Соединение конденсаторов и электроемкость батареи

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов ёмкость и сопротивление

Практически все электрические цепи включают в себя емкостные элементы. Соединение конденсаторов между собой выполняют по схемам. Их необходимо знать как при расчетах, так и при выполнении монтажа.

Последовательное соединение

Конденсатор, а в просторечии — «ёмкость», та деталь, без которой не обходится ни одна электрическая или электронная плата. Даже в современных гаджетах он присутствует, правда, уже в измененном виде.

Вспомним, что представляет собой этот радиотехнический элемент. Это накопитель электрических зарядов и энергии, 2 проводящие пластины, между которыми расположен диэлектрик. При прикладывании к пластинам источника постоянного тока через устройство кратковременно потечет ток, и оно зарядится до напряжения источника. Его емкость используют для решения технических задач.

Само это слово произошло задолго до того, как придумали устройство. Термин появился ещё тогда, когда люди считали, что электричество — это что-то типа жидкости, и ею можно наполнить какой-нибудь сосуд. Применительно к конденсатору — он неудачен, т.к. подразумевает, что прибор может вместить только конечное количество электричества. Хотя это и не так, но термин остался неизменным.

Чем больше пластины, и меньше расстояние между ними, тем больше ёмкость конденсатора. Если его обкладки соединить с каким-либо проводником, то через этот проводник произойдет быстрый разряд.

В координатных телефонных станциях с помощью этой особенности происходит обмен сигналами между приборами. Длина импульсов, необходимых для команд, таких как: «соединение линии», «ответ абонента», «отбой», регулируется величиной ёмкости установленных в цепь конденсаторов.

Единица измерения ёмкости — 1 Фарад. Т.к. это большая величина, то пользуются микрофарадами, пикофарадами и нанофарадами, (мкФ, пФ, нФ).

На практике, выполнив последовательное соединение, можно добиться увеличения прикладываемого напряжения. В этом случае поданное напряжение получают 2 внешние обкладки собранной системы, а обкладки, находящиеся внутри, заряжаются с помощью распределения зарядов. К таким приемам прибегают, когда под рукой не оказывается нужных элементов, зато есть детали других номиналов по напряжению.

К участку, имеющему 2 последовательно соединенных конденсатора, рассчитанных на напряжение 125 В, можно подключить питание 250 В.

Если для постоянного тока, конденсатор является препятствием за счет своего диэлектрического промежутка, то с переменным — все иначе. Для токов разных частот, подобно катушкам и резисторам, сопротивление конденсатора будет меняться. Токи высокой частоты он пропускает хорошо, а для их собратьев низкой частоты создает барьер.

У радиолюбителей есть способ — через емкость 220-500 пФ к радиоприемнику подключают вместо антенны сеть освещения напряжением 220 В. Ток с частотой 50 Гц он отфильтрует, а токи высокой частоты пропустит. Это сопротивление конденсаторов легко рассчитать по формуле для емкостного сопротивления:RC =1/6*f*C.

  • Rc — емкостное сопротивление, Ом;
  • f — частота тока, Гц;
  • C — емкость данного конденсатора, Ф;
  • 6 — округленное до целой части число 2π.

Но не только прикладываемое напряжение к цепи можно изменить, пользуясь подобной схемой включения. Так добиваются изменений емкостей при последовательных соединениях. Для легкости запоминания придумали подсказку, что общее значение емкости, полученное при выборе подобной схемы, получается всегда меньше меньшей из двух, включенных в цепочку.

Если так соединить 2 детали одинаковой ёмкости, то их общее значение будет вдвое меньше каждой из них. Расчеты последовательных соединений конденсатора можно выполнить по приведенной ниже формуле:

Пусть С1=110 пФ, а С2=220 пФ, тогда Собщ = 110×220/110+220 = 73 пФ.

