Последовательное и параллельное соединение конденсаторов
Конденсаторы, как и резисторы, относятся к наиболее многочисленным элементам радиотехнических устройств. О некоторых свойствах конденсатора — «накопителя» электрических зарядов я уже рассказывал. Тогда же говорил, что емкость конденсатора будет тем значительнее, чем больше площадь его обкладок и чем тоньше слой диэлектрика между ними.
Основной единицей электрической емкости является фарада (сокращенно Ф, названная так в честь английского физика М. Фарадея. Однако 1 Ф — это очень большая емкость. Земной шар, например, обладает емкостью меньше 1 Ф. В электро- и радиотехнике пользуются единицей емкости, равной миллионной доле фарады, которую называют микрофарадой (сокращенно мкФ). В одной фараде 1 000 000 мкФ, т. е. 1 мкФ = 0,000001 Ф. Но и эта единица емкости часто оказывается слишком большой. Поэтому существует еще более мелкая единица емкости, именуемая пикофарадой (сокращенно пФ), представляющая собой миллионную долю микрофарады, т. е. 0,000001 мкФ; 1 мкФ = 1000000 пФ. Все конденсаторы, будь то постоянные или переменные, характеризуются прежде всего их емкостями, выраженными соответственно в пикофарадах, микрофарадах.
На принципиальных схемах емкость конденсаторов от 1 до 9999 пФ указывают целыми числами, соответствующими их емкостям в этих единицах без обозначения пФ, а емкость конденсаторов от 0,01 мкФ (10000 пФ) и больше — в долях микрофарады или микрофарадах без обозначения мкФ. Если емкость конденсатора равна целому числу микрофарад, то в отличие от обозначения емкости в пикофарадах после последней значащей цифры ставят запятую и нуль. Примеры обозначения емкостей конденсаторов на схемах: С1 = 47 соответствует 47 пФ, С2 = 3300 соответствует 3300 пФ; С3 = 0,47 соответствует 0,047 мкФ (47000 пФ); С4 = 0,1 соответствует 0,1 мкФ; С5 = 20,0 соответствует 20 мкФ.
Конденсатор в простейшем виде представляет собой две пластинки, разделенные диэлектриком. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то ток в этой цепи прекратится. Да это и понятно: через изолятор, которым является диэлектрик конденсатора, постоянный ток течь не может. Включение конденсатора в цепь постоянного тока равнозначно разрыву ее (мы не принимаем во внимание момент включения, когда в цепи появляется кратковременный ток зарядки конденсатора). Иначе ведет себя конденсатор в цепи переменного тока. Вспомни: полярность напряжения на зажимах источника переменного тока периодически меняется. Значит, если включить конденсатор в цепь, питаемую от такого источника тока, его обкладки будут попеременно перезаряжаться с частотой этого тока. В результате в цепи будет протекать переменный ток.
Конденсатор подобно резистору и катушке оказывает переменному току сопротивление, но разное для токов различных частот. Он может хорошо пропускать токи высокой частоты и одновременно быть почти изолятором для токов низкой частоты. Радиолюбители, например, иногда вместо наружных антенн используют провода электроосветительной сети, подключая приемники к ним через конденсатор емкостью 220–510 пФ. Случайно ли выбрана такая емкость конденсатора? Нет, не случайно. Конденсатор такой емкости хорошо пропускает токи высокой частоты, необходимые для работы приемника, но оказывает большое сопротивление переменному току частотой 50 Гц, текущему в сети. В этом случае конденсатор становится своеобразным фильтром, пропускающим ток высокой частоты и задерживающим ток низкой частоты.
Емкостное сопротивление конденсатора переменному току
Емкостное сопротивление конденсатора переменному току зависит от его емкости и частоты тока: чем больше емкость конденсатора и частота тока, тем меньше его емкостное сопротивление. Это сопротивление конденсатора можно с достаточной точностью определить по такой упрощенной формуле
RC = 1/6fC
где RC — емкостное сопротивление конденсатора, Ом; f — частота тока, Гц; С — емкость данного конденсатора, Ф; цифра 6 — округленное до целых единиц значение 2π (точнее 6,28, так как π = 3,14).
где RC — емкостное сопротивление конденсатора, Ом; f — частота тока, Гц; С — емкость данного конденсатора, Ф; цифра 6 — округленное до целых единиц значение 2π (точнее 6,28, так как π = 3,14).
