Конденсатор: устройство, принцип работы, применение

Маркировка конденсаторов

Маркировка отличается у различных производителей. В изделиях, производимых в СССР и постсоветских республиках, в маркировке обязательно присутствуют следующие данные:

Буквенно-цифровое обозначение, характеризующее тип и технологию изготовления;
Значение емкости и погрешность изготовления;
Номинальное напряжение;
ТКЕ;
Дата изготовления.

Для импортных изделий обязательно только обозначение емкости. Остальные параметры наносятся по усмотрению производителя.

Пример маркировки

Невозможно в ограниченном объеме подробно описать все существующие виды конденсаторов. Тем более что их конструкция постоянно совершенствуется, приходят новые технологии, которые позволяют снизить стоимость с одновременным улучшением характеристик.

Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше.

Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.

Батареи характеризуются более высокой плотностью энергии, а ионисторы более высокой плотностью мощности. Суперконденсаторы способны функционировать при низких показателях напряжения, а для получения большего напряжения, их нужно последовательно соединить. Такой вариант необходим для более мощного оборудования.

Технология ионисторов может найти применение в энергетике и приборостроении. Одно из применений – использование в ветряных турбинах. Подобные приборы помогают сгладить прерывистое питание от ветра.

В портативных электронных приборах используются источники питания разнообразных типов

В таких устройствах, как планшеты, смартфоны и ноутбуки важное значение имеет удельная энергоемкость. Чем больше данный показатель, тем выше будет емкость устройства при тех же физических параметрах

Преимущества

Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
Для выполнения заряда не требуется специального зарядного устройства, что упрощает обслуживание.
Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.

Недостатки

Малая величина номинального напряжения. Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько гальванических элементов для увеличения напряжения.
Повышенная цена на такие устройства способствует удорожанию изделий, в которых они используются. По заверению ученых, скоро эта проблема станет неактуальной, так как технологии постоянно развиваются, и стоимость подобных устройств снижается.
Ионисторы не способны накопить большое количество энергии, так как имеют незначительную энергетическую плотность, и не могут обладать мощностью, сравнимой с аккумуляторами. Это негативно влияет на область их использования. Эта проблема может частично решиться путем подключения нескольких ионисторов вместе, по параллельной схеме.
Необходимость соблюдения полярности при подключении.
Не допускается короткое замыкание между электродами, так как от этого сильно возрастет температура ультраконденсатора, и он может выйти из строя.
Ионисторы хорошо работают в цепях пульсирующего и постоянного тока. Но при высокочастотном пульсирующем токе они сильно нагреваются ввиду их большого внутреннего сопротивления, что часто приводит к выходу из строя.

Плоский ионистор

В каких единицах измеряется емкость конденсатора?

Основная единица для измерения ёмкости – Фарад (Ф, старое название – Фарада).

Но это очень большая величина, поэтому на практике используются её производные — пикофарад (пФ, пикофарада), нанофарад (нФ, нанофарада), микрофарад (мкФ, микрофарада).

Один микрофарад = 1 000 нанофарад = 1 000 000 пикофарад.

В компьютерных блоках питания и в материнских платах используются электролитические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч микрофарад.

Там же применяется малогабаритные керамические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч пикофарад.

Керамические конденсаторы используются чаще всего в виде SMD компонентов.

Основное применение конденсаторов

Слово «конденсатор» можно услышать от работников различных промышленных предприятий и проектных институтов. Разобравшись с принципом работы, характеристиками и физическими процессами, выясним, зачем нужны конденсаторы, например, в системах энергоснабжения? В этих системах батареи широко применяют при строительстве и реконструкции на промышленных предприятиях для компенсации реактивной мощности КРМ (разгрузки сети от нежелательных ее перетоков), что позволяет уменьшить расходы на электроэнергию, сэкономить на кабельной продукции и доставить потребителю электроэнергию лучшего качества. Оптимальный выбор мощности, способа и места подключения источников реактивной мощности (Q) в сетях электроэнергетических систем (ЭЭС) оказывает существенное влияние на экономические и технические показатели эффективности работы ЭЭС. Существуют два типа КРМ: поперечная и продольная. При поперечной компенсации батареи конденсаторов подключаются на шины подстанции параллельно нагрузке и называются шунтовыми (ШБК). При продольной компенсации батареи включают в рассечку ЛЭП и называют УПК (устройства продольной компенсации). Батареи состоят из отдельных приборов, которые могут соединяться различными способами: конденсаторы последовательного подключения или параллельного. При увеличении количества последовательно включенных устройств увеличивается напряжение. УПК также используются для выравнивания нагрузок по фазам, повышения производительности и эффективности дуговых и рудотермических печей (при включении УПК через специальные трансформаторы).

