RADIO HAMBER, č. 3, 1925. Jak vypočítat kapacitu kondenzátoru

Je známo, že existují zařízení, ve kterých lze elektřinu akumulovat nebo shromažďovat.

Taková zařízení se nazývají kondenzátory.

Vezměme si několik různých kondenzátorů a zapojíme je paralelně, například k baterii s napětím 80 voltů. Desky kondenzátoru okamžitě přijmou náboje z pólů baterie a budou nabíjeny na stejné napětí jako baterie.

Odpojováním kondenzátorů jeden po druhém, aniž bychom se dotýkali jejich kontaktů rukama, se jimi dotkneme svorek citlivého zařízení. V tomto případě si všimneme následujícího: v okamžiku připojení kondenzátoru k zařízení se zableskne jiskra doprovázená víceméně hlasitým praskáním a zařízení okamžitě vychýlí ručičku. 1 ). Protože tyto odchylky budou různé, docházíme k závěru, že náboje různých kondenzátorů přijatých ze stejné baterie budou odlišné, tj. některé kondenzátory přijmou větší množství elektřiny, jiné menší.

Elektrická kapacita, nebo, jak se říká častěji, kapacita Schopnost kondenzátoru přijímat větší nebo menší množství elektřiny se nazývá kondenzátor.

Pro měření kapacit je stanovena jednotka, tj. určitá kapacita, nazývaná farad.

Kondenzátor s kapacitou 1 farad je takový, který při nabití na napětí jeden volt produkuje při vybití proud, jehož průměrná hodnota bude rovna jednomu ampéru, s dobou průtoku proudu jedna sekunda.

Farad má velmi velkou kapacitu, a proto byl rozdělen na milion částí, nazývaných taková jednotka mikrofarad.

Ale pro radiotechnické účely je i mikrofarad často příliš velký. Proto se používá třetí jednotka, tzv. centimetr.

Jeden mikrofarad se rovná devíti set tisíc centimetrům..

Vydělením počtu centimetrů číslem 900.000 1.000.000 převedeme kapacitu vyjádřenou v centimetrech na mikrofarady. A vydělením počtu mikrofaradů číslem XNUMX XNUMX XNUMX vyjádříme stejnou kapacitu ve faradech.

Výpočet kapacity

Nejjednodušší kondenzátor se skládá ze dvou desek z libovolného kovu, oddělených od sebe vrstvou libovolného nevodiče nebo izolantu, neboli IEC, jak se jinak nazývá, dielektrikum.

Obr. 1. Paralelní zapojení kondenzátorů.

Mějme dva absolutně identické kondenzátory se stejnou kapacitou – C₁ a C₂Zapojíme je paralelně k baterii. Б (Obr. 1). Je zřejmé, že kapacita takto propojené skupiny bude dvakrát větší než kapacita jednoho kondenzátoru, protože dva kondenzátory po nabití přijmou dvě porce elektřiny.

Co se změnilo, když jsme připojili druhý kondenzátor? Dielektrikum zůstalo stejné, stejně jako jeho tloušťka.

Velikost desek, nebo jak se jim říká, ploten, se změnila zdvojnásobně. Kapacita systému se změnila o stejnou hodnotu. Pokud tedy vezmeme stejné dielektrikum jako první dva kondenzátory, ale zdvojnásobíme plochu jeho desek, dostaneme jeden kondenzátor, ale s dvakrát větší kapacitou.

Takže: kapacita kondenzátoru závisí na velikosti desek. Čím menší je plocha desek, tím menší je kapacita kondenzátoru. Čím větší je plocha desek, tím větší je kapacita kondenzátoru.

Obr. 2. Sériové zapojení kondenzátorů.

Nyní zapojíme dva identické kondenzátory důsledně, jak je znázorněno na obr. 2-a. Měření ukazuje, že kapacita takové skupiny se snížila na polovinu oproti kapacitě každého kondenzátoru zvlášť. Co se tedy změnilo?

