Конденсатор – элемент, способный накапливать электрическую энергию. Название происходит от латинского слова «condensare» — «сгущать», «уплотнять».
Первый конденсатор был создан в 1745 году Питером ванн Мушенбруком. В честь города Лейдена, в котором его создали, изобретение впоследствии назвали «Лейденской банкой».
Конденсатор состоит из металлических электродов – обкладок, между которыми находится диэлектрик. По сравнению с обкладками, диэлектрик имеет небольшую толщину. Это и определяет свойство конденсатора накапливать заряд: положительные и отрицательные заряды на его обкладках удерживают друг друга, взаимодействуя через тонкий непроводящий слой.
Емкость конденсатора зависит от:
- площади обкладок (S);
- расстояния между ними (d);
- диэлектрической проницаемости материала диэлектрика между обкладками (ԑ).
Связаны они между собой формулой (формула емкости конденсатора):
Для увеличения площади обкладок пластины некоторых конденсаторов изготавливают из полосок фольги, разделенных полоской диэлектрика и скрученных в рулон. Увеличить емкость также можно уменьшением толщины диэлектрика между обкладками и применением материалов с большей диэлектрической проницаемостью. Между обкладками конденсаторов располагают твердые, жидкие вещества и газы, в том числе и воздух.
Конденсаторы небольшой емкости получают на печатных платах, располагая две дорожки напротив друг друга.
Каким бы качественным не был диэлектрик в конденсаторе, он все равно имеет сопротивление. Его величина велика, но в заряженном состоянии конденсатора ток между обкладками все равно есть. Это приводит к явлению «саморазряда »: заряженный конденсатор со временем теряет свой заряд.
Принцип работы конденсатора: его заряд и разряд
Заряд конденсатора. В момент подключения к источнику постоянного тока через конденсатор начинает протекать ток заряда. Он убывает по мере зарядки конденсатора и в итоге падает до величины тока саморазряда, определяющегося проводимостью материала диэлектрика.
Напряжение на конденсаторе плавно нарастает от нуля до напряжения источника питания.
При заряде конденсатора ток и напряжение изменяются по экспоненциальному закону. Время заряда можно определить по формуле:
Если сопротивление в формулу подставить в Омах, в емкость – в Фарадах, то получим время в секундах, за которое напряжение на конденсаторе изменится в е ≈ 2,72 раз. Конденсатор большей емкости будет разряжаться дольше, и быстрее разрядится на меньшую величину сопротивления.
Разряд конденсатора. Если к заряженному конденсатору подключить сопротивление нагрузки, то ток через нее вначале будет максимальным, затем плавно упадет до нуля. Напряжение на его обкладках тоже будет изменяться по экспоненциальному закону.
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.
Слово конденсатор уже достаточно прочно вошло в язык всех аудиофилов. Действительно, сейчас мало кого встретишь без сего девайса. Попробуем разобраться, что же это такое, как оно работает, зачем он нужен, нужно ли его устанавливать и самое главное, как его устанавливать.
Обо всем по порядку, и сразу хочется заметить, что с технической точки зрения, не правильно называть героя нашей темы – конденсатор. Здесь все довольно просто: и формы, и параметры, и функциональность достаточно схожи, но название все таки приелось. Конденсатором в автозвуке, на самом деле является ионистор.
Немного теории. Как мы знаем (или вспомним) из школьного курса физики, конденсатор представляет собой две пластины (обкладки), между которыми размещен диэлектрик, чья толщина меньше размера пластин. Диэлектрик не позволяет пластинам обмениваться электронами, за то позволяет им их накапливать, в результате чего образуется ёмкость, именно то, что мы привыкли называть конденсатором, кондером, кондеем итд.
Ионистор же представляет собой нечто среднее между конденсатором и хим. источником тока. Диэлектриком (обкладкой) в нем служит двойной диэлектрический слой, иначе говоря ионистор способен накапливать гораздо больший заряд при тех же размерах, что и конденсатор.
Зачем он нужен? Если коротко, то функция кондера в автозвуке – разгрузить аккумулятор, генератор и сгладить частотную характеристику акустики в пике.
