§ 15.  Электростатика(Конденсаторы)

Несмотря на довольно большой объём законов или, так скажем, "продуктов" электростатики наибольшее распространение получили лишь конденсаторы которые есть практически в любом электроприборе начиная от радиоприемника и микроволновки, и заканчивая огромными лазерами на промышленных предприятиях и турбинами на электростанциях. Вообще радиоаппаратура - это самая "известная" область применения конденсаторовда и чаще всего она-то и ассоциируется со словом конденсаторов, однако мало кто знает, что в электронно-лучевой трубке телевизора также очень много конденсаторов, и служат они для.... далее будут прдставлены в виде отдельных статей различные области применения конденсаторов

Историческая справка

Вообще название "конденсатор" было введено в конце XVIII века, когда существовало представление об "электрических жидкостях" и конденсатор рассматривался как прибор для сгущения, конденсирования этих жидкостей. Сейчас это устарелое название сохраняется еще во всех языках, кроме английского, где вместо старого термина condenser уже широко применяется термин capacitor. В отечественной технической литературе распространенным термином является сочетание "емкость конденсатора", когда говорят о величине емкости.

Первые сведения о конденсаторах относятся к середине XVIII века. Эти конденсаторы представляли собой стеклянные сосуды, наполненные водой, служившей первой обкладкой и присоединяемой к электростатическому генератору. Второй обкладкой служила ладонь экспериментатора, прикладываемая ко дну стеклянного сосуда Применение конденсатора позволяло резко усилить эффект от разряда маломощного электростатического генератора, являвшегося в то время единственным источником электроэнергии.

Приоритет в изобретении конденсатора сначала приписывали ван Мушенброку, профессору Лейденского университета (Голландия). Отсюда появилось название "Лейденская банка" для стеклянного конденсатора. Однако правильнее считать изобретателем конденсатора Эвальда Георга фон Клейста, прелата собора в г. Камине (Германия) [39]. Дата изобретения конденсатора - 11 октября 1745 г. Первые сведения о появлении конденсаторов в России относятся к 1752 г. Стеклянные банки, наполненные дробью и обклеенные снаружи металлической фольгой, применялись М. В. Ломоносовым и Г. Рихтером при исследовании атмосферного электричества.

Начало технического применения  конденсаторов относится к середине XIX века. В 1856 г. был выдан английский патент Исхаму Баггсу на использование разряда стеклянных конденсаторов для зажигания газовых ламп, а также для целей телеграфирования, что можно считать первым применением конденсаторов в технике связи. В 1877 г. П. Н. Яблочкову был выдан французский патент на "систему распределения и усиления атмосферным электричеством токов, получаемых от одного источника света с целью одновременного питания нескольких светильников". Эту дату можно считать началом  применения конденсаторов в силовой электротехнике.

До конца XIX века техническое использование конденсаторов имело ограниченный характер. Необходимость их широкого промышленного производства возникла только после изобретения радио в 1895 г. А. С. Поповым. В связи с быстрым развитием производства радиостанций, прежде всего для военно-морского флота, уже в первые годы XX века за рубежом возникает ряд фирм, специализирующихся на изготовлении конденсаторов.

Кроме электроники и электроэнергетики, конденсаторы применяют и в других, неэлектротехнических областях техники и промышленности, в частности, в металлообработке - в высокочастотных установках для плавки и термической обработки металлов; в электроэрозионных (электроискровых) установках; для магнитоимпульсной обработки металлов; в добывающей промышленности (угольной, металлорудной и т.п.) - в рудничном транспорте на конденсаторных электровозах нормальной и повышенной частоты (бесконтактных); в электровзрывных устройствах; в устройствах с использованием электрогидравлического эффекта и т.д.

Использование конденсаторов для хранения энергии.  Двухслойные конденсаторы обладают многочисленными преимуществами в различных областях применения, где требуется хранение энергии, например, источников бесперебойного питания, дорожных знаков и маяков с солнечными батареями, электромобилей и так далее. Однако, для получения максимального эффекта от использования этих устройств, разработчики должны ясно понимать особенности их функционирования, а также нагрузочные характеристики. В данной статье подробно описываются возможности таких устройств.

    Слова "разрядка" и "зарядка" у основной массы людей ассоциируются с аккумуляторными батареями, со всеми вытекающими отсюда сложностями в обеспечении правильного режима эксплуатации и зарядки, непосредственно влияющими на срок их службы. Двухслойные конденсаторы  не требуют использования сложных зарядных устройств. Тем не менее, для получения максимальной эффективности, от разработчиков требуется глубокое понимание всех физических процессов, используемых в данной технологии, а также правильных схемотехнических решений.