Не стоит забывать про простоту и удобство монтажа, а также обеспечение качественной работы собранного устройства или оборудования. В последовательных соединениях у емкостей должен быть 1 производитель. А если детали всей цепочки будут одной партии выпуска, то проблем с эксплуатацией созданной цепи не будет.

Параллельное соединение

Накопители электрического заряда постоянной емкости, различают:

  • керамические;
  • бумажные;
  • слюдяные;
  • металлобумажные;
  • электролитические конденсаторы.

Их делят на 2 группы: низковольтные и высоковольтные. Применяют их в фильтрах выпрямителей, для связи между низкочастотными участками цепей, в блоках питания различных устройств и т.д.

Конденсаторы переменной ёмкости тоже существуют. Они нашли свое предназначение в настраиваемых колебательных контурах теле- и радиоприемников. Емкость регулируется за счет изменения положения пластин относительно друг друга.

Рассмотрим соединение конденсаторов, когда их выводы соединятся попарно. Подобное включение подходит для 2 или более элементов, рассчитанных на одно и то же напряжение. Номинальное напряжение, которое указано на корпусе детали, превышать нельзя. В противном случае произойдет пробой диэлектрика, и элемент выйдет из строя. Но в цепь, где присутствует напряжение меньше номинального, конденсатор включать можно.

Читайте также:  Новый кроссовер ниссан, Nissan kix

Параллельным включением конденсаторов можно добиться увеличения общей ёмкости. В некоторых устройствах необходимо обеспечить большое накопление электрического заряда. Существующих номиналов не хватает, приходится выполнять параллели и использовать то, что есть под рукой. Определить общую величину полученного соединения просто. Для этого нужно просто сложить величины всех используемых элементов.

Для вычисления емкостей конденсаторов формула имеет вид:

Собщ = С1+С2, где С1 и С2 — емкость соответствующих элементов.

Если С1=20 пФ, а С2=30 пФ, то Собщ = 50 пФ. Деталей в в параллели может быть n-ое количество.

Конденсаторы. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов

Конденса­торами называются устройства, обладающие способностью при малых раз­мерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать зна­чительные по величине заряды, т.е., обладать большой емкостью.

Если к заряженному проводнику при­ближать другие тела, то на них возникают индуцированные (на проводнике) или свя­занные (на диэлектрике) заряды, причем ближайшими к наводящему заряду Q бу­дут заряды противоположного знака. Эти заряды ослабляют поле, соз­даваемое зарядом Q, т. е. понижают по­тенциал проводника, что приводит к повышению его электро­емкости.

Конденсатор состоит из двух провод­ников (обкладок), разделенных диэлект­риком. На емкость конденсатора недолжны, оказывать влияния окружающие тела, поэ­тому проводникам придают такую форму, чтобы поле, создаваемое накапливаемыми зарядами, было сосредоточено в узком зазоре между обкладками конденсатора. Этому условию удовлетворяют: две плоские пластины; два коакси­альных цилиндра; две концентрические сферы. Поэтому в зависимости от формы обкладок конденсаторы делятся на плоские, цилиндрические и сферические.

Так как поле сосредоточено внутри конденсатора, то линии напряженности начинаются на одной обкладке и кончают­ся на другой, поэтому свободные заряды, возникающие на разных обкладках, явля­ются равными по модулю разноименными зарядами. Емкостью конденсатора называется физическая величина, равная отношению заряда, накопленного в кон­денсаторе, к разности потенциалов между его обкладками:

Если расстояние между пластинами конденсатора мало по сравнению с их линейными разме­рами, то краевыми эффектами можно пре­небречь и поле между обкладками считать однородным. При наличии диэлектрика между обкладками разность потенциалов между ними равна

где ε — диэлектрическая проницаемость.

Емкость плоского конденсатора:

Емкость цилиндрического конденсатора:

где l – длина конденсатора, r1, r2 – радиусы внутренней и внешней обкладок.