Простой пример: вы поставили в машину несколько мощных сабвуферов, аля Kicker SL7, мощные усилители и хорошую акустику. При любой попытке послушать музыку громче, вы будете наблюдать цветомузыку в салоне своего авто (это как минимум) в такт ритму, звук будет явно далек от ожидаемого, басы будут «рваными», а в худших случаях будете вынуждены постоянно менять аккумулятор или же кончите генератор. Все дело в том, что ни тот ни другой не способны мгновенно вырабатывать и отдавать энергию , однако это способен взять на себя наш герой, в силу своей большой емкости.
Итак, даже человеку не разбирающемуся в технической составляющей станут ясны все плюсы и минусы.
Если у вас достаточно сложная или мощная акустическая система - имеет смысл установка и на моноблок и на многоканальные усилители.
С установкой могут возникнуть несколько проблем: куда поставить, каким образом, как подключить. Здесь тоже все по порядку. Перед началом не поленитесь отключить АКБ. Располагать нужно строго рядом с усилителем, так, чтобы длинна силовых проводов была как можно меньше. Используя крепления, идущие в комплекте, как вариант, прикрутить к корпусу сабвуфера, подиума или акустической полки. Возможно, придется попотеть, но если этот пункт миновали, то дальше можно расслабиться. Прокладываем силовой провод ( +) от аккумулятора до места крепления конденсатора, клемму пока не накидываем. Проводом покороче соединяем отрицательный вывод емкости с корпусом автомобиля. С обоих выводов, парой коротких проводов подключаем усилитель Теперь самое интересное: в установочном комплекте, если вы бдительны, можно заметить небольшой резистор. Он нужен для зарядки конденсатора. Не стоит пытаться просто накинуть положительную клемму на него и ждать зарядки, скорее всего перегорит предохранитель. Прикручиваем резистор к клемме (+) провода и кладем на клемму (+) кондея. Через некоторое время загорится цифровое табло, значение на котором будет постепенно расти. Это показатель заряда. Как только значение окончательно установилось – зарядка закончена. Снимаем резистор и делаем оставшиеся, понятные, манипуляции с подключением. Все готово!
Вопросы и ответы.
В: у меня в комплекте нет резистора. Как зарядить?
О: в качестве резистора можно использовать обычную автомобильную лампу накаливания, желательно с патроном (для удобства подключения).
В: я слышал, что автомобильные конденсаторы, да и вообще конденсаторы взрываются, так ли это?
О: взорваться могут конденсаторы, при не соблюдении полярности. О взрыве в авто мне пока ничего не известно. Но в любом случае, строго рекомендую соблюдать полярность.
В: вольтметр показывает не правильное значение. Что делать?
О: снимите крышку (или же рядом может быть отверстие) вы увидите небольшой потенциометр, вращая который можно установить требуемое значение.
В: правда, что емкость должна рассчитываться по пропорции, на 1кВт приходится 1фД?
О: конденсатор – не батарейка. Установка даже на 10кВт полу-фарадного принесет свою пользу. Конкретной зависимости нет, да и трудно найти емкость меньше 1фД.
Интересные факты: при отрицательных температурах емкость конденсатора\ионистора способна увеличиваться, хотя и не значительно.
В продаже существуют такие емкости, которые способны обеспечить пуск двигателя.
Первый конденсатор был создан в 1745 г. голландским ученым Питером Мушенбруком , профессором Лейденского универси-тета. Проводя опыты по электризации тел, он опустил проводник от кондуктора элект-рической машины в стеклянный графин с водой. Случайно коснувшись пальцем этого проводника, ученый ощутил сильный элект-рический удар. Позже жидкость заменили металлическими проводниками изнутри и снаружи банки и назвали эту банку лейден-ской (рис. 4.68). В таком виде она про-существовала почти 200 лет.
Более сложные и совершенные конден-саторы нашли широкое применение в со-временных электротехнике и радиоэлектрон-ной технике. Они есть в фильтрах адаптеров, которые подают постоянное напряжение для питания электронных приборов, в радио-приемниках и радиопередатчиках как эле-менты колебательных контуров или состав-ные различных функциональных схем элект-ронной аппаратуры. В фотовспышках кон-денсаторы накапливают большой заряд, не-обходимый для работы импульсной лампы.