Пользуясь этой формулой, давай узнаем, как ведет себя конденсатор по отношению к переменным токам, если использовать провода электросети в качестве антенны. Допустим, что емкость этого конденсатора 500 пФ (500 пФ = 0,0000000005 Ф). Частота тока электросети 50 Гц. За среднюю несущую частоту радиостанции примем 1 МГц (1 000 000 Гц), что соответствует волне длиной 300 м. Какое сопротивление оказывает этот конденсатор радиочастоте?
Rc = = 1/(6·1000000·0,0000000005) ~=300 Ом.
А переменному току электросети?
Rc = 1/(6·50·0,0000000005) ~= 7 МОм.
И вот результат: конденсатор емкостью 500 пФ оказывает току высокой частоты в 20000 раз меньшее сопротивление, чем току низкой частоты. Убедительно? Конденсатор меньшей емкости оказывает переменному току сети еще большее сопротивление.
емкостное сопротивление конденсатора переменному току уменьшается с увеличением его емкости и частоты тока, и наоборот, увеличивается с уменьшением его емкости и частоты тока.
Как устроены конденсаторы постоянной емкости?
Все конденсаторы постоянной емкости имеют токопроводящие обкладки, а между ними — керамика, слюда, бумага или какой-либо другой твердый диэлектрик. По виду используемого диэлектрика конденсаторы называют соответственно керамическими, слюдяными, бумажными. Внешний вид некоторых керамических конденсаторов постоянной емкости показан на рис. 1
Рис. 1. Керамические конденсаторы постоянной емкости
У них диэлектриком служит специальная керамика, обкладками — тонкие слои посеребренного металла, нанесенные на поверхности кермики, а выводами латунные посеребренные проволочки или полоски, припаянные к обкладкам. Сверху корпусы конденсаторов покрыты эмалью.
Наиболее распространены керамические конденсаторы типов КДК (Конденсатор Дисковый Керамический) и КТК (Конденсатор Трубчатый Керамический): У конденсатора типа КТК одна обкладка нанесена на внутреннюю, а вторая на внешнюю поверхность тонкостенной керамической трубочки. Иногда трубчатые конденсаторы помещают в герметичные фарфоровые «футлярчики» с металлическими колпачками на концах. Это конденсаторы типа КГК.
Керамические конденсаторы обладают сравнительно небольшими емкостями — до нескольких тысяч пикофарад. Их ставят в те цепи, в которых течет ток высокой частоты (цепь антенны, колебательный контур), для связи между ними.
Чтобы получить конденсатор небольших размеров, но обладающий относительно большой емкостью, его делают не из двух, а из нескольких пластин, сложенных в стопку и отделенных друг от друга диэлектриком (рис. 2). В этом случае каждая пара расположенных рядом пластин образует конденсатор. Соединив эти пары пластин параллельно, получают конденсатор значительной емкости.
Рис. 2. Слюдяные конденсаторы
Так устроены все конденсаторы со слюдяным диэлектриком. Их пластинами — обкладками служат листочки из алюминиевой фольги или слои серебра, нанесенные непосредственно на слюду, а выводами отрезки посеребренной проволоки. Такие конденсаторы опрессованы пластмассой. Это конденсаторы КСО. В их наименовании имеется цифра, характеризующая форму и размеры конденсаторов, например: КСО-1, КСО-5. Чем больше цифра, тем больше и размеры конденсатора. Некоторые слюдяные конденсаторы выпускают в керамических влагонепроницаемых корпусах. Их называют конденсаторами типа СГМ. Емкость слюдяных конденсаторов бывает от 47 до 50000 пФ (0,05 мкФ). Как и керамические, они предназначены для высокочастотных цепей, а также для использования в качестве блокировочных и для связи между высокочастотными цепями.
В бумажных конденсаторах (рис. 3) диэлектриком служит пропитанная парафином тонкая бумага, а обкладками — фольга. Полоски бумаги вместе с обкладками свертывают в рулон и помещают в картонный или металлический корпус. Чем шире и длиннее обкладки, тем больше емкость конденсатора.
Рис. 3. Бумажные и металлобумажные конденсаторы постоянной емкости
Бумажные конденсаторы применяют главным образом в низкочастотных цепях, а также для блокировки источников питания. Разновидностей конденсаторов с бумажным диэлектриком много. И все имеют в своем обозначении букву Б (Бумажные). Конденсаторы типа БМ (Бумажные Малогабаритные) заключены в металлические трубочки, залитые с торцов специальной смолой.
Конденсаторы КБ имеют картонные цилиндрические корпуса. Конденсаторы типа КБГ-И помещают в фарфоровые корпуса с металлическими торцовыми колпачками, соединенными с обкладками, от которых отходят узкие выводные лепестки.