Емкость сферического конденсатора:

Конденсаторы характеризуются про­бивным напряжением — разностью потен­циалов между обкладками конденсатора, при которой происходит пробой — элек­трический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе. Пробивное напряжение зависит от формы обкладок, свойств ди­электрика и его толщины.

Для увеличения емкости и варьирова­ния ее возможных значений конденсаторы соединяют в батареи, при этом использу­ется их параллельное и последовательное соединение.

Параллельное соединение конденса­торов

Внимание!

Если вам нужна помощь с академической работой, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 экспертов готовы помочь вам прямо сейчас.

У параллельно соединен­ных конденсаторов разность потенциалов на обкладках конденсаторов одинакова и равна  А- В. Если емкости отдельных конденсаторов C1, C2, …., Сn, то их заряды равны

а заряд батареи конденсаторов

Если вы не уверены, что справитесь с работой самостоятельно, обратитесь к профессионалам. Сдадим работу раньше срока или вернем 100% денег

Полная емкость батареи равна сумме емкостей отдельных конденсаторов

Допустимое напряжение определяется допустимым напряжением меньшего конденсатора.

Последовательное соединение кон­денсаторов

У последовательно соединенных конденсаторов заряды всех обкладок равны по модулю, а разность потенциалов на зажимах батареи

где для любого из рассматриваемых кон­денсаторов

С другой стороны,

т. е. при последовательном соединении конденсаторов суммируются величины, об­ратные емкостям. Таким образом, при последовательном соединении конденсаторов результирующая емкость С всегда меньше наименьшей емкости, используемой в батарее.

Как соединить конденсаторы параллельным или последовательным соединением

Умельцы, собирая прибор, часто задумываются, как соединить конденсаторы параллельным или последовательным соединением. Далеко не любой номинал выпускается промышленностью, задача обеспечить конструкцию связкой ёмкостей встречается повсеместно. При параллельном включении номиналы складываются, а при последовательном используется более сложная формула. Вдобавок конденсаторы бывают подстроечными, подобные совершенно точно включаются в цепи, где требуется обеспечить нужные резонансные характеристики. И тоже требуется решить указанную выше задачу.

Читайте также:  Windows 10 не загружается - как восстановить загрузчик

Последовательные и параллельные соединения конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторов их ёмкости складываются. Несложно посчитать нужный номинал. Допустим, требуется 7 мкФ, но промышленность подобные конденсаторов не выпускает. Зато присутствуют на 6,8 мкФ и 200 нФ. Их сложением образуется связка в искомые 7 мкФ. Заводские номиналы специально выбраны так, чтобы создать любые значения.

Когда применяется последовательное соединение конденсаторов, результирующее значение номинала определяется как произведение ёмкостей, делённое на их сумму. К примеру, если поставить друг за другом две одинаковые ёмкости, суммарный конденсатор заработает номинал, равный половине исходных. Когда складываются различные конденсаторы, больший вклад вносит именно меньший. Бессмысленно последовательно соединять мощные ёмкости со слабыми. Конденсаторы, идущие друг за другом, по номиналу выбираются приблизительно равноценные.

Возникает вопрос – зачем использовать последовательное соединение. В физике часто рассматривается тема, но не говорится, зачем уменьшать ёмкость конденсаторов. Ведь цена конструкции от этого увеличивается, массу сложностей представляет расчёт режима. Причина в практической стороне. В обзорах уже писали, что рабочее напряжение конденсатора сильно зависит от типа диэлектрика и толщины его слоя. Повысить указанный параметр проблематично.

Тогда требуется составить последовательное соединение конденсаторов, при котором напряжение между ними разделится пропорционально номиналам ёмкостей: чем меньше фарад, тем больше приложится. Импеданс элементов находится по формуле R =j 1/W C, где W – круговая частота цепи (f х 2 П; 6,28 f). Литера j означает, что сопротивление ёмкости переменному току носит мнимый характер (хотя, в отличие от идеала, считается комплексным числом из-за потерь на обкладках и прочих явлений).

