Послідовне з'єднання конденсаторів як варіант підбору ємності

Послідовне з'єднання

У багатьох випадках для отримання потрібної електроємності конденсатори поєднують у групу, яка називається батареєю. Місткість батареї конденсаторів залежить від схеми з'єднання конденсаторів, що її складають. Розрізняють два види з'єднання: послідовне та паралельне. Можливий також змішаний тип з'єднання конденсаторів в батарею.

Він є найбільш допустимим та може бути представлений на невизначений термін. Інший набір параметрів пов'язаний із струмами через конденсатор. Наступний набір параметрів аналогічний до параметрів звичайних конденсаторів. З конденсаторами без вбудованих резисторних резистори він визначає постійну часу саморозряду, яка може досягати десяти годин. Він може мати значні значення за великих розмірів конденсатора.

Коли конденсатори працюють, вони втрачають електроенергію з двох причин. Тому деякі виробники пропонують різновиди одного й того самого конденсатора з різним діаметром контактів. Усередині потужних конденсаторів є з'єднувальні дроти, а часто і запобіжники та розрядні резистори. Струмовий потік конденсатора визначає вихід активної потужностізначення якої не завжди вказується в каталогах.

Рис. 2.13. Послідовне з'єднання конденсаторів

Послідовне з'єднання. При зарядці батареї (рис. 2.13) різниця потенціалів розподілиться між окремими конденсаторами і дорівнюватиме

Він не завжди вказується в каталогах, оскільки може бути розрахований. Небезпеку дотику до клем зарядженого конденсатора не слід забувати. Умови експлуатації потужних конденсаторів часто вимагають їхньої роботи при підвищеній температурі та вологості в навколишньому повітрі. В принципі, діапазон робочих температур відноситься до навколишнього повітря, але якщо є джерела тепла, близькі до конденсатора, можна прийняти максимальну температуру тіла його ТЗ. Тим часом середній рівень вологості протягом 1 року не повинен перевищувати 75%, а до 30 днів він може становити 95%.

Якщо першій обкладці батареї конденсаторів повідомляється заряд, то її другий обкладці з'явиться індукований заряд. Оскільки ця обкладка з'єднана з першою обкладкою другого конденсатора і оскільки діє закон збереження заряду, на останній з'явиться . У свою чергу це призведе до появи заряду на іншій обкладці другого конденсатора і т. д. В результаті всі послідовно з'єднані конденсатори будуть заряджені однаково, причому батареї ми повідомили тільки заряд .

Крім того, клас запобігає конденсації вологи. Металізація виконана з алюмінію та проводиться шляхом випаровування у вакуумі. Деякі їх є основними різновидами, залежно від типу смуги та її металізації. Найстаріший і все ще використовується тип - це паперові конденсатори. Їхня паперова стрічка металізується з одного боку, а при намотуванні вона чергується з неметалізованим папером. Отриманий у такий спосіб рулон розміщують у сталевому або алюмінієвому корпусі. Іншим найпоширенішим типом є конденсатори, у яких замість паперу використовується поліпропіленова фольга, що характеризується дуже малими діелектричними втратами.

Різниці потенціалів і т. д. можуть бути не рівні між собою, так як ємності окремих конденсаторів, взагалі кажучи, неоднакові. Тому різниця потенціалів на клемах всієї батареї знаходиться як сума напруги на кожному з конденсаторів:

Ізоляція між сусідніми металізованими стрічками є однією і тією ж, але без металізації. Загалом конденсатори такого типу мають велику ємність на одиницю ваги. У той же час просочення запобігає вологою та окисленню внутрішніх металевих деталей. Є кілька конденсаторів, що заповнюються інертним газом, який проникає навіть у провідники. Ці конденсатори мають герметичний аварійний вихлопний отвір для перегріву, щоб уникнути вибуху.

Корисною якістю всіх металізованих стрічкових конденсаторів та описаною імпрегнацією є їхня здатність до самовідновлення при електричному прориві. Як правило, кожен діелектрик має пори та містить небажані домішки. Коли напруга у ньому перевищує певне значення деяких із цих місць, матеріал руйнується, і електрична іскра виникає через отриману мініатюрну апертуру. Його висока температура розплавляє шар металу навколо отвору та ізоляція відновлюється.