Конденсаторы емкостью до нескольких микрофарад выпускают в металлических корпусах. К ним относятся конденсаторы типов КБГ-МП, КБГ-МН, КБГТ. В одном корпусе их может быть два-три.
Диэлектриком конденсаторов типа МБМ (Металлобумажный Малогабаритный) служит лакированная конденсаторная бумага, а обкладками — слои металла толщиной меньше микрона, нанесенные на одну сторону бумаги. Характерная особенность конденсаторов этого типа — способность самовосстанавливаться после электрического пробоя диэлектрика.
Особую группу конденсаторов постоянной емкости составляют электролитические (рис. 4).
Рис. 4. Электролитические конденсаторы
По внутреннему устройству электролитический конденсатор несколько напоминает бумажный. В нем имеются две ленты из алюминиевой фольги. Поверхность одной из них покрыта тончайшим слоем окиси. Между алюминиевыми лентами проложена лента из пористой бумаги, пропитанной специальной густой жидкостью — электролитом. Эту четырехслойную полосу скатывают в рулон и помещают в алюминиевый цилиндрический стакан или патрончик.
Диэлектриком конденсатора служит слой окиси. Положительной обкладкой (анодом) является та лента, которая имеет слой окиси. Она соединяется с изолированным от корпуса лепестком. Вторая, отрицательная обкладка (катод) бумага, пропитанная электролитом через ленту, на которой нет слоя окиси, соединяется с металл веским корпусом. Таким образом, корпус является выводом отрицательной, а изолированный от него лепесток — выводом положительной обкладки электролитического конденсатора. Так, в частности, устроены конденсаторы типов КЭ, К50-3. Конденсаторы КЭ-2 отличаются от конденсаторов типов КЭ только пластмассовой втулкой с резьбой и гайкой для крепления на панели. Алюминиевые корпуса конденсаторов К50-3 имеют форму патрончика диаметром 4,5–6 и длиной 15 20 мм. Выводы — проволочные. Аналогично устроены и конденсаторы типа К50-6. Но у них выводы электродов (обкладок) изолированы от корпусов.
На принципиальных схемах электролитические конденсаторы изображают так же, как и другие конденсаторы постоянной емкости, — двумя «черточками, но возле положительной обкладки ставят знак «+».
Электролитические конденсаторы обладают большими емкостями — от долей до нескольких тысяч микрофарад. Они предназначены для работы в цепях с пульсирующими токами, например, в фильтрах выпрямителей переменного тока, для связи между низкочастотными цепями. При этом отрицательный электрод конденсатора соединяют с отрицательным полюсом цепи, а положительный — с ее положительным полюсом. При несоблюдении полярности включения электролитический конденсатор может выйти из строя.
Номинальные емкости электролитических конденсаторов пишут на их корпусах. Фактическая емкость может быть значительно больше номинальной.
Важнейшей характеристикой любого конденсатора, кроме емкости, является также его номинальное напряжение, т. е. то напряжение, при котором конденсатор может длительное время работать, не утрачивая свои свойства. Это напряжение зависит от свойств и толщины слоя диэлектрика конденсатора. Керамические, слюдяные, бумажные и металлобумажные конденсаторы различных типов рассчитаны на номинальные напряжения от 150 до 1000 В и более.
Электролитические конденсаторы выпускают на номинальные напряжения от нескольких вольт до 30–50 В и от 150 до 450–500 В. В связи с этим их подразделяют на две группы: низковольтные и высоковольтные. Конденсаторы первой группы используют в цепях со сравнительно небольшим напряжением, а конденсаторы второй группы — в цепях с относительно высоким напряжением.
Подбирая конденсаторы для своих конструкции, всегда обращай внимание на их номинальные напряжения. В цепи с меньшим напряжением, чем номинальное, конденсаторы включать можно, но в цепи с напряжением, превышающим номинальное, их включать нельзя. Если на обкладках конденсатора окажется напряжение, превышающее его номинальное напряжение, то диэлектрик пробьется. Пробитый конденсатор непригоден для работы.
Теперь о конденсаторах переменной емкости
Устройство простейшего конденсатора переменной емкости показано на рис. 5. Одна его обкладка — статор неподвижна. Вторая ротор — скреплена с осью. При вращении оси площадь перекрытия обкладок, а вместе с нею и емкость конденсатора изменяются.