                          В эквивалентную схему двухслойного конденсатора (несколько определённым образом включённых конденсаторов  ) входят не только собственно емкостные элементы, но и резисторы. Они определяются конечным сопротивлением изолирующего материала, ненулевым сопротивлением электролита и контактами активных частиц углерода (рис. 1).  Конденсатор C1 заряжается через сопротивление R+R, а конденсатор  C2 - уже через R+R+R. Таким образом для полной зарядки конденсатора C2 требуется несколько большее время по сравнению с конденсатором С1. Если какой-либо конденсатор не полностью заряжен или разряжен, это приводит к изменению вида зарядной характеристики и некоторой потере напряжения в результате выравнивания зарядов на нескольких конденсаторах. Этот эффект должен быть принят во внимание при попытках измерить ёмкость таких устройств.

 

Использование конденсаторов для понижения напряжения, подаваемого на нагрузку от осветительной сети, имеет давнюю историю. В 50-е годы радиолюбители широко применяли в бестрансформаторных источниках питания радиоприемников конденсаторы , которые включали последовательно в цепь нитей накала радиоламп. Это позволяло устранить гасящий резистор, являющийся источником нагрева всей конструкции. В последнее время заметен возврат интереса к источникам питания с гасящим конденсатором ; в недавних публикациях [1, 2] подробно рассмотрены варианты таких конструкций и их расчет. Присущий всем без исключения подобным устройствам недостаток - повышенная опасность из-за гальванической связи выхода с электрической сетью - ясно осознается, но допускается в расчете на грамотность и аккуратность пользователя. Однако эти сдерживающие факторы недостаточны, чтобы уберечь от беды, отчего бестрансформаторные устройства могут иметь лишь весьма ограниченное применение.

Автор попробовал подойти к вопросу с несколько иных позиций. Зададимся вопросом: станет ли радиолюбитель рисковать, строя источник по одной из упомянутых схем, если имеется возможность использовать готовый, тем более малогабаритный трансформатор? Вряд ли. На такое решение он пойдет, скорее всего, не имея такого изделия и пасуя перед самостоятельным изготовлением. Понять это нетрудно: ведь для намотки 5...6 тысяч витков сверхтонкого (0,05 мм) провода не обойтись без намоточного станка со счетчиком и соответствующих навыков.

Здесь может представлять интерес компромиссный вариант источника, обеспечивающий электробезопасность, с гасящим конденсатором и простым, доступным начинающему радиолюбителю трансформатором. Таким трансформатор получится, если напряжение на его первичной обмотке ограничить значением около 30 В. Для этого достаточно 600...650 витков сравнительно толстого, удобного при намотке провода; ради упрощения, можно для обеих обмоток использовать один и тот же провод. Излишек напряжения здесь примет на себя  конденсатор, включенный последовательно с первичной обмоткой ( конденсатор должен быть рассчитан на номинальное напряжение не менее 400 В). По такому принципу целесообразно организовывать питание низковольтных нагрузок с током в первичной цепи (с учетом небольшого коэффициента трансформации) до 0,5 А.

 

На рис. 1 представлена схема подобного устройства, подходящего для работы с гирляндой из светодиодов настольной миниелочки или для аудиоплейера. Включение светодиодов (8-10 штук) производится параллельно (рис. 2); при этом устраняется обычная путаница проводов, их легче сделать незаметными в "хвое" ствола и веточек. Трансформатор можно собрать на магнитопроводе Ш 12х15. Для намотки подойдет провод ПЭВ-1 диаметром 0,16 мм; число витков первичной и вторичной обмоток - 600 и 120...140 соответственно. Изготовить такой трансформатор удастся, как говорится, "на коленке". Электрическую прочность не менее 2 кВ обеспечит изоляционная прокладка между обмотками из лавсановой пленки толщиной 0,1 мм или конденсаторной бумаги.

 

 

Для того чтобы устройство не вышло из строя при отключении нагрузки [1], к выходу моста VD1-VD4 следует подключить стабилитрон Д815Г. В нормальном режиме он не работает, поскольку имеет минимальное напряжение стабилизации выше рабочего на выходе моста. Предохранитель FU1 защищает трансформатор и стабилизатор при пробое конденсатора  С1.

 

 

 

Автомобильные аудиосистемы.

