Практически в любом электронном устройстве можно встретить конденсаторы.

Электрический конденсатор (англ. capacitor) – это устройство, которое может накапливать электрический заряд и хранить его некоторое время. В некоторой степени конденсатор подобен аккумулятору: его можно заряжать, а потом использовать накопленную в нем энергию для питания каких-либо устройств, но в течение небольшого периода времени.

Где используются конденсаторы?

Конденсаторы имеют множество применений, но мы, в основном, будем их использовать для таких целей:

• Создание временной задержки в цепи. Конденсаторы разной емкости заряжаются и разряжаются за разное время. В сочетании с другими компонентами это обстоятельство можно использовать для получения интересных результатов.
• Фильтрация пульсаций в электрических цепях. Конденсаторы часто ставят на входе и выходе преобразователей напряжения, на входе питания микросхем. В этом случае конденсаторы служат своего рода амортизаторами, которые могут сгладить неровности напряжения, подобно амортизаторам автомобиля, сглаживающим неровности дороги.

Как устроен конденсатор?

Конденсатор – пассивный электронный элемент, состоящий из двух проводников (обкладки), разделенных между собой слоем диэлектрика.

На практике же, все выпускаемые конденсаторы представляют собой многослойные рулоны лент обкладок в форме цилиндра или параллелепипеда, разделенных между собой слоями диэлектрика. Разница, в основном заключается только в том, какой материал используется в качестве диэлектрика. По типу диэлектрической среды и классифицируют конденсаторы, которые бывают жидкими, вакуумными, твердыми, воздушными.

Виды конденсаторов

Конденсаторы могут быть полярными и неполярными.

Конденсаторы на основе оксидов: электролитические алюминиевые и танталовые обычно являются полярными, а значит если перепутать их полярность – они выйдут из строя!

Неполярные же конденсаторы можно включать в цепь какой угодно стороной. К примеру, многослойные керамические конденсаторы – неполярные.

Важнейшей характеристикой конденсатора является его емкость, которая характеризует способность конденсатора накапливать заряд. Емкость электрического конденсатора измеряют в фарадах. В схемах емкость обозначают латинской буквой C. Как правило, емкость классических конденсаторов варьируется от нескольких пикофарад (pF) до нескольких тысяч микрофарад (µF).

Вторая важная характеристика конденсатора – номинальное напряжение. Это такое напряжение, при котором конденсатор будет работать весь срок службы без критичного изменения своих параметров. Нельзя, например, применять в 24-вольтовой цепи конденсатор на 6 вольт – он быстро выйдет из строя.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов

Конденсаторы подобно резисторам можно соединять в цепочки. Это бывает нужно, когда в схеме необходима какая-то конкретная емкость, а у вас нет такого конденсатора. При этом действуют такие правила:

• Если группа конденсаторов включена в цепь таким образом, что к точкам включения непосредственно присоединены пластины всех конденсаторов, то такое соединение называется параллельным соединением конденсаторов.

• Если же соединение конденсаторов производится в виде цепочки и к точкам включения в цепь непосредственно присоединены пластины только первого и последнего конденсаторов, то такое соединение конденсаторов называется последо­вательным.

Что происходит в конденсаторе?

При подключении к источнику постоянного тока, обкладки конденсатора заряжаются, одна приобретает положительный потенциал, а другая отрицательный. Между обкладками  электрические заряды создают электрическое поле.

Если подаваемое напряжение больше внутреннего накопленного, конденсатор будет заряжаться.

В момент времени, когда напряжения на обкладках и на источнике подаваемого тока становятся одинаковыми, движение электронов прекращается и зарядка конденсатора закончится.

Определенный промежуток времени конденсатор сохраняет заряды и выполняет функции автономного источника электроэнергии. В таком состоянии он может находиться достаточно долгое время.

Если внешнее напряжение меньше внутреннего, конденсатор начнет отдавать заряд.

При знакомстве с переключателями мы создавали несложное электронное устройство, имитирующее работу карманного фонарика: если кнопка нажата, то он светиться, иначе – не светится. Добавим в схему устройства конденсатор и посмотрим, как он повлияет на работу.

Для этого:

• Зайдите в свое рабочее пространство TinkerCad.
• Создайте новое электронное устройство.
• На рабочее поле добавьте резисторы (350 Ом и 100 Ом), светодиод, кнопку, источник питания, конденсатор (10000 µF)  и мультиметр. С помощью проводников создайте замкнутую электрическую цепь.

После запуска симуляции мы сможем увидеть следующее:

• при нажатии и удержании кнопки светодиод плавно начинает увеличивать яркость;
• если кнопку отпустить – светодиод плавно начинает уменьшать яркость.

Поэкспериментировав немного с изменением емкости конденсатора или номинала сопротивления резистора мы сможем увидеть, что время загорания и затухания светодиода каждый раз будет меняться. Но случайно ли это время? Оказывается – нет! Мы фактически построили, так называемую RC-цепь.

Участок цепи, на котором есть конденсатор и резистор называют RC-цепью.

Разберемся, что дает нам резистор в такой цепи – он ограничивает ток, протекающий через конденсатор. Чем меньше заряженных частиц за единицу времени прибывает в конденсатор, тем больше времени для заряда ему потребуется.

Конденсатор заряжается и разряжается по экспоненциальному закону:

И, зная емкость конденсатора и номинал сопротивления, можно найти время заряда/разряда конденсатора

Но из графика видно, что за время  конденсатор зарядится только на 63,2%. Полностью же конденсатор зарядится только за время примерно равное .

Таким образом, меняя емкость конденсатора и номинал сопротивления резистора мы можем управлять временем заряда конденсатора и этот факт используется в построении многих устройств.

Вернемся к схеме нашего устройства фонарика и рассчитаем сколько времени требуется для того, чтобы светодиод загорелся на полную яркость (конденсатор зарядился полностью).

В нашем случае R=350 Ом, С=10000 µF. Имеем:

Откуда следует, что время, необходимое для достижения светодиодом полной яркости равно 0.35с * 5 = 1.75 с.

Естественно на практике это значение будет отличаться от расчетного как за счет разброса параметров (у электролитических конденсаторов допуски на номинал обычно очень большие) RC-цепи, так и за счет параметров самих светодиодов. Представленная схема позволяет лишь хорошо понять принцип действия этого метода!

Задания:

Задание 8. Создайте виртуальное устройство, позволяющее контролировать время плавного загорания/затухания светодиода (с помощью потенциометра).

Предоставьте общий доступ к своему виртуальному устройству и отправьте ссылку на решение с помощью формы.