На схемах замещения линий электропередачи с напряжением свыше 110кВ емкостная проводимость на землю обозначается в виде конденсаторов. ЕП линии обусловлена электроемкостями между проводниками разных фаз и емкостью, образованной фазным проводом и землей. Поэтому для расчетов режимов работы сети, параметров ЛЭП, определения мест повреждения электрической сети используются свойства конденсатора.

Фильтровые и импульсные конденсаторы

Фильтровые устройства предназначены для работы в контурах фильтров высокой частоты специализированных тяговых подстанций как внутри помещения, так и снаружи. Они работают при одновременном наложении напряжения постоянного и переменного тока частотой от 100 до 1600 Гц, при этом значение напряжения переменного тока не должно превышать соответственно 1 кВ. Данный вид также применяется для работы в преобразователях постоянного тока, содержащих импульсные тиристоры.

Фильтровые конденсаторы используют для сглаживания скачков переменной составляющей в устройствах выпрямления высокого напряжения в сети, а также в схемах с удвоенным напряжением в среде диэлектрического трансформаторного масла и в контурах фильтров высокой частоты тяговых подстанций.

В электроустановках, используемых для высоковольтных импульсных подстанций, а также установках, используемых для магнитной штамповки, сейсмической разведки и дроблении пород, используют импульсные силовые конденсаторы. Их применяют в электрофизических установках для создания и исследования высокотемпературной плазмы, а также для сверхсильных импульсных токов. Для создания мощных источников света импульсного характера, а также для исследования при помощи лазерных установок применяют, именно, импульсные силовые конденсаторы.

Особенность работы данных устройств — это медленно текущий заряжающий момент, и, наоборот, разряд происходит быстро, импульсно. Кроме таких конденсаторов применяют еще генераторы импульсных напряжений сети.

Генератор импульсных напряжений сети применяют в основном для электрогидравлических установок, использующих электрический разряд в технологических целях, обусловленными специальными условиями производства или технологического процесса. Такие генераторы имеют исполнение на напряжение сети 380, 400, 415, 440 В. Номинальное напряжение выхода составляет 50 кВ, полная выходная мощность 18 кВт, коэффициент реактивной мощности 0,73.

Генераторы напряжения импульсного характера выполняют из двух блоков заряжающего и высоковольтного отделения. Заряжающий блок включает в себя понизительный трансформатор и шкаф с преобразователем, содержащим емкостно-индуктивную составляющую. Высоковольтное отделение представлено шкафом с силовыми конденсаторами, защитным устройством и разрядником, а также обязательно присутствует разделительное заземление.

Свойства конденсатора

Реактивное сопротивление

Конденсатор не может проводить постоянный ток, что видно из его конструкции. В такой цепи он может только заряжаться. Зато в цепях переменного тока он прекрасно работает, постоянно перезаряжаясь. Если не ограничения, исходящие из свойств диэлектрика (его можно пробить при превышении предела напряжения), этот элемент заряжался бы бесконечно (т. н. идеальный конденсатор, что-то вроде абсолютно черного тела и идеального газа) в цепи постоянного тока, а ток через него проходить не будет. Проще говоря, сопротивление конденсатора в цепи постоянного тока бесконечно.

При переменном токе ситуация иная: чем выше частота в цепи, тем меньше сопротивление элемента. Такое сопротивление называется реактивным, и оно обратно пропорционально частоте и емкости:

Z=1/2πfC

где f — частота в герцах.