Вообще применительно к автомобильным аудиосистемам принято считать, что использование конденсаторов оправдано только в мощных автомобильных аудиосистемах. В определенной мере необходимость их использования диктует также характер прослушиваемой музыки. Однако в последнее время это устройство все чаще можно встретить и в более скромных вариациях.

В большинстве случаев для соединения источника питания системы и наиболее мощного потребителя (усилителя), традиционно располагаемых в разных концах автомобиля, приходится прокладывать достаточно длинные сетевые кабели. Из физики же известно, что их сопротивление в зависимости от силы тока будет определять падение напряжения. Этот эффект будет особенно сильным в моменты интенсивных басовых импульсов, когда сила тока, текущего через кабель, соответственно возрастает. И вот здесь-то на помощь приходят конденсаторы, которые по возможности располагают как можно ближе к оконечному каскаду. Они в течение промежутка времени "энергоголодания" отдают накопленный в них заряд и таким образом поддерживают стабильное напряжение. При этом наиболее важным техническим показателем является емкость конденсатора. От нее напрямую зависит, насколько долгим будет промежуток времени действия "энергодонора". На практике чаще всего можно встретить устройства емкостью в 1 млн. микрофарад, т.е. 1 Ф.

Несколько слов по поводу подключения электролитических конденсаторов. Подводимые кабели должны иметь сечение не менее 6 мм2 и иметь для фиксации тщательно припаянные, позолоченные клеммы-проушины. До сих пор выпускаются устройства, у которых отсутствует схема защиты. При их установке нужно особенно внимательно следить за соблюдением правильной полярности. Ведь в случае ошибки последствия могут быть весьма плачевными: внутри корпуса конденсатора начинает нарастать давление, так что не исключена даже опасность взрыва.

Во время первого подсоединения емкостей, как правило, необходимо промежуточное подключение дополнительного нагрузочного сопротивления от 10 до 20 Ом, чтобы начальная зарядка происходила постепенно. И только затем устройство напрямую подсоединяют к бортовой сети.

В режиме эксплуатации аудиосистемы конденсатор начинает функционировать либо автоматически в момент быстрого падения напряжения, либо получая сигнал с дистанционного управления. Здесь важно отметить два непреложных правила в работе электролитического конденсатора: автоматика срабатывает не при каком-то определенном низком значении напряжения (достигнутого, например, в течение постепенного его падения), а только при пиковых нагрузках; в нерабочей фазе реле в обоих вариантах управления полностью отключает конденсатор от цепи. В противном случае устройство в большей или меньшей степени будет несанкционированно разряжать батарею. Наличие сразу нескольких емкостей в цепи или же не совсем свежий аккумулятор, понятно, могут ускорить этот процесс.

Обычно однофарадные конденсаторы представляют собой цилиндр высотой 22 - 23 см и диаметром около 75 мм. Учитывая столь скромные размеры, возникает закономерный вопрос: как удается добиться таких высоких показателей емкости? Современное устройство состоит из закрученных в спираль анодной и катодной пластин, между которыми находится так называемый электролит. Слой диэлектрика, который выступает в роли изолятора между пластинами традиционных конденсаторов, здесь как таковой отсутствует. Его роль выполняет оксидная пленка, образующаяся на внешней поверхности пластин, изготовляемых из особо чистой, беспримесной алюминиевой фольги.

Электролит состоит из жидкой массы, обычно на базе гликоля, в которой в сильной концентрации растворены соли аммиака. Для пропитки этим составом в качестве материала-носителя, как правило, используют бумагу.

Намотка конденсатора, состоящая из трех вышеперечисленных компонентов, составляет в длину около 8 метров. Но сама по себе результирующая площадь еще не в состоянии обеспечить емкость в 1 Ф. Для увеличения емкости поверхность алюминиевых пластин подвергается специальной обработке. Под воздействием электрохимического процесса ей придается шероховатость, так что она представляет собой как бы модель горного ландшафта в уменьшенном масштабе.

               Контакт слоя электролита с пластинами обеспечивается через образовавшиеся в оксидной пленке поры, что гарантировало бы постоянный ионообмен по всей поверхности. Это достигается благодаря импульсу тока при строго определенном значении напряжения(около 22В).

Индуктивность емкости неминуемо была бы помехой для желаемого быстрого протекания тока. Поэтому алюминиевая намотка, помимо основного направления, состоит из большого числа отдельных мелких изгибов, при котором катодные и анодные пластины конденсатора всегда сохраняют свое расположение друг напротив друга.

