителями этого обширного семейства. Простейший конденсатор состоит из двух проводников, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга (но не соприкасающихся между собой), настоящие простейшие конденсаторы имеют именно такую конструкцию. Чтобы получить большую емкость, нужны большая площадь и меньший зазор между проводниками, обычно для этого один из проводников покрывают тонким слоем изолирующего материала (называемого диэлектриком), для таких конденсаторов используют, например, алитированную (покрытую алюминием) майларовую пленку. Широкое распространение получили следующие типы конденсаторов: керамические, электролитические (изготовленные из металлической фольги с оксидной пленкой в качестве изолятора), слюдяные (изготовленные из металлизированной слюды). Каждому типу конденсаторов присущи свои качества, краткий перечень отличительных особенностей каждого типа конденсаторов приведен мелким шрифтом в разделе «Конденсаторы». В общем можно сказать, что для некритичных схем подходят керамические и майларовые конденсаторы, в схемах, где требуется большая емкость, применяются танталовые конденсаторы, а для фильтрации в источниках питания используют электролитические конденсаторы.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. Ёмкость нескольких параллельно соединенных конденсаторов равна сумме их емкостей. Нетрудно в этом убедиться: приложим напряжение к параллельному соединению, тогда:

CU = Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + ... =

= С₁U + C₂U + C₃U + ... =

= (C₁ + C₂ + C₃ + ...)U

или

C = C₁ + C₂ + C₃ + ...

Для последовательного соединения конденсаторов имеем такое же выражение, как лдя параллельного соединения резисторов:

C = 1/1/C₁ + 1/C₂ + 1/C₃.

В частном случае для двух конденсаторов:

C = C₁C₂/(C₁ + C₂).

Ток, заряжающий конденсатор (I = CdU/dt),обладает некоторыми особыми свойствами. В отличие от тока, протекающего через резистор, он пропорционален не напряжению, а скорости изменения напряжения (т.е. его производной по времени).Далее, мощность (U умноженное на I), которая связана с протекающим через конденсатор током, не обращается в тепло, а сохраняется в виде энергии внутреннего электрического поля в конденсаторе. При разряде конденсатора происходит извлечение энергии. Эти занятные свойства мы рассмотрим с другой точки зрения, когда будем изучать реактивность (начиная с разд. 1.18.).

КОНДЕНСАТОРЫ

Промышленностью выпускается много типов конденсаторов. Здесь перечислены основные преимущества и недостатки различных типов. Очевидно, что данная оценка имеет несколько субъективный характер (см. таблицу).

Тип	Диапазон емкости	Макс. U	Точность	Термо-стаб.	Утечка	Примечание
Слюдяной	1пФ- 0,01мкФ	100-600	Хорошая		Малая	Очень хорошие: рекомендуются для радиочастот
Цилиндри- ческин керамический	0,5пФ- 100пФ	100-600		Варьирует		Несколько значений температурного коэффициента, включая 0
Керамический	10пФ- 1мкФ	50- 30000	Низкая	Низкая	Средняя	Малые габариты, недороги, широко используются
Полиэфирные (маяларовые)	0,001мкФ- 50мкФ	50-600	Хорошая	Низкая	Малая	Хорошие, недорогие, широко используются
Полисти- ролвые	10 пФ- 2.7мкФ	100-600	Отличная	Высокая	Очень малая	Высоко- качестенные, крупногабаритные, рекомендуются для фильтров
Поликар- боватные	10ОпФ- ЗОмкФ	50-800	Отличная	Отличная	Малая	Высоко- качественные имеют малые габариты
Полипро- пиленовые	100пФ- 50мкФ	100-800	Отличная	Высокая	Очень малая	Высоко- качественные; низкое диэлектрическое поглощение
Тефлоновые	100 пФ- 2мкФ	50-200	Отличная	Отличная	Самая малая	Высоко- качественные, самое низкое диэлектрическое поглощение
Стеклянные	10 пФ- 1000мкФ	100-600	Хорошая		Очень малая	Стабильны при длительной эксплуатации
Фарфоровые	100 пФ- 0,1мкФ	50-400	Хорошая	Высокая	Малая	Хорошие: стабильные при длительной эксплуатации
Танталовые	0.1мкФ- 500мкФ	6-100	Низкая	Низкая		Большая емкость; поляризованные; малогабаритные; небольшая индуктивность
Электро- литаческие	0,1мкФ- 1,6Ф	3-600	Хуже не бывает	Хуже не бывает	Ужасная	Фильтры источников питания; поляризованные; короткий срок службы
С двойным слоем диэлектрика	0,1Ф- 10Ф	1,5-6	Низкая	Низкая	Малая	Поддержка памяти; высокое последовательное сопротивление
Масляные	0,1мкФ- 20мкФ	200- 10000			Малая	Высоковольтные фильтры; крупногабаритные, длительный срок службы
Вакуумные	1пФ- 5000пФ	2000- 36000			Очень малая	Передатчики

Упражнение 1.12. Получите выражение для емкости двух последовательно соединенных конденсаторов. Подсказка: так как точка соединения конденсаторов не имеет внешних подключений, то заряд, накопленный двумя конденсаторами, должен быть одинаков.

Индуктивности и трансформаторы