Přiblížíme oba kondenzátory jejich vnitřními deskami k sobě. Ukáže se, že skupinová kapacita se tím nezmění. Vždy zůstane poloviční oproti kapacitě jednoho kondenzátoru. Totéž se stane, když budou vnitřní desky kondenzátorů vzájemně propojeny, jak je znázorněno na obr. 2-b. A konečně, totéž se stane, když vnitřní desky vytáhneme, jak je znázorněno na obr. 2-c. Nyní je nám jasné, co se změnilo: tloušťka dielektrika. Zdvojnásobila se, takže kapacita se zmenšila na polovinu.

Takže: Kapacita kondenzátoru klesá se zvyšující se tloušťkou dielektrika a naopak se zvyšuje se zmenšující se tloušťkou dielektrika., za předpokladu, že plocha desek zůstane stejná.

Nyní si vezměme kondenzátor, jehož dielektrikem je vzduch. Takový vzduchový kondenzátor má určitou kapacitu. Do mezery mezi jeho deskami vložíme dielektrikum z parafínového papíru o stejné tloušťce jako vrstva vzduchu. Měření prokáže, že kapacita parafínového kondenzátoru se zvýšila 2,2krát. Pokud se parafín nahradí sklem o stejné tloušťce, kapacita se zvýší 5-6krát oproti kapacitě vzduchového kondenzátoru.

V důsledku toho, Kapacita kondenzátoru závisí na chemických vlastnostech dielektrika.

Hodnota, která ukazuje, kolikrát se zvětší kapacita vzduchového kondenzátoru, když je vzduch nahrazen dielektrikem, se nazývá permitivita tohoto dielektrika.

Dielektrická konstanta bude označena písmenem К.

Stůl 1

Hodnoty dielektrické konstanty K

Všechny výše uvedené úvahy lze shrnout do vzorce, který usnadňuje výpočet kapacity různých kondenzátorů.

V tomto vzorci písmeno С kapacita je určena, jak je zvykem; К — dielektrická konstanta; S — plocha jedné desky vyjádřená v centimetrech čtverečních a d — tloušťka dielektrika vyjádřená v centimetrech (délka): π — číslo rovné 3,14.

Pro lepší pochopení uvádíme

příklady

Příklad 1. Skleněný kondenzátor. Tloušťka skla 3 mmJsou zde dva obaly, každý o velikosti 15 cm. délky a 10 cm šířka.

Podle tabulky č. 1 je dielektrická konstanta skla K = od 4 do 8; berme to jako průměr K = 6. Plocha ostění S = 15 × 10 = 150 sq cm.tloušťka skla d = 3 mm., které převedeme na centimetry a dostaneme: d = 0,3 cmPodle vzorce dostaneme:

Příklad 3. Skleněná Leydenská nádoba (Viz obr. 3). Vnitřní průměr D = 5 cm., výška obložení h = 10 cmtloušťka skla d = 2 mmProtože vnější výstelka je větší než vnitřní, uvedli jsme vnitřní rozměry plechovky, protože pokud jsou výstelky nestejné v ploše, musíme změřit tu menší.

Stále: K = 6; d = 0,2 cmSpodní plocha je určena vzorcem použitým pro výpočet průřezu vodičů (viz strana 17).

Plocha válcové části vyzdívky bude:

Plocha celého vnitřního obložení bude: 19,6 + 157 = 176,6 cm².

Příklad 3. Parafínový kondenzátor. Počet talířů 10. Velikost alobalových listů 3 × 9 cm.

Obr. 4. Jak se určuje plocha desky.