З іншого боку,

Весь процес триває кілька метрів і практично «залишається непоміченим» для решти апарату. Подальше покращення процесу самовідновлення, особливо наприкінці терміну служби конденсатора, досягається шляхом сегментації. Металізований шар є острівом з дуже тонкою смугою.

Кожен самовідновлення супроводжується відокремленням невеликої кількості газу від руйнування матеріалу. При значній кількості самовідновлень, а також наприкінці терміну служби кількість газу може стати значною, а тиск усередині оболонки підвищується до значень, які створюють небезпеку вибуху. Тому в багатьох конденсаторах створюється захист від надлишкового тиску, який перериває контур конденсатора та зупиняє розряд газу, але конденсатор необхідно замінити.

де ємність усієї батареї. Отже, ємність батареї послідовно з'єднаних конденсаторів визначається виразом:

Наявність рідини або газу в одному конденсаторі створює великий ризик витоку з відповідним впливом на пристрій. Тому існують конденсатори, які замість просочення використовують наповнювач порошків, наприклад, суміш смол і поліуретану, без погіршення параметрів. Використовується сухий конденсатор.

Прагнення мініатюризації не йде, а промислове обладнання. Вони використовують кілька шарів полімеру, металізований сплавом цинку та алюмінію для покращення стабільності ємності з плином часу. Конденсатори потужних конденсаторів складаються в основному з алюмінію чи нержавіючої сталі з круглим або прямокутним поперечним перерізом. Відносно більш обмеженим є використання пластикових корпусів, які забезпечують найкращий захист від вогню, і, згідно зі стандартами, деякі країни є обов'язковими у певних застосуваннях.

Для батареї з двох конденсаторів, наприклад, звідси випливає вираз (рис. 2.14)

Також із пластмасовими корпусами знаходяться монтажні конденсатори на пластинах, в основному для фільтрів. Поєднання пожежної безпекита гарної теплопровідності, комбіновані алюмінієві та пластикові корпуси. Конденсатори для прямого підключеннядо сітки є однофазними, тобто. одне - і трифазне, причому останнє знаходиться у схемі "трикутник" або "зірка".

Вони є набір конденсаторів у загальному корпусі, призначений для збільшення потужності шляхом паралельного підключення конденсаторів і номінальної напруги. Ідею структури КБ наведено на рис. 5а кількість паралельно з'єднаних конденсаторів в одній групі і число груп більше зазначеного. Кожен із конденсаторів реалізується у тій схемі і повинен мати вбудований резисторний резистор, яке «конденсатори» називаються елементами. Це означає, що ви уникаєте всієї групи та збільшуєте тиск на інші групи.


Рис. 2.14. Послідовне з'єднання двох конденсаторів

Паралельне з'єднання

Ризик короткого замикання в іншому елементі збільшується, що може призвести до пошкодження конденсатора та КБ. Щоб уникнути цього, можна використовувати запобіжники, які можна підключати послідовно до кожного конденсатора з КБ або будь-якого конденсаторного елемента. Помилка ЦП в трифазної мережізазвичай пов'язані з винятком багатьох споживачів, що неприйнятно. Безліч схем для забезпечення цього засноване на одному принципі - виникнення дисбалансу струмів у трьох фазах коротким замиканнямнавіть у одному конденсаторі.

Два приклади наведено на фіг. Після від'єднання конденсаторів та конденсаторних батарей вони не повинні становити небезпеку для обслуговуючого персоналу. Це вимагає автоматичного розведення через паралельно підключений резистор. Потужність резистора визначається звичайним способом, та його підключення до конденсаторів має бути безпосереднім, без перемикачів чи запобіжників. Одним із потужних застосувань потужних конденсаторів є покращення коефіцієнта потужності.

Рис. 2.15. Паралельне з'єднання конденсаторів

При паралельному з'єднанніконденсаторів (рис. 2.15) різниця потенціалів батареї дорівнює різниці потенціалів кожного окремого конденсатора:

Заряджаючи таку батарею, ми повідомляємо їй заряд, частина якого потрапить на обкладки першого конденсатора, частина - на обкладки другого і т.д.

Неперевірені квадрати у ньому показують неможливість покращити коефіцієнт потужності. Такий конденсатор також використовується для подачі галогенних та металевих парових ламп. Частина лампових конденсаторів має захист від надлишкового тиску, а інші мають температурний захист, який є вбудованим запобіжником. Інша велика площа- конденсатори для електродвигунів, в основному для однофазних асинхронних двигунівта трифазних асинхронних електродвигунів. Коли трифазні двигунипрацюють у однофазної мережідля них потрібен конденсатор 70 мФ на кожен кВт їх активної потужності.

Для кожного конденсатора можна написати співвідношення

Залежно від безпеки цих конденсаторів існує три класи. На перший погляд специфічне, але насправді занадто масивне застосування – у зварювальних машинах. У схемах тиристорів, що перешкоджають керуючому електроду, може статися неприйнятно висока швидкістьзбільшення їх анодної напруги під час оклюзії.

Базові знання в електроніці, необхідні для реалізації електронних схем. Постійні та змінні резисториРезистори є елементами електронних схем, що найбільш часто використовуються. Вони служать насамперед визначення величини струму, що протікає через електричні дроти чи напруги у певних точках електронної схеми.

підставляючи яке (2.25), отримаємо:

Конденсатори Конденсатори є електронні компоненти, які мають здатність накопичувати електричний заряд, званий електричною ємністю. Разом з резисторами вони є найчастіше використовуваними елементами радіосхемах і пристроях. Місткість конденсаторів вимірюється у фараонах, а найчастіше в їх підрозділах, у багато разів менше – пікофрав, нанореакціях та мікрофарадах.

Окремі типи конденсаторів значно різняться на вигляд - залежно від технології виробництва, ємності та максимальної напруги, на яку можна заряджати конденсатор без можливості прориву ізоляції між електродами. Ця напруга вимірюється у вольтах. Як правило, чим більша ємність та напруга свердління, тим більший розмір конденсатора. Це твердження, однак, справедливе лише для певних типів конденсаторів, виготовлених за тією ж технологією. Виробляються такі основні типи конденсаторів.

З іншого боку,

де ємність усієї батареї. Порівнюючи (2.27) та (2.28) остаточно отримуємо

Кераміка, виготовлена ​​методами порошкової металургії – шляхом нанесення металевого порошку на обидві сторони. керамічної плиткиневеликого розміру. Ці конденсатори мають малу потужність, але задовільні електричні параметри. Феріти, які на вигляд схожі на кераміку, але мають значно більш високу продуктивність при однакових розмірах. Однак вони недостатньо точні і їх потужність залежить від температури навколишнього середовища, тому вони не можуть використовуватися в ланцюгах, продуктивність яких сильно залежить від ємності конденсатора.

тобто при паралельному з'єднанні конденсаторів ємність батареї дорівнює сумі ємностей окремих конденсаторів. Для батареї з двох конденсаторів, наприклад, звідси випливає (рис. 2.16)

Монолітний – у вигляді невеликого паралелепіпеда. Вони мають незначну потужність та хороші електричні параметри, проте вони відносно дорогі. Злиття - паралельно кераміці, але виробляється у значно ширшому діапазоні потужності. Стрічка, структура якої складається з двох смуг алюмінієвої фольги, розділених ізолюючим шаром, щільно обгорнутих та закритих у циліндричному корпусі. Залежно від матеріалу ізоляційного шару ці конденсатори можуть бути паперовими, стирофлексними, поліефірними.

Завдяки цьому вони мають у кілька разів менші розміри при однаковій потужності та напругах свердління. Залежно від їхніх потреб, їх штифти можуть бути виконані в осьовому або паралельному бічному напрямку. Електролітичне, характеризується відносно великими ємностями при невеликих розмірах. Електролітичні конденсаториявляють собою стрічкові конденсатори, ізоляційний шар яких створюється в результаті електролітичних хімічних процесів. При роботі схеми обов'язково дотримуйтесь полярності, вказаної на корпусі конденсатора. термінал повинен завжди мати більш високу напругу, ніж клема.

Рис. 2.16. Паралельне з'єднання двох конденсаторів

Завдання.У сферичний конденсатор з радіусами см внутрішньої сфери і см зовнішньої сфери помістили суцільну сферичну оболонку, що проводить, з внутрішнім см і зовнішнім см радіусами (рис. 2.17). Порівняти ємності колишнього та нового конденсаторів.

Всі внутрішні обкладки при послідовному з'єднанніелектризуються через вплив. Їхні заряди рівні

за величиною, але протилежні за знаком (½+q½=½-q½ = q; рис. 12).

Отже, заряди на всіх конденсаторах при їх послідовному з'єднанні рівні, а потенціали складаються,

Dj = j 1 - j 2 = Dj 1 + Dj 2 + ... + Dj n ,

де .

Отже, . (17)

Паралельне з'єднання конденсаторів

Рис. 13

При паралельному з'єднанні всі конденсатори мають постійну різницю потенціалів

j 1 - j 2 = сonst. Повний заряд батареї конденсаторів (рис. 1.31): q = q 1 + q 2 + ... + q n

За визначенням ємність батареї конденсаторів ,

Отже,

З = З 1 + З 2 + ... + З n. (18)

Енергія електричного поля

Енергія взаємодії електричних зарядів

Відомо, що dW 12 = - dA 12 . Для системи із трьох зарядів

dW = - d(W 12 + W 13 + W 23) = - dA,

W = W 12 + W 13 + W 23 . (19)

Це становище залишається справедливим і для довільної системи точкових зарядів. Для знаходження енергії взаємодії системи N точкових зарядів формулу (19) подаємо у вигляді

де W ij = W ji .

Отже, ,

де W i - Енергія взаємодії i-го заряду з іншими зарядами.

Відомо, що W i = q i j i , де q i - i-й зарядсистеми; j i - результуючий потенціал, створюваний рештою всіх зарядів системи разом знаходження заряду q i . Таким чином,

. (20)

Повна енергія системи зарядів

Якщо заряди розподілені за обсягом з об'ємною щільністю заряду r, систему зарядів можна як сукупність елементарних зарядів dq = rdV, т. е. dW = j dq = j rdV.

З урахуванням цього формула (20) після інтегрування набуває вигляду

, (21)

де j – потенціал, створений усіма зарядами в елементарному обсязі dV.

Якщо заряди розподілені з поверхневою густиною заряду s, то

. (22)

Формули (21) і (22) дозволяють знайти повну енергію системи, а формула (20) – лише власну енергію заряду. Дійсно, згідно (21), W = W 1 + W 2 + W 12 де W 1 W 2 - власні енергії заряду q 1 і q 2 ; W 12 – енергія взаємодії цих зарядів.

Енергія системи заряджених провідників

Використовуючи формулу (21) знайдемо енергію ізольованого (відокремленого) провідника. Якщо провідник має заряд q і потенціал j = сonst у всіх точках, де розподілений заряд, то

. (23)

Тому що для плоского конденсатора(Два заряджених провідника)

, (24)

де ½+q½=½-q½=q; Dj - різниця потенціалів між позитивно та негативно зарядженими обкладками конденсатора; W - повна енергія взаємодії як зарядів однієї обкладки з зарядами інший, а й енергія взаємодії зарядів усередині кожної з обкладок.

Формула (24) залишається справедливою за наявності діелектрика між обкладками конденсатора.

Якщо використовувати ємнісні коефіцієнти, то

. (25)

Енергія електричного поля

Для знаходження енергії ми використовували лише заряди та потенціали. Основною характеристикою електричного поля є вектор напруженості. Тоді енергію електричного поля між обкладками плоского конденсатора можна знайти, перетворюючи формулу (23) з урахуванням того, що Dj = Еd; .

Після підстановки отримаємо

. (26)

З урахуванням діелектрика між обкладинками конденсатора

. (27)

Відомо, що електричне поле є окремим випадком електромагнітного поля, яке може існувати окремо від джерел поля, тобто. поширення електромагнітних хвиль у просторі пов'язані з перенесенням енергії.

Отже, електростатичне поле має енергію, розподілену в ньому з об'ємною густиною w ел.

У разі однорідного електричного поля

Якщо електричне поле неоднорідне, то

де .

У цьому випадку об'ємна густина енергії електричного поля

. (29)

Отже, повна енергія електричного поля

. (30)

Таким чином, на відміну від гравітаційного поля, електростатичне (електромагнітне) поле характеризується об'ємною щільністю енергії, і можна говорити про локалізацію. електричної енергіїв просторі.