Мушенбрук Питер ван (1692 — 1761)— голландский физик. Родился в Лейде-не. Окончил Лейденский университет, был профессором Дуйсбургского, Утрехт-ского и с 1740 г. Лейденского универ-ситетов. Работы посвящены электри-честву, теплоте, оптике. В 1745 г. не-зависимо от Клейста изобрел первый конденсатор — лейденскую банку и провел с ней ряд опытов, в частности обратил внимание на физиологическое действие тока. Был автором первого си-стемного курса физики, а его двухтом-ное издание «Введение в натуральную философию» (1762 г.) было энциклопе-дией физических знаний того времени.
В электротехнике конденсаторы обеспе-чивают необходимый режим работы элект-родвигателей, автоматических и релейных приборов, линий электропередач и т.п. Материал с сайта
 |
| Рис. 4.70. Разные типы конденсаторов постоянной емкости |
Во многих широкодиапазонных радио-приемниках конденсаторы переменной ем-кости (рис. 4.69) позволяют плавно изме-нять собственную частоту колебательного контура при поиске передачи необходимой радиостанции. Широко распространены кон-денсаторы, емкость которых можно изме-нять электрическим способом. Их называют варикапами.
Конструктивно конденсаторы могут быть плоскими , трубчатыми , дисковыми . В ка-честве диэлектрика в них применяют парафи-нированную бумагу, слюду, воздух, пласт-массы, керамику и т. п. (рис.4.70). Благодаря искусственным изоляционным материалам в наше время созданы конденсаторы боль-шой емкости, приходящейся на единицу объема.
Первая половина XVIII века была временем быстрого накопления опытных фактов об электрических явлениях. Именно в это время, например, выяснилось, что существуют два рода электричества. Однако само явление электризации тел, природа электричества оставались совершенно загадочными.
Обычно считалось, что электричество - это особая жидкость, содержащаяся в каждом заряженном теле. А наблюдавшееся уменьшение заряда на телах естественно трактовалось как «испарение» этой электрической жидкости. Столь же естественной была идея попытаться предотвратить такое «испарение», поместив заряженное тело в... бутылку, выбрав в качестве заряженного тела воду.
Такой именно опыт поставил в 1745 году настоятель одного из соборов в Померании Юрген фон Клейст (по другим сведениям опыт был поставлен с целью получить заряженную воду, якобы полезную для здоровья). Он наполнил водой бутылку, закрыл ее пробкой, а через пробку ввел в воду металлический стержень (попросту гвоздь).
Присоединив внешний конец стержня к электрической машине, которая в те времена представляла собой вращающийся стеклянный шар, о который терлась рука экспериментатора, Клейст сообщил воде значительный электрический заряд. И тут случилось непредвиденное.
Взяв одной рукой бутылку, он имел неосторожность прикоснуться другой рукой к выступавшему из пробки концу гвоздя, и при этом ощутил в руках и плечах сильнейший удар, вызвавший онемение мышц. Потрясенный случившимся, он сообщил об этом в письме одному из своих друзей.
По случайному совпадению, почти такой же опыт и почти в то же время был поставлен в голландском городе Лейдене профессором университета Питером ван Мушенбруком. Только вместо толстостенной бутылки Мушенброк воспользовался тонкостенной стеклянной банкой. Зарядив воду и взяв банку в одну руку, он тоже прикоснулся другой рукой к металлическому стержню, служившему для подвода заряда к воде.
При этом Мушенбрук ощутил такой сильный удар в руки, плечи и грудь, что потерял сознание, и два дня приходил в себя. Сообщая об этом «приключении» в письме своему французскому корреспонденту, Мушенбрук добавляет, что не согласился бы повторить опыт, даже если бы ему было обещано французское королевство!