Pro určení tloušťky listu parafínového papíru rozstříhejte jeden list na kusy, sevřete je mezi dvě desky a změřte, kolik listů připadá na 1 mmPředpokládejme 13. Pak bude tloušťka dielektrika ¹/ 13 mm, což po převedení na centimetry dostaneme ¹/ 130 cm. K — pro parafín podle tabulky č. 1 bude = 2,2. Plocha jednoho listu cínové fólie by měla být brána jako ta jeho část, která je překryta dalším listem (viz obr. 4). Jeho délka bude tedy například 6 cmPlocha jednoho listu bude 3 × 6 = 18 čtverečních. cmPokud by byly 2 plachty, plocha podšívky by byla 18 čtverečních. cmPokud vezmeme 3 listy (viz obr. 4), pak druhý list spolu s prvním dá plochu 18 čtverečních. cm., ale také dává stejnou plochu jako třetí, proto bude plocha se 3 listy dvakrát větší atd. S deseti listy bude plocha 9krát větší. Proto S = 9 = 18 čtverečních. cm., kde:

Pro výpočet kapacity kondenzátoru sestávajícího z několika desek můžete také použít tento vzorec.

kde S₁ — plocha jedné desky a n je počet desek. V posledním příkladu S₁ = 18 čtverečních cm.; n = 10, tedy n – 1 = 10 – 1 = 9, pak podle tvaru (2) máme:

tj. stejný výsledek jako předtím.

Tři výše uvedené příklady vysvětlují všechny případy výpočtu kapacity různých typů kondenzátorů.

Víme, jak vypočítat kondenzátor. To je důležité při jeho stavbě, abychom měli představu o tom, jakou velikost pro danou kapacitu postavit.

Viděli jsme ale, že různé druhy skla mají dielektrickou konstantu 4 až 8. Totéž platí pro jiné elektrické součástky. Můžeme se tedy dopustit chyby kvůli hodnotě KKromě toho se ale můžeme dopustit chyby při určování tloušťky dielektrika nebo velikosti desek. Proto musíme náš výpočet ověřit měřením kapacity kondenzátoru, což nyní provedeme, abychom získali představu o tom, jak se kondenzátor chová v různých elektrických obvodech.

1 ) Aby byl experiment patrný, musí být kapacity dostatečně velké, např. mikrofarady, a zařízení musí být miliampérmetr. (zpět)

Dnes se dotkneme tématu zařízení pro ukládání náboje zvaných kondenzátory.

Kondenzátor — pasivní elektronická součástka sestávající ze dvou pólů, která akumuluje náboj.

Elektrická kapacita — je poměr elektrického náboje k rozdílu potenciálů mezi póly kondenzátoru (nebo jiné elektronické součástky). Jednotka měření: Farad a jeho deriváty (picofarad, nanofarad, mikrofarad). Kapacita je označena latinským písmenem C.

Již jsme diskutovali, že proud je rychlost pohybu náboje a napětí je rozdíl potenciálů. Vždy se nám hodí kreslit nějaké paralely, takže napětí je spojeno s rozdílem tlaku v kapalině nebo plynu a proud je spojen s objemovou rychlostí kapaliny nebo plynu. Kondenzátor si proto lze představit jako nádobu, která je naplněna kapalinou nebo plynem o tlaku, který je vyšší než v nádobě. Nádoba bude pokračovat v plnění, dokud se přívodní tlak nevyrovná tlaku v nádobě. Takto funguje kondenzátor: jak se plní nábojem, napětí se zvyšuje. Čím blíže je napětí v kondenzátoru napětí nabíjecího zdroje, tím pomalejší bude rychlost nabíjení. Je to podobné jako s plněním nádoby. Pokud naplníme nádobu a poté otevřeme její kohoutek, proud začne unikat, čímž se sníží množství náboje a sníží se napětí.

Pokud si představíte drát nebo rezistor jako trubku a kondenzátor jako nádobu, mnohé se stane intuitivní. No, je snazší pochopit reaktivní odpory, o kterých jsme mluvili dříve. Ale musíte pochopit, že nádoba je nádoba a kondenzátor je kondenzátor=)

Takže ve své nejjednodušší podobě jsou kondenzátorem dvě paralelní desky s dielektrikem mezi nimi. Nejjednodušším dielektrikem je vzduch. Samozřejmě, že dnes už vzduchové kondenzátory nenajdete, ale před pár lety jsem pro sestavení rádiového přijímače použil variabilní vzduchový kondenzátor=) Pravda, tento kondenzátor měl mnohem více desek než dvě a vypadal asi takto:

Otáčením kliky bylo možné měnit hodnotu elektrické kapacity.