Накопитель энергии

Энергия, запасенная заряженным конденсатором, может быть выражена формулой:

E=(CU^2)/2=(q^2)/2C

где U — напряжение между обкладками, а q — накопленный заряд.

Конденсатор в колебательном контуре

В замкнутом контуре, содержащем катушку и конденсатор, может быть сгенерирован переменный ток.

После зарядки конденсатора он начнет саморазряжаться, давая возрастающий по силе ток. Энергия разряженного конденсатора станет равной нулю, зато магнитная энергия катушки — максимальной. Изменение величины тока вызывает ЭДС самоиндукции катушки, и она по инерции пропустит ток в сторону второй обкладки, пока та полностью не зарядится. В идеальном случае такие колебания бесконечны, а в реальности они быстро затухают. Частота колебаний зависит от параметров как катушки, так и конденсатора:

где L — индуктивность катушки.

Паразитная индуктивность

Конденсатор может обладать собственной индуктивностью, что можно наблюдать при повышении частоты тока в цепи. В идеальном случае эта величина незначительна, и ей можно пренебречь, но в реальности, когда обкладки представляют собой свернутые пластинки, не считаться с этим параметром нельзя, особенно если речь идет о высоких частотах. В таких случаях конденсатор совмещает в себе две функции, и представляет собой своеобразный колебательный контур с собственной резонансной частотой.

Чтобы добиться корректной работы схемы, рекомендуется применять конденсаторы, у которых резонансная f больше собственной частоты в цепи.

Применение

Уникальные характеристики ионисторов находят применение в различных областях техники..

Суперконденсаторы используются в следующих вариантах техники:

Общественный транспорт. В электробусах вместо аккумуляторов устанавливаются ионисторы. Они заряжаются во время высадки и посадки пассажиров. Подобный транспорт способен объезжать пробки и обрывы контактных линий.
Электромобили. Одна из проблем такого транспорта является длительное время зарядки. Суперконденсатор позволяет производить зарядку на кратковременных остановках.
Бытовая электроника. Устройства применяются в фотовспышках и другом оборудовании. Они обеспечивают быструю подзарядку.
Неполярные конденсаторы применяются в ветровых турбинах и кислотных батареях.
Ионисторы используются в системах демпфирования энергетических нагрузок, а также в оборудовании запуска электродвигателей.
Суперконденсаторы необходимы в комплексах, в которых предусмотрены критические нагрузки. Для вышек мобильной связи, больничных учреждений и для портового оборудования.
Приборы применяются для источников резервного электроснабжения ПК, а также в микропроцессорах и мобильных телефонах.

Для улучшения работы автомагнитолы можно приобрести и поставить ионистор. Он позволяет сгладить колебания напряжения во время включения зажигания. В некоторых странах применяются автобусы без тяговых батарей, а все работы производятся ионисторами.

В ходе проведенных испытаний было выявлено, что подобные устройства превосходят свинцово-кислотные батареи в ветровых турбинах. Суперконденсаторы востребованы в системах бесперебойного питания, в которых необходимо обеспечить быструю передачу мощности.

В мире насчитывается примерно 66 крупнейших производителей ионисторов.

Маркировка конденсаторов

Каким бы ни был конденсатор, есть два обязательным параметра, которые должны быть отражены в маркировке — это его емкость и номинальное напряжение.

Помимо этого, на большинстве из них существует цифро-буквенное обозначение его характеристик. В соответствии с российскими стандартами конденсаторы маркируются четырьмя знаками.

Первая буква К означает «конденсатор», следующая цифра — вид диэлектрика, далее следует указатель назначения в виде буквы; последний значок может означать как тип конструкции, так и номер разработки, это уже зависит от завода-изготовителя. Третий пункт часто пропускается. Используется такая маркировка на достаточно крупных изделиях, где ее можно разместить. По ГОСТ расшифровка будет выглядеть так:

Первые буквы:

К — конденсатор постоянной емкости.
КТ — подстроечник.
КП — конденсатор переменной емкости.

Вторая группа — тип диэлектрика:

1, 61 — вакуум;
2, 60 — воздух;
3 — газ;
4 — твердый;
10, 15 — керамика;
20 — кварц;
21 — стекло;
22 — стеклокерамика;
23 — стеклоэмаль;
31, 32 — слюда;
40, 41, 42 — бумага;
50 — алюминиевый электролитический;
51 — танталовый;
52 — объемно-пористый;
53, 54 — оксидные;
71 — полистирол;
72 — фторопласт;
73 — ПЭТ;
75 — комбинированный;
76 — лак и пленка;
77 — поликарбонат.

На маленьких конденсаторах всего этого не разместить, поэтому там применяется сокращенная маркировка, которая с непривычки может даже потребовать калькулятора, а иногда — лупу. В этой маркировке зашифрованы емкость, номинал напряжения и отклонения от основного параметра. Остальные параметры наносить нет смысла: это, как правило, керамические конденсаторы.

Маркировка керамических конденсаторов

Иногда с ними все просто — емкость отмечена числом и единицами: pF — пикофарад, nF — нанофарад, μF — микрофарад, mF — миллифарад. То есть, надпись 100nF можно читать прямо. Номинал, соответственно, числом и буквой V. Но иногда не умещается и это, потому применяют сокращения. Так, часто емкость умещается в трех цифрах (103, 109 и т. д.), где последняя означает число нулей, а первые две — емкость в пикофарадах. Если в конце стоит цифра 9, значит, нулей нет, а между первыми двумя ставят запятую. При цифре 8 на конце запятую переносят еще на один знак назад.

Например, обозначение 109 расшифровывается как 1 пикофарад, а 100–10 пикофарад; 681–680 пикофарад, или 0,68 нанофарад, а 104- 100 тыс. пФ или 100нФ

Часто можно встретить первую букву единицы измерения в качестве запятой: p50–0,5 пФ, 1n5–1,5 нФ, 15μ – 15 мкФ, 15m – 15 мФ. Иногда вместо p пишется R.

После трех цифр может стоять буква, означающая разброс параметра емкости:

B — +/-0,1 пФ.
C — +/-0,25 пФ.
D- +/-0,5 пФ.
F — +/-1%.
G — +/-2%.
J — +/-5%.
K — +/-10%.
M — +/-20%.
Z — до 80% отклонение.

Если вы высчитываете характеристику цепи в единицах СИ, то для того, чтобы найти емкость в фарадах, необходимо помнить показатели степеней числа 10:

-3 — миллифарады;
-6 — микрофарады;
-9 — нанофарады;
-12 — пикофарады.

Таким образом, 01 пФ — это 0,1 *10^-12 Ф.

На устройствах SMD емкость в пикофарадах обозначает буква, а цифра после нее — степень 10, на которую надо умножить это значение.

буква	C	буква	C	буква	C	буква	C
A	1	J	2,2	S	4,7	a	2,5
B	1,1	K	2,4	T	5,1	b	3,5
C	1,2	L	2,7	U	5,6	d	4
D	1,3	M	3	V	6,2	e	4,5
E	1,5	N	3,3	W	6,8	f	5
F	1,6	P	3,6	X	7,5	m	6
G	1,8	Q	3,9	Y	8,2	n	7
Y	2	R	4,3	Z	9,1	t	8

Номинальное рабочее напряжение таким же образом может маркироваться буквой, если полностью его написать проблематично. В России принят следующий стандарт буквенного обозначения номинала:

буква	V	буква	V
I	1	K	63
R	1,6	L	80
M	2,5	N	100
A	3,2	P	125
C	4	Q	160
B	6,3	Z	200
D	10	W	250
E	16	X	315
F	20	T	350
G	25	Y	400
H	32	U	450
S	40	V	500
J	50

Несмотря на списки и таблицы, лучше все-таки изучить кодировку конкретного производителя — в разных странах они могут отличаться.

К некоторым конденсаторам прилагается более развернутое описание их характеристик.