Сначала наблюдения Клейста и Мушенбрука были понятны, как проявления так называемого «живого электричества», поскольку в этих опытах такую важную роль играли руки человека. Но довольно скоро стало ясно, что рука, держащая банку, и заряженная жидкость в ней являются, как мы теперь говорим, обкладками конденсатора и что еще более эффективный прибор получится, если внешнюю и внутреннюю поверхности стенок банки покрыть слоем металла, например, оловянной фольги.
Так появился на свет первый электрический конденсатор, который французский физик Жан Нолле назвал Лейденской банкой - название, не забытое и в наши дни. Вероятно, отголоском тогдашних наивных представлений об электричестве и о «бутылочном» происхождении конденсатора осталось слово, обозначающее главную характеристику конденсатора - емкость.
Еще в древние времена люди заметили, что в условиях низких температур пища сохраняется намного дольше. Поэтому в течение достаточно длительного периода своей истории человечество было занято поисками способа поддержания низкой температуры в .
В древние времена истории, когда еще не было конденсаторов и другого холодильного оборудования, для охлаждения и заморозки продуктов использовали натуральный источник холода – лед. Однако такой способ требовал больших материальных затрат, а сам процесс добычи и транспортировки естественного льда был весьма трудоемким.
Поэтому параллельно с использованием естественного охлаждения при помощи льда неоднократно предпринимали попытки создания технического устройства для охлаждения и заморозки продуктов. Первые исследования и эксперименты в истории по созданию холодильных установок были направлены на получение льда искусственным путем. Такие установки работали на абсорбционном принципе, а снижение температуры достигалось путем растворения в воде нитрата аммония, смеси селитры со льдом и другие химические соединения. Однако такой способ все равно оставался достаточно затратным и позволял добиться снижения температуры на 10 – 15 0С.
Появление первых конденсаторов
Мощный толчок в своем развитии холодильные установки получили с изобретением паровых машин, которые функционировали за счет движущей силы пара. Именно в паровых машинах были применены первые конденсаторы, которые служили для преобразования отработанного пара в жидкость, что давало возможность ее повторного использования. Можно считать, что история создания конденсаторов началась именно с XVII века. .
Впервые идею об использовании конденсатора в качестве отдельного блока паровой машины высказал французский ученый Жан Хатефиле в 1678 году. И лишь спустя почти 90 лет, в 1765 году Джеймс Уатт создал паровую машину, на которой был установлен первый конденсатор.
В это же время другие ученые и изобретатели трудились над созданием холодильных агрегатов. Так, в 1748 году профессор медицины Уильям Каллен создал установку, которая охлаждала жидкости за счет испарения эфира. В своем изобретении Кален также использовал простейший конденсатор, который представлял собой отдельную емкость, куда поступал отработанный эфир. Эта установка доказала на практике возможность реализации циклического процесса испарения и конденсации эфира, что приводит к охлаждению воздуха или жидкости в заданном объеме.
Рывок в развитии конденсаторов
После эксперимента Калена многие инженеры создавали установки, работающие по этому принципу. Отличительной особенностью таких машин являлось наличие замкнутого контура, в котором циркулировал эфир, а также внедрение в конструкцию компрессора. В 1834 году Якоб Перкинс впервые запатентовал парокомпрессионный холодильный агрегат, работающий на эфире.
Однако официально история создания первых конденсаторов началась в 1842 году, когда Джон Эриксон сконструировал первый поверхностный конденсатор с водяным охлаждением, оборудованный компрессором. Это дало толчок к дальнейшему развитию холодильной техники. В том числе стало возможным создание больших холодильных установок для складских помещений, корабельных трюмов и т.д. Такие холодильные машины были созданы братьями Карре (1846 год) и Карлом фон Линде (1874 – 1876 годы).
Дальнейшая история развития конденсаторов была тесно связана с развитием холодильной техники. В период с 1895 года по 1923 год были изобретено и запатентовано большое количество различных конструкций конденсаторов, многие из которых используются до сих пор.
Современные модели
На сегодняшний день конденсаторы прошли длинный путь развития, и являются одной из основных частей любого холодильного оборудования. Также все чаще многие используются как самостоятельные холодильные установки, которые применяются для охлаждения воздуха в производственных и складских помещениях.