Zde, a takto je obvykle reprezentován nejjednodušší kondenzátor:

V případě takového kondenzátoru se kapacita vypočítá takto:

Dnes existuje obrovské množství kondenzátorů. Nejoblíbenější jsou keramické, elektrolytické a tantalové. Rozdíl mezi posledními dvěma je v tom, že jsou polární a důrazně nedoporučuji je zařazovat do obvodu s obrácenou polaritou=)

Hlavní parametry kondenzátoru jsou:
— elektrická kapacita,
— maximální přípustné napětí na jeho deskách (důležitý parametr, při použití vyššího napětí můžete pozorovat mnoho vtipných, ale extrémně nebezpečných efektů:-), zejména na velkokapacitních kondenzátorech),
— Polarita (tj. polární nebo nepolární),
— přípustné odchylky od hodnoty jmenovité kapacity (obvykle v procentech),
— rozsah provozních teplot,
— Typ těla.

Polarita, tolerance a teplotní rozsah jsou přímo závislé na použitém dielektriku. Kondenzátory s velkou kapacitou jsou zpravidla elektrolytické, tj. elektrolyt jako dielektrikum. A elektrolytické kondenzátory jsou z hlediska fyziky svých procesů velmi podobné známým olověným bateriím a podobně mají polaritu, což vede k určitým omezením. Navíc mají tendenci vysychat. A jsou častou příčinou poruch domácí a průmyslové elektroniky, v důsledku čehož trpí i ostatní komponenty. Elektrolytické kondenzátory vypadají takto:

Tantalové kondenzátory měly kdysi nahradit elektrolytické, ale také mají řadu omezení a nikdy nedosáhly slušných kapacit. Kromě toho explodují neméně vesele=) Vypadají takto:

Spěchám vás potěšit, že vývoj elektroniky nestojí na místě a dnes je docela možné pořídit běžné keramické kondenzátory s kapacitou srovnatelnou s tantalem a některé dosahují kapacity 330 μF s povoleným napětím 4 V. A to vše v malém pouzdru na čip 1206!
Mimochodem, rozměry pouzder hlavního čipového kondenzátoru:

No, ne všechny kondenzátory jsou v čipech, takže existují také výstupní kondenzátory:

Důvodem tohoto průlomu je vynikající dielektrikum s kódovým označením X5R. 330 μF při 4V samozřejmě není mnoho. Ale pro vysoká napětí dosáhly kapacity také působivých hodnot – pro stejných 16V není problém najít 100 μF, pro 25V – 22 μF, pro 35-50V zatím ne více než 10 μF. V mnoha a mnoha elektronických aplikacích je však možné odstranit elektrolyty a tantaly.

Vraťme se k hlavním vlastnostem. Pokud se podíváme hlouběji, existuje mnohem více parametrů kondenzátorů:
— teplotní závislost parametrů,
— Vstupní odpor (ESR),
– vnitřní odpor,
— Doba mezi poruchami (velmi zajímavý parametr, který by mohl být předmětem celého článku),
– mnoho dalších.

Nevidím smysl zde popisovat všechny detaily, protože tyto parametry jsou důležité pro ty, kteří se elektronikou hluboce zabývají. Přesto jsem považoval za důležité je zmínit. Každý, kdo se chce podívat, se může pohrabat na webu.

Kromě výše zmíněných kondenzátorů je třeba říci něco málo o filmových kondenzátorech. Vypadají takto:

Jejich hlavním rozdílem od předchozích je jejich úžasná spolehlivost a schopnost pracovat v silových obvodech, zejména v obvodech vysokého napětí.

Snad pro dnešek postačí stručný přehled. O použití kondenzátorů si povíme v následujících článcích.

V předchozím článku jsem psal, ale zde vám připomenu, že kondenzátory na schématech jsou označeny takto:

To je zatím vše ;)
Pokračování =)
___________________________________________________________________________