Емкость конденсатора

Калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсаторов

При подключении асинхронного электродвигателя в однофазную сеть 220/230 В необходимо обеспечить сдвиг фаз на обмотках статора, чтобы сделать имитацию вращающегося магнитного поля (ВМП), которое заставляет вращаться вал ротора двигателя при подключению его в «родные» трехфазные сети переменного тока. Известная многим, кто знаком с электротехникой, способность конденсатора давать электрическому току «фору» на π/2=90° по сравнению с напряжением, оказывает хорошую услугу, так как это создает необходимый момент, заставляющий вращаться ротор в уже «не родных» сетях.

Лучшая бытовая химия на сайте https://himcentre.ru/

Калькулятор расчета рабочего и пускового конденсаторов

Но конденсатор для этих целей необходимо подбирать, причем нужно делать с высокой точностью. Именно поэтому читателям нашего портала предоставляется в абсолютное безвозмездное пользование калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсатора. После калькулятора будут даны необходимые разъяснения по всем его пунктам.

Калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсаторов

Для расчета использовались следующие зависимости:

Полученные из калькулятора данные можно использовать для подбора конденсаторов, но именно таких номиналов, как будет рассчитано, их вряд ли можно будет найти. Только в редких исключениях могут быть совпадения. Правила подбора такие:

Если есть «точное попадание» в номинал емкости, который существует у нужной серии конденсаторов, то можно выбирать именно такой.
Если нет «попадания», то выбирают емкость, стоящую ниже по ряду номиналов. Выше не рекомендуется, особенно для рабочих конденсаторов, так как это может привести к ненужному возрастанию рабочих токов и перегреву обмоток, которое может привести к межвитковому замыканию.
По напряжению конденсаторы выбираются номиналом не менее, чем в 1,5 раза больше, чем напряжение в сети, так как в момент пуска напряжение на выводах конденсаторов всегда повышенное. Для однофазного напряжения в 220 В рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 360 В, но опытные электрики всегда советуют использовать 400 или 450 В, так как запас, как известно, «карман не тянет».

Приведем таблицу с номиналами конденсаторов рабочих и пусковых. В качестве примера приведены конденсаторы серий CBB60 и CBB65. Это полипропиленовые пленочные конденсаторы, которые наиболее часто применяют в схемах подключения асинхронных двигателей. Серия CBB65 отличается от CBB60, тем, что они помещены в металлический корпус.

В качестве пусковых применяют электролитические неполярные конденсаторы CD60. Их не рекомендуются применять в качестве рабочих так как продолжительное время их работы делает их жизнь менее продолжительной.. В принципе, для пуска подходят и CBB60, и CBB65, но они имеют при равных емкостях более объемные габариты, чем CD60. В таблице приведем примеры только тех конденсаторов, которые рекомендованы к использованию в схемах подключения электродвигателей.

Для того, чтобы «набрать» нужную емкость, можно использовать два и более конденсатора, но при разном соединении результирующая емкость будет отличаться. При параллельном соединении она будет складываться, а при последовательном — емкость будет меньше любого из конденсаторов. Тем не менее такое соединение иногда используют для того, чтобы, соединив два конденсатора на меньшее рабочее напряжение, получить конденсатор, у которого рабочее напряжение будет суммой двух соединяемых. Например, соединив два конденсатора на 150 мкф и 250 В последовательно, получим результирующую емкость 75 мкф и рабочее напряжение 500 В.

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Для того чтобы рассчитать емкость двух последовательно соединенных конденсаторов, читателям предоставляется простой калькулятор, где надо просто выбрать два конденсатора из ряда существующих номиналов.

Калькулятор расчета результирующей емкости двух последовательно соединенных конденсаторов

Обычно эту операцию доверяют только электрикам, имеющим практический опыт. Однако, подключить двигатель можно и самому. Это доказывает статья нашего портала: «Как подключить трехфазный двигатель в сеть 220 В».

Виды

Классификация конденсаторов может происходить по различным критериям.

По постоянству ёмкости:

Постоянные.
Переменные. Их ёмкость может изменяться либо вручную оператором (пользователем) устройства, либо под воздействием напряжения (как в варикапах и варикондах).

По полярности прикладываемого напряжения:

Неполярные – могут работать в цепях переменного тока.
Полярные – при подключении напряжения неправильной полярности выходят из строя.

В зависимости от того, где используются эти компоненты, различают разные варианты по материалу:

Бумажные и металлобумажные – это привычные многим, распространённые в советское время конденсаторы в виде прямоугольных кирпичиков с маркировкой наподобие «МБГЧ». Внешний вид этого вида конденсаторов вы видите ниже. Они неполярные.
Керамические – ими часто фильтруют высокочастотные помехи, а относительная диэлектрическая проницаемость позволяет делать многослойные компоненты с ёмкостью сопоставимой электролитам (дорого), не чувствительны к полярности.
Плёночные – распространены в виде коричневых подушечек, недорогие, используются повсеместно. Характерны малым током утечки, небольшой ёмкостью, высоким рабочим напряжением и нечувствительностью к полярности приложенного напряжения.
С воздушным диэлектриком. Лучший пример такого элемента – подстроечный конденсатор резонансного контура из радиоприёмника, ёмкость таких элементов невелика, но удобно реализовать её изменение.
Электролитические – это элементы в виде бочонков, их устанавливают чаще всего в качестве фильтра сетевых пульсаций в БП. Конструкция и принцип действия позволяют получить большую ёмкость при небольших размерах, но со временем могут высыхать, терять ёмкость или вздуваться. Как выглядят в исправном состоянии эти изделия вы видите ниже. В качестве диэлектрика используют тонкий слой оксида металла. Если в БП используют конденсаторы с диэлектриком из AL₂O₃ – т.н. «алюминиевые электролиты», то для работы в высокочастотных цепях – используют танталовые (Ta₂0₅ — они также относятся к электролитам) конденсаторы, потому что у них меньший ток утечки, большая устойчивость к внешним воздействиям в отличие от предыдущих, алюминиевых.
Полимерные – способны выдерживать большие импульсные токи, работать при низких температурах

Как правильно выбрать мощность трансформатора

Перед тем как соединить потолочные светильники, следует уяснить один момент: для нормальной работы всех подключенных осветительных приборов необходимо использовать трансформатор, мощность которого на 20% превышает суммарную мощность светильников в электрической цепи. К примеру, требуется устройство для понижения мощности для 8 лампочек по 40 Ватт. Вначале определяется суммарная мощность: 8*40=320 Ватт. Следовательно, для такого напряжения следует приобрести драйвер мощностью около 400 Ватт.

При расчете напряжения важно учитывать, что для большого количества лампочек требуется преобразователь большей мощности. Однако стоимость и размеры понижающего устройства увеличиваются с повышением значения мощности

Для решения проблемы точечные светильники делят на несколько групп и подключают свой трансформатор к каждой из них. Но в этом случае преобразователи должны иметь меньшую мощность.

Напряжение на электроприборе

Одним из самых важных параметров рассматриваемого нами устройства является пробивное напряжение — разность значений потенциалов двух проводников конденсатора, приводящая к электрическому пробою слоя диэлектрика. Максимальное напряжение, при котором не происходит пробоя устройства, определяется формой проводников, свойствами диэлектрика и его толщиной. Условия работы, при которых напряжение на обкладках электроприбора близко к пробивному, недопустимы. Нормальное рабочее напряжение на конденсаторе меньше пробивного в несколько раз (в два-три раза)

Поэтому при выборе следует обратить внимание на номинальное напряжение и емкость. В большинстве случаев значение этих величин указывается на самом устройстве или в паспорте

Включение конденсатора в сеть на напряжение, превышающее номинальное, грозит его пробоем, а отклонение значения емкости от номинального может привести к выбросу в сеть высших гармоник и перегреву устройства.

Работа конденсатора в электрической цепи

Уже давно мы отошли от понимания электричества в терминах движения, действия зарядов и так далее. Теперь мы мыслим понятиями электрических цепей, где обычными вещами являются напряжения, токи, мощность. И к рассмотрению поведения зарядов прибегаем только, чтобы понять, как работает в цепи какое-нибудь устройство.

Например, конденсатор в простейшей цепи постоянного электрического тока является просто разрывом. Обкладки ведь не соприкасаются друг с другом. Поэтому, чтобы понять принцип действия конденсатора в цепи, придется все-таки вернуться к поведению зарядов.

Зарядка конденсатора

Соберем простую электрическую цепь, состоящую из аккумулятора, конденсатора, резистора и переключателя.

Конденсатор: принцип действия

ε_c – ЭДС аккумулятора, C – конденсатор, R – резистор, K – переключатель

Когда переключатель никуда не включен, тока в цепи нет. Если подключить его к контакту 1, то напряжение с аккумулятора попадет на конденсатор. Конденсатор начнет заряжаться настолько, насколько хватит его емкости. В цепи потечет ток заряда, который сначала будет довольно большим, а по мере зарядки конденсатора будет уменьшаться, пока совсем не сойдет на нуль.

Конденсатор при этом приобретет заряд такого же знака, как и сам аккумулятор. Разомкнув теперь переключатель К, получим разорванную цепь, но в ней стало два источник энергии: аккумулятор и конденсатор.

Конденсатор

Разрядка конденсатора

Если теперь перевести переключатель в положение 2, то заряд, накопленный на обкладках конденсатора, начнет разряжаться через сопротивление R.

Причем, сначала, при максимальном напряжении, и ток будет максимальным, величину которого можно вычислить, зная напряжение на конденсаторе, по закону Ома. Ток будет течь, то есть конденсатор будет разряжаться, а напряжение его падать. Соответственно и ток будет все меньше и меньше. И когда в конденсаторе заряда совсем не останется, ток прекратится.

Процессы внутри конденсатора

У ситуации, описанной в этих двух случаях, есть интересные особенности:

Электрическая батарея постоянного напряжения, работая в цепи с конденсатором, дает, тем не менее, переменный ток: при зарядке он изменяется от максимального значения до 0.
Конденсатор, имея некоторый заряд, при разряжении через резистор, даст тоже переменный ток, изменяющийся от максимального значения до 0.
В обоих случаях после непродолжительного действия ток прекращается. Конденсатор в обоих случаях после этого демонстрирует разрыв в цепи — ток больше не течет.

Описанные процессы называются переходными. Они имеют место в электрических цепях с постоянным напряжением питания, когда в них установлены реактивные элементы. После прохождения переходных процессов реактивные элементы перестают влиять на режимы токов и напряжений в электрической цепи. Время, в течение которого переходный процесс завершается, зависит как от емкости конденсатора C, так и от активного сопротивления нагрузки R. Очевидно, что чем они больше, тем больше нужен и интервал времени, пока переходный процесс не завершится.

Параметр, характеризующий время переходного процесса, называется «постоянной времени» для данной схемы, обозначается греческой буквой «тау»:

Формула

Произведение сопротивления в омах на емкость в фарадах, если рассмотреть внимательно эти единицы измерения, действительно дает величину в секундах.

Однако переходный процесс разрядки конденсатора — это процесс плавный. То есть, грубо говоря, он не заканчивается никогда.

Временная диаграмма разрядки конденсатора через резистор

U_c – напряжение на конденсаторе (вольт), U – первоначальное напряжение заряженного конденсатора, t – время (сек)

На рисунке видно, что конденсатор будет разряжаться «всегда», так как чем меньше на нем остается зарядов, тем меньший ток будет бежать по цепи, следовательно, тем медленнее будет идти процесс разрядки. Процесс экспоненциальный. По времени отложены значения в секундах величин, кратных постоянной времени. С некоторых значений можно считать процесс практически законченным, например, при 5t, когда напряжения на конденсаторе осталось порядка 0,7%.

Режим, когда переходный процесс завершен, называется стационарным, или режимом постоянного тока.