Применение конденсаторов

Конденсаторы имеют множество применений в электронных и электрических системах. Они настолько распространены, что редко бывает, чтобы электротехническое изделие не включало хотя бы один для какой-либо цели. Конденсаторы пропускают только сигналы переменного тока, когда они заряжены, блокируя сигналы постоянного тока.Основными компонентами фильтров являются конденсаторы.Конденсаторы имеют возможность соединять один сегмент цепи с другим.Конденсаторы используются устройствами динамической оперативной памяти (DRAM) для представления двоичной информации в виде битов.

Хранение энергии

Конденсатор для хранения энергии для вспышки фотоаппарата в винтажном полароиде

Конденсатор может хранить электрическую энергию, когда он подключен к цепи зарядки, а когда он отключен от цепи зарядки, он может рассеивать накопленную энергию, поэтому его можно использовать в качестве временной батареи . Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания электропитания во время замены батарей. (Это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти.)

Обычные электростатические конденсаторы обеспечивают плотность энергии менее 360 джоулей на килограмм, тогда как конденсаторы, использующие развивающуюся технологию, могут обеспечивать более 2,52 на килоджоулей килограмм. ^[1]

В автомобильных аудиосистемах большие конденсаторы хранят энергию, которую усилитель может использовать по требованию.

Источник бесперебойного питания (ИБП) может быть оснащен необслуживаемыми конденсаторами для продления срока службы . ^[2]

Импульсная сила и оружие

Группы больших, специально сконструированных с низкой индуктивностью высоковольтных конденсаторов ( батареи конденсаторов ) используются для подачи огромных импульсов тока во многих приложениях, связанных с импульсным питанием . К ним относятся электромагнитная формовка , генераторы Маркса , импульсные лазеры (особенно TEA-лазеры ), сети формирования импульсов , исследования термоядерного синтеза и ускорители частиц .

Большие конденсаторные батареи (резервуары) используются в качестве источников энергии для взрывающихся проволочных детонаторов или ударных детонаторов в ядерном оружии и других специальных вооружениях. Ведутся экспериментальные работы по использованию батарей конденсаторов в качестве источников питания для электромагнитной брони и электромагнитных рельсотронов или койлганов .

Кондиционирование мощности

Резервуарные конденсаторы используются в источниках питания, где они сглаживают выходной сигнал полуволнового или полуволнового выпрямителя. Их также можно использовать в схемах накачки заряда в качестве элемента накопления энергии при генерации более высоких напряжений, чем входное напряжение.

Конденсаторы подключаются параллельно цепям питания постоянного тока большинства электронных устройств для сглаживания колебаний тока в сигнальных цепях или цепях управления. Аудиооборудование, например, использует несколько конденсаторов таким образом, чтобы шунтировать шум линии электропередачи до того, как он попадет в сигнальную схему. Конденсаторы действуют как локальный резерв для источника постоянного тока и шунтируют переменный ток от источника питания. Это используется в автомобильных аудиосистемах, когда конденсатор жесткости компенсирует индуктивность и сопротивление проводов свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора.

Коррекция коэффициента мощности

В распределении электроэнергии конденсаторы используются для коррекции коэффициента мощности. Такие конденсаторы часто представляют собой три конденсатора, соединенных в трехфазную электрическую нагрузку. Обычно номиналы этих конденсаторов выражаются не в фарадах, а в виде реактивной мощности в реактивных вольт-амперах (ВАр). Цель состоит в том, чтобы противодействовать индуктивной нагрузке от таких устройств, как асинхронные двигатели, электродвигатели и линии передачи, чтобы нагрузка выглядела преимущественно резистивной. Отдельные нагрузки двигателя или лампы могут иметь конденсаторы для коррекции коэффициента мощности, либо более крупные комплекты конденсаторов (обычно с устройствами автоматического переключения) могут быть установлены в центре нагрузки внутри здания или на крупной электрической подстанции. В системах передачи постоянного тока высокого напряжения конденсаторы коррекции коэффициента мощности могут иметь настроечные индукторы для подавления гармонических токов, которые в противном случае попали бы в систему питания переменного тока.

Подавление и связь

Конденсаторы, используемые для подавления нежелательных частот, иногда называют фильтрующими конденсаторами . Они широко распространены в электрическом и электронном оборудовании и охватывают ряд применений, таких как:

Устранение помех на постоянного тока (DC) шинах питания
Удаление радиочастотных помех (RFI) для сигнальных линий или линий электропередачи, входящих или выходящих из оборудования.
Конденсаторы, используемые после стабилизатора напряжения для дальнейшего сглаживания источников питания постоянного тока.
Конденсаторы, используемые в аудиофильтрах, промежуточной частоты (ПЧ) или радиочастотах (РЧ) фильтрах (например, фильтрах нижних частот, верхних частот, режекторных и т. д.).
Подавление дуги , например, через контактный выключатель или «точки» в двигателе с искровым зажиганием.

Соединение сигналов

Поскольку конденсаторы пропускают переменный ток, но блокируют сигналы постоянного тока (при зарядке до приложенного постоянного напряжения), их часто используют для разделения составляющих сигнала переменного и постоянного тока. Этот метод известен как связь по переменному току или «емкостная связь». большое значение емкости, значение которой не нужно точно контролировать, но реактивное сопротивление Здесь используется которого мало на частоте сигнала.

Развязка

— Развязывающий конденсатор это конденсатор, используемый для развязки одной части цепи от другой. Шум, создаваемый другими элементами схемы, шунтируется через конденсатор, уменьшая их влияние на остальную часть схемы. Чаще всего он используется между источником питания и землей.Для более высоких частот альтернативное название — развязной конденсатор , поскольку он используется для обхода источника питания или другого компонента цепи с высоким импедансом.

Фильтры верхних и нижних частот

Фильтр верхних частот (ФВЧ) — это электронный фильтр, пропускающий сигналы с частотой выше определенной частоты среза и ослабляющий сигналы с частотами ниже определенной частоты среза. Величина ослабления для каждой частоты зависит от конструкции фильтра. Фильтр верхних частот обычно моделируется как линейная нестационарная система. Его иногда называют фильтром верхних частот или фильтром низких частот.[1] Фильтры верхних частот имеют множество применений, например, для блокировки постоянного тока в схемах, чувствительных к ненулевым средним напряжениям, или в радиочастотных устройствах. Их также можно использовать вместе с фильтром нижних частот для создания полосового фильтра.

Фильтр нижних частот (ФНЧ) — это фильтр, который пропускает сигналы с частотой ниже выбранной частоты среза и ослабляет сигналы с частотами выше частоты среза. Точная частотная характеристика фильтра зависит от конструкции фильтра. фильтр иногда называют фильтром верхних частот или фильтром высоких В аудиоприложениях частот. Фильтр нижних частот является дополнением фильтра верхних частот.

Шумовые фильтры и демпферы

Прочный снабберный конденсатор с винтовыми клеммами.

Когда индуктивная цепь размыкается, ток через индуктивность быстро спадает, создавая большое напряжение в разомкнутой цепи переключателя или реле. Если индуктивность достаточно велика, энергия будет генерировать электрическую искру , вызывающую окисление, разрушение или иногда сварку точек контакта или разрушение полупроводникового переключателя. Демпфирующий конденсатор во вновь разомкнутой цепи создает путь для этого импульса в обход точек контакта, тем самым сохраняя их срок службы; они обычно встречаются в с контактными прерывателями системах зажигания например, . Аналогичным образом, в схемах меньшего размера искры может быть недостаточно, чтобы повредить переключатель, но она все равно будет излучать нежелательные радиочастотные помехи (RFI), которые фильтра поглощает конденсатор . Демпферные конденсаторы обычно используются с последовательно включенным резистором малого номинала для рассеивания энергии и минимизации радиочастотных помех. Такие комбинации резисторов и конденсаторов доступны в одном корпусе.

Конденсаторы применяются также параллельно прерывающим блокам высоковольтного выключателя для равномерного распределения напряжения между этими блоками. В этом случае их называют градировочными конденсаторами.

На принципиальных схемах конденсатор, используемый в основном для хранения заряда постоянного тока, часто изображается вертикально, а нижняя, более отрицательная пластина изображается в виде дуги. Прямая пластина указывает на положительную клемму устройства, если оно поляризовано (см. электролитический конденсатор ).

Подавление двигателя постоянного тока

Керамические дисковые конденсаторы обычно используются в снабберных цепях низковольтных двигателей из-за их низкой индуктивности и низкой стоимости.

Фильтрация импульсного источника питания

Электролиты с низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением) часто требуются для обработки высоких пульсаций тока .

Сетевая фильтрация

Конденсаторы сетевого фильтра обычно имеют герметизированную намотанную пластиковую пленку, поскольку они обеспечивают высокое номинальное напряжение при низкой стоимости и могут быть выполнены самовосстанавливающимися и плавкими. Конденсаторы сетевых фильтров часто представляют собой керамические конденсаторы подавления радиочастотных и электромагнитных помех . Дополнительные требования безопасности к сетевой фильтрации:

Линейно-нейтральные конденсаторы являются огнестойкими, и в Европе требуется использовать диэлектрики класса X.
Линия или нейтраль относительно земли: Должен быть огнестойким; кроме того, диэлектрик должен быть самовосстанавливающимся и плавким. В Европе это конденсаторы класса Y.

Фильтрация шины питания

Электролитические конденсаторы обычно используются из-за высокой емкости при низкой стоимости и небольших размерах. Параллельно с ними можно использовать неэлектролитики меньшего размера, чтобы компенсировать плохую производительность электролитов на высоких частотах.

В компьютерах используется большое количество фильтрующих конденсаторов, поэтому размер является важным фактором. Твердые и мокрые танталовые конденсаторы обеспечивают одни из лучших характеристик CV (емкости/напряжения) в одной из самых эффективных по объему доступных на сегодняшний день корпусов. Высокие токи и низкие напряжения также делают важным значение низкого эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Твердотельные танталовые конденсаторы предлагают версии с низким ESR, которые часто могут соответствовать требованиям ESR, но они не являются вариантом с самым низким ESR среди всех конденсаторов. Твердые танталы имеют дополнительную проблему, которую необходимо решить на этапе проектирования. Твердые танталовые конденсаторы должны иметь пониженное напряжение во всех приложениях. Рекомендуется снижение напряжения на 50 %, которое обычно принимается в качестве отраслевого стандарта; например, твердотельный танталовый конденсатор на 50 В никогда не должен подвергаться воздействию фактического напряжения выше 25 В. Твердые танталовые конденсаторы являются очень надежными компонентами, если соблюдать надлежащий уход и тщательно соблюдать все рекомендации по проектированию. К сожалению, механизм отказа твердотельного танталового конденсатора представляет собой короткое замыкание, которое приводит к сильному возгоранию и задымлению печатной платы, способному повредить другие компоненты, находящиеся в непосредственной близости, а также полностью разрушить конденсатор. К счастью, большинство отказов твердотельных танталовых конденсаторов происходят немедленно и очень очевидны. После применения твердотельный танталовый конденсатор со временем улучшится, а вероятность отказа из-за неправильного изготовления компонента уменьшится. Мокрые танталы представляют собой разновидность электролитического конденсатора, в котором используется танталовая таблетка в электролитическом материале, запечатанная в герметичную упаковку. Танталовый конденсатор этого типа не требует такого же снижения номинальных характеристик, как твердый танталовый, и механизм его отказа открыт. Кривая снижения напряжения на 10–20 % рекомендуется для влажных танталов при работе от 85°C до 125°C. Влажные танталы обычно не называют просто «электролитиками», поскольку обычно «электролитики» относятся к алюминиевым электролитам.

Пускатели двигателей

Типичный пусковой конденсатор двигателя, что видно по его черному цвету и может формировать

В однофазных двигателях с короткозамкнутым ротором первичная обмотка внутри корпуса двигателя не способна вызывать вращательное движение ротора, но способна поддерживать его. Для запуска двигателя вторичная обмотка используется последовательно с неполяризованным пусковым конденсатором, чтобы ввести задержку синусоидального тока через пусковую обмотку. Когда вторичная обмотка расположена под углом к первичной, создается вращающееся электрическое поле. Сила вращательного поля не постоянна, но достаточна для начала вращения ротора. Когда ротор приближается к рабочей скорости, центробежный переключатель (или токочувствительное реле, включенное последовательно с основной обмоткой) отключает конденсатор. Пусковой конденсатор обычно устанавливается сбоку корпуса двигателя. Они называются двигателями с конденсаторным пуском и имеют относительно высокий пусковой момент.

Существуют также конденсаторные асинхронные двигатели, в которых последовательно со второй обмоткой постоянно включен фазосдвигающий конденсатор. Двигатель очень похож на двухфазный асинхронный двигатель.

Пусковые конденсаторы двигателя обычно представляют собой неполяризованные электролитические типы, а рабочие конденсаторы представляют собой обычные диэлектрические типы из бумаги или пластиковой пленки.

Обработка сигналов

Энергия, запасенная в конденсаторе, может использоваться для представления информации либо в двоичной форме, как в DRAM , либо в аналоговой форме, как в аналоговых дискретных фильтрах и ПЗС-матрицах с зарядовой связью . Конденсаторы могут использоваться в аналоговых схемах в качестве компонентов интеграторов или более сложных фильтров, а также в отрицательной обратной связи стабилизации цепи . В схемах обработки сигналов также используются конденсаторы для интеграции токового сигнала.

Настроенные схемы

Конденсаторы и катушки индуктивности применяются вместе в настроенных цепях для отбора информации в определенных диапазонах частот. Например, радиоприемники используют переменные конденсаторы для настройки частоты станции. В динамиках используются пассивные аналоговые кроссоверы , а в аналоговых эквалайзерах используются конденсаторы для выбора различных звуковых диапазонов.

зондирование

Большинство конденсаторов спроектированы так, чтобы поддерживать фиксированную физическую структуру. Однако различные факторы могут изменить структуру конденсатора; результирующее изменение емкости можно использовать для определения этих факторов.

Изменение диэлектрика

Эффекты изменения характеристик диэлектрика также можно использовать для зондирования и измерения. Конденсаторы с открытым и пористым диэлектриком можно использовать для измерения влажности воздуха. Конденсаторы используются для точного измерения уровня топлива в самолетах ; поскольку топливо покрывает большую часть пары пластин, емкость цепи увеличивается.

Изменение расстояния между пластинами

Конденсатор с гибкой пластиной можно использовать для измерения деформации, давления или веса .

В промышленных датчиках давления, используемых для управления технологическими процессами, используются диафрагмы, чувствительные к давлению, которые образуют обкладку конденсатора колебательного контура. Конденсаторы используются в качестве датчика в конденсаторных микрофонах , где одна пластина перемещается под давлением воздуха относительно фиксированного положения другой пластины. В некоторых акселерометрах используются конденсаторы микроэлектромеханических систем (МЭМС), выгравированные на чипе, для измерения величины и направления вектора ускорения. Они используются для обнаружения изменений ускорения, например, в качестве датчиков наклона или для обнаружения свободного падения, в качестве датчиков, запускающих срабатывание подушек безопасности , и во многих других приложениях. В некоторых датчиках отпечатков пальцев используются конденсаторы.

Изменение эффективной площади пластин

Емкостные сенсорные переключатели теперь используются во многих потребительских электронных продуктах.

Осцилляторы

Конденсатор может обладать пружинящими свойствами в схеме генератора. В примере с изображением конденсатор влияет на напряжение смещения на базе npn-транзистора. Значения сопротивления резисторов делителя напряжения и значение емкости конденсатора вместе управляют частотой колебаний.

Опасности и безопасность

Конденсаторы могут сохранять заряд еще долгое время после отключения питания от цепи; этот заряд может вызвать опасные или даже потенциально смертельные удары током или повредить подключенное оборудование. Например, даже такое, казалось бы, безобидное устройство, как одноразовая фотовспышка с питанием от батарейки АА напряжением 1,5 В, содержит конденсатор, который можно зарядить до напряжения более 300 В. Это легко способно вызвать шок. Процедуры обслуживания электронных устройств обычно включают инструкции по разрядке больших или высоковольтных конденсаторов. Конденсаторы также могут иметь встроенные разрядные резисторы для рассеивания накопленной энергии до безопасного уровня в течение нескольких секунд после отключения питания. Высоковольтные конденсаторы хранятся с закороченными клеммами для защиты от потенциально опасных напряжений из-за диэлектрической абсорбции.

Некоторые старые, большие масляные конденсаторы содержат полихлорированные бифенилы (ПХБ). Известно, что отходы ПХБ могут попадать в грунтовые воды под свалками. Конденсаторы, содержащие ПХД, были помечены как содержащие «Аскарел» и несколько других торговых наименований. Конденсаторы, заполненные печатными платами, используются в очень старых (до 1975 года) балластах люминесцентных ламп и других устройствах.

Высоковольтные конденсаторы могут катастрофически выйти из строя при воздействии напряжений или токов, превышающих их номинальные значения, или при достижении нормального срока службы. Неисправности диэлектрических или металлических межсоединений могут привести к образованию электрической дуги, которая испаряет диэлектрическую жидкость, что приводит к вздутию корпуса, разрыву или даже взрыву. Конденсаторы, используемые в ВЧ-приложениях или приложениях с постоянными сильными токами, могут перегреваться, особенно в центре катушек конденсатора. Конденсаторы, используемые в батареях конденсаторов высокой энергии, могут сильно взорваться, когда короткое замыкание в одном конденсаторе приводит к внезапному сбросу энергии, накопленной в остальной части батареи, в неисправный блок. Вакуумные конденсаторы высокого напряжения могут генерировать мягкое рентгеновское излучение даже при нормальной работе. Надлежащая локализация, предохранители и профилактическое обслуживание могут помочь минимизировать эти опасности.

Высоковольтные конденсаторы могут получить выгоду от предварительной зарядки для ограничения пусковых токов при включении цепей постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Это продлит срок службы компонента и может снизить опасность высокого напряжения.

См. также

Удаление глюков

Ссылки

[1] Автомобильное решение следующего поколения? Ученые расширяют возможности использования электростатических конденсаторов. Архивировано 29 апреля 2009 г. в Wayback Machine.

[2] Industrial-europe.com ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[1]

[2]