Важной частью конструкции является соединение намотки с контактной группой. Для этого служат специальные ушки на пластинах  конденсатора, которые приклепываются, а у более дорогих моделей привариваются. Согласно девизу "Чем больше, тем лучше" хорошие  конденсаторы  имеют до 20 таких соединений, что в целом значительно уменьшает внутреннее сопротивление всего устройства. У таких моделей оно находится в пределах всего лишь 1,5 - 2 миллиом.

Вопрос о том, какое количество конденсаторов следует использовать, обычно остается на усмотрение мастера-установщика. Но существует некоторое эмпирическое правило, которое рекомендует исходить из расчета примерно 1 Ф на каждые 750 - 1000 ватт музыкальной мощности. Современные инсталляции порой перекрывают этот порог в несколько раз. Тогда возникает необходимость применения в схеме сразу нескольких конденсаторов. Для этой цели выпускаются специальные аксессуары: стойки, крепления, скобы. При помощи соединительных шин  конденсаторы можно подключать по 2 - 4 в ряд и даже скомбинировать устройства в пирамиду или ромб. Шины, как правило, изготавливают из позолоченной меди, что позволяет добиться минимального сопротивления соединения. Золотое покрытие также служит надежной защитой от коррозии и отлично гармонирует с эстетским оформлением корпусов конденсаторов

Особенности построения вентильных преобразователей переменного тока в постоянный на базе полностью управляемых приборов и устройств

В транзисторных схемах преобразователей  применение  конденсаторов может обеспечить плавный, принудительный перевод тока нагрузки во время коммутации из фазы с большим напряжением в фазу с меньшим напряжением сети. Это облегчает условия работы транзисторных ключей в схемах выпрямления. Стремление уменьшить ёмкость коммутирующих  конденсаторов в преобразователях влечёт за собой необходимость разработки эффективных устройств защиты от коммутационных перенапряжений. Такие устройства защиты от перенапряжений (УЗП) становятся обязательной частью не только тиристорных, но и мощных транзисторных схем, что обуславливает актуальность указанной проблемы.

Назначением УЗП является вывод из контура коммутации фазных токов избытка электромагнитной энергии, выделяющейся на индуктивных элементах в моменты запирания вентилей. Необходимо отметить, что до сих пор наибольшее применение находят УЗП, работающие по принципу рассеяния энергии, заимствованному из практики преобразователей с естественной коммутацией.

Однако в виду несоизмеримости энергии, выделяемой в условиях естественной и искусственной коммутаций, в последнем случае КПД преобразователя резко уменьшается. Существующие варианты УЗП основываются на использовании линейных ( конденсаторов или нелинейных (стабилитроны, динисторы, разрядники) ограничителей напряжений.

 

А также:

Конденсаторные асинхронные двигатели

Однофазные конденсаторные асинхронные двигатели широко применяются в системах автоматики, в бытовой технике (холодильники, вентиляторы и т.п.). Однофазный двигатель состоит из статора и короткозамкнутого ротора Конденсатор там используется в качестве фазосмещающего элемента и конденсатор является наилучшим ФЭ, так как обеспечивают однофазному двигателю хорошие пусковые свойства. Однако применени конденсаторов инода ограничивается их сравнительно большими габаритамия. Например, при мощности двигателя 200 Вт необходим конденсаьтор емкостью 30 мкФ при рабочем напряжении 300-500 В.

Системы зажигания в автомобилях

                Здесь конденсатор обеспечивает отключение катушки зажигания от источника тока при остановке двигателя автомобиля, тем самым предотвращая бесполезный нагрев катушки.

Лампы-вспышки и газоразрядные трубки.

Применяются в фотоаппаратах, лазерах, и некоторых других приборах. Принцип действия таков: Конденсатор определенной ёмкости заряжается предварительно от источника тока и в определенный момент разряжается, передав свой заряд в ту же газоразрядную трубку, в которой уже и происходит вспышка.

И Т.Д.

 

 

 

Список использованной литературы:

1.      А. Зильберман "Электричество и магнетизм" 1970г.

2.      Г. Мякишев "ФИЗИКА, Электродинамика" 1998г.

3.      Е. Новиков "Лазерные принтеры" 2000г.

4.      О. Троицкий  "Молнии - оружие богов"  1998г.

5.      А. Зайцев "Электротехника" 2000г.

6.      И.М. Бортник, И.П. Верещагин, Ю.Н. Вершинин и др.;

"Электрофизические основы техники в
Сайт создан в системе uCoz