Рассмотрим, как проявится конденсатор в цепи постоянного тока. Ёмкости заполнятся зарядами, а напряжение поделится между элементами, обратно пропорционально ёмкостям составляющих цепь элементов. Представьте ситуацию, когда разница потенциалов в цепи явно превышает рабочую. Потребуется набрать последовательную цепь из конденсаторов с пониженным рабочим напряжением, пожертвовав величиной ёмкости.

Порой выгодным оказывается смешанное соединение конденсаторов. Допустим, часть номинала набрать параллельным включением, а остальные элементы предназначены для работы с более низким напряжением. Тогда пробуем набрать из последних последовательную ветку нужного размера в фарадах.

Ряды номиналов ёмкостей конденсаторов

Известны ряды стандартных номиналов конденсаторов: Е3, Е6, Е12, Е24. После войны 45-го года, когда страны сели за стол переговоров, выяснилось, что у собеседников присутствует два основных стандарта на ряду ёмкостей. Смысл заключался в возможности набрать любой номинал из составляющих путём параллельного соединения.

Оказалось, что это делается двумя способами:

  1. Взять ряды, где любое значение равняется корню десятой степени из возведённой в некоторую степень десятки. Такой ряд пропорционален единому значению: корню десятой степени из десятки.
  2. Второй ряд использовал аналогичные соотношения, но корень брался в двенадцатой степени. Поясним с точки зрения математики. Стандартно обращаемся к квадратному корню. Что соответствует степени 2. К примеру, корень из 9 равняется 3. Кубический корень – число, возводимое в третью степень, чтобы вышло подкоренное выражение. К примеру, кубический корень из 27 также равняется 3.

Теперь читатели понимают, что ряды стандартных номиналов конденсаторов сложны. Итак, выяснилось, что часть стран уже использует вторую методику, но теоретически большую выгоду несёт первая. В угоду неким условиям решили применять именно корень двенадцатой степени. Туда входит ряд конденсаторов Е12. Все его значения пропорциональны степеням десятки, над которыми произведена указанная математическая операция. На практике это выглядит, как 1, 1,2, 1,5, 1,8 и пр.

Прочие ряды кратны этому. Там корень берётся, соответственно, третьей, шестой, двадцать четвертой, сорок восьмой, девяносто шестой и даже сто девяносто второй степеней. В результате образуются стандартные ряды. Установлены собственные допуски номиналов конденсаторов. К примеру, для:

  • Е12 плюс минус 10%.
  • Е24 плюс минус 5%.
  • Для допусков жёстче 5% применяются ряды Е48 и выше.

Со снижением степени корня растёт расстояние между номиналами. Поэтому для перекрытия всего диапазона и допуски следует взять менее жёсткие. На практике, как говорили ранее в обзорах, номинал постепенно выходит за указанные рамки. Люди измеряют реальное значение тестером и продолжают пользоваться изделием на собственный страх и риск. Стоит заметить, что в рядах Е48 и Е96 исключены чётные члены (чётные степени числа десять под корнем), а в Е192 впервые появляются отрицательные значения (к примеру, 10 в степени минус один).

Читайте также:  Как сделать из простых деталей компрессор в гараж своими руками

Приведённая информация позволит читателям лучше понять смысл маркировки конденсаторов, чтобы правильно набрать нужные последовательные и параллельные цепочки. Вдобавок ясно, какие номиналы искать с тем либо иным допуском, либо таковых нет в природе. Со времени съезда 1948 года в Стокгольме в большинстве стран номиналы конденсаторов унифицированы. Поэтому американские ёмкости полностью годятся для российских условий. Лишь сетевое напряжение за океаном показывает иной номинал, предлагается проявлять осторожность.