Рис. 5. Простейший конденсатор переменной емкости
Конденсаторы переменной емкости, применяемые в настраиваемых колебательных контурах приемников, состоят из двух групп пластин (рис. 6, а), сделанных из листового алюминия или латуни. Пластины ротора соединены осью. Статорные пластины также соединены и изолированы от ротора. При вращении оси пластины статорной группы постепенно входят в воздушные зазоры между пластинами роторной группы, отчего емкость конденсатора плавно изменяется. Когда пластины ротора полностью выведены из зазоров между пластинами статора, емкость конденсатора наименьшая; ее называют начальной емкостью конденсатора. Когда роторные пластины полностью введены между пластинами статора, емкость конденсатора будет наибольшей, т. е. максимальной для данного конденсатора. Максимальная емкость конденсатора будет тем больше, чем больше в нем пластин и чем меньше расстояние между подвижными и неподвижными пластинами.
В конденсаторах, показанных на рис. 5 и 6, а, диэлектриком служит воздух. В малогабаритных же конденсаторах переменной емкости (рис. 6, б) диэлектриком может быть бумага, пластмассовые пленки, керамика. Такие конденсаторы называют конденсаторами переменной емкости с твердым диэлектриком. При меньших габаритах, чем конденсаторы с воздушным диэлектриком, они могут иметь значительные максимальные емкости. Именно такие конденсаторы и применяют для настройки колебательных контуров малогабаритных транзисторных приемников.
Рис. 6. Конденсаторы переменной емкости с воздушным (а) и твердым (б) диэлектриком
Наиболее распространены конденсаторы переменной емкости, имеющие начальную емкость в несколько пикофарад и наибольшую 240–490 пФ.
В приемниках с двумя настраивающимися колебательными контурами используют блоки конденсаторов переменной емкости (КПЕ). В блоке КПЕ, показанном на рис. 7, два конденсатора, роторы которых имеют общую ось. При вращении оси одновременно изменяются емкости обоих конденсаторов.
Рис. 7. Одна из конструкций блока конденсаторов переменной емкости
Одиночные конденсаторы и блоки конденсаторов переменной емкости с воздушным диэлектриком требуют к себе бережного отношения. Даже незначительное искривление или иное повреждение пластин приводит к замыканию между ними. Исправление же пластин конденсатора — дело сложное.
К числу конденсаторов с твердым диэлектриком относятся и подстроечные конденсаторы, являющиеся разновидностью конденсаторов переменной емкости. Чаще всего такие конденсаторы используют для подстройки контуров в резонанс, поэтому их называют подстроечными. Конструкции наиболее распространенных подстроечных конденсаторов показаны на рис. 8. Каждый из них состоит из сравнительно массивного керамического основания и тонкого керамического диска. На поверхность основания (под диском) и на диск нанесены в виде секторов металлические слои, являющиеся обкладками конденсатора. При вращении диска вокруг оси изменяется площадь перекрытия секторов-обкладок, изменяется емкость конденсатора.
Емкость подстроечных конденсаторов указывают на их корпусах в виде дробного числа, где числитель наименьшая, а знаменатель наибольшая емкость данного конденсатора. Если, например, на конденсаторе указано 6/30, то это значит, что наименьшая его емкость 6 пФ, а наибольшая 30 пФ. Подстроечные конденсаторы обычно имеют наименьшую емкость 2–5 пФ, а наибольшую до 100–150 пФ. Некоторые из них, например КПК-2, можно использовать в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки простых одноконтурных приемников.
Конденсаторы, как и резисторы, можно соединять параллельно или последовательно. К соединению конденсаторов прибегают чаще всего в тех случаях, когда под руками нет конденсатора нужного номинала, но имеются другие, из которых можно составить необходимую емкость. Если соединить конденсаторы параллельно (рис. 8, а), то их общая емкость будет равна сумме емкостей всех соединенных конденсаторов, т. е.
Собщ = С1 + С2 + С3 и т. д.
Так, например, если С1 = 33 пФ и С2 = 47 пФ, то общая емкость этих двух конденсаторов будет: Собщ = 33 + 47 = 80 пФ. При последовательном соединении конденсаторов (рис. 8, б) их общая емкость всегда меньше наименьшей емкости, включенной в цепочку. Она подсчитывается по формуле
Собщ = С1·С2/(С1 + С2)
Например, допустим, что С1 = 220 пФ, а С2 = 330 пФ; тогда Собщ = 220·330/(220 + 330) = 132 пФ. Когда соединяют последовательно два конденсатора одинаковой емкости, их общая емкость будет вдвое меньше емкости каждого из них.
Рис. 8. Параллельное (а) и последовательность (б) соединения конденсаторов
Смотрите также:
- Как работает резистор? Применение резисторов…
- Как работает диод? Применение полупроводниковых диодов…
- Закон ома…
- Как работает предохранитель?..