Ряд рабочих напряжений также прописан в ГОСТ 28884, как и номиналы. Причём учтены интересы всех стран. Допустим, для сетевых фильтров в Российской Федерации подойдут конденсаторы на 250 В, для Соединённых Штатов Америки уместны изделия с номиналов на 127 В. Ряды постоянных напряжений изолированы. В блоках питания, к примеру, значение зависит от типа выпрямителя (однополупериодный, двухполупериродный и пр.). Нужно учитывать, что большинство конденсаторов в подобных цепях находится под удвоенной нагрузкой (к примеру, в блоке питания персонального компьютера напряжение на обкладках достигает 600 В).

Как физически соединить конденсаторы последовательными или параллельными цепочками

Часто при сборке прибор до тестирования не имеет чётких рамок. Приходится добавлять или убирать различные элементы. Чаще применяют скрутки. Наравне с пожароопасностью это создаёт угрозу поражения током. Вдобавок скрутки сложно выполнить для большого количества присоединяемых проводов. А паять не вариант.

Здесь порекомендуем использовать групповые клеммы (клеммник, шина) в особо проблемных узлах. Во-первых, купить шину (по типу заземления) в ближайшем хозяйственном магазине. Продаются вместе с изолирующим основанием, которое без труда крепится саморезами на деревянное основание. В результате получается надёжный мост, причём в любое гнездо возможно завести по несколько жил. Сложности предвидятся, если проводки тонкие (высокочастотная часть). Но связки конденсаторов как раз часто набирают для силовых цепей, не видим большой беды в использовании прямо предназначенных для таких случаев колодок. Цена 50 рублей за штуку.

Плюс: клеммы допустимо использовать при отладке регулярно. Но, допустим, размеры корпуса малы и не позволяют внутри разместить колодку. Как объединить множество параллельных проводов после тестирования? Методик на этот счёт не предусматривается. Либо выполняется разводка на печатной плате (допустимо специально протравить небольшой отрезок нужным образом), либо воспользуйтесь одиночными клеммами. Подобные обжимаются вокруг жилы, потом допустимо целыми связками объединять при помощи резьбовых соединений.

К примеру, закрепить на планке из дерева болт резьбой вверх, установить на прочное деревянное основание. Описанное допускается на период тестирования. В случае прямого соединения аппаратуры или электрики (допустим, в тесной распаечной коробке) возможно применить обычный болт. Читатели скажут, что параллельное соединение конденсаторов удобнее набрать, прокладывая разделительные шайбы между витками проводки, а не применением индивидуальных клемм. Ответим – попробуйте сделать, особенно с жилой высокого класса гибкости (состоящей из множества тончайших проволочек), разницу почувствуете немедленно. Особенно если часто придётся выполнять перекоммутацию.

Конденсатор в цепи переменного тока обычно стоит под низким напряжением, следовательно, все жилы тонкие, покажется, что клемму сложно обжать. Рекомендуем на этапе тестирования под общее кольцо заделывать ряд жил одновременно – те, что не изменятся. А прочие допустимо скруткой сделать. Помните, последовательное и параллельное соединения принципиально отличаются числом входящих и исходящих проводов. Отсюда способы коммутации различны.

Как проверить качество соединения конденсаторов в цепи

Идеальный случай, когда берём соответствующего типа вольтметр. Стоит в пределах тысячи рублей, учитывая, что получаем прибор для измерения сопротивлений, постоянного и переменного напряжения, токов. Гнездо под измерение конденсатором (см. фото) представляет собой две узкие щели, куда вставляются ножки. По наблюдениям авторов нет разницы, какой стороной вставлять электролитический конденсатор. Лучше руководствоваться инструкцией по эксплуатации.

Гнездо для измерения конденсатора

Рекомендуется до начала работ измерить номиналы, промаркировать их либо разложить по нарисованной на бумаге схеме, где уже проставлять цифры (кстати, так делается в китайской технике). Потом вычислить по формулам, какое значение получится и проверить тестером. Не получается? Значит, качество контактов плохое – меньше применяйте скруток.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector