Задачи на последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Содержание

Почему электролитические конденсаторы выходят из строя и что делать

Зачастую, чтобы отремонтировать вышедшую из строя электронную технику, достаточно найти и заменить вздувшиеся конденсаторы. Дело в том, что срок жизни их небольшой — 1000-2000 тысячи рабочих часов. Потом он обычно выходит из строя и требуется его замена. И это при нормальном напряжении не выше номинального. Так происходит потому, что диэлектрик в конденсаторах, чаще всего, жидкий. Жидкость понемногу испаряется, меняются параметры и, рано или поздно, конденсатор вздувается.

Электролитические конденсаторы имеют специальные насечки на верхушке корпуса, чтобы при выходе из строя избежать взрыва

Высыхает электролит не только во время работы. Даже просто «от времени». Это конструктивная особенность электролитических конденсаторов. Поэтому не стоит ставить выпаянные из старых схем конденсаторы или те, которые несколько лет (или десятков лет) хранятся в мастерской. Лучше купить «свежий», но проверьте дату производства.

Можно ли продлить срок эксплуатации конденсаторов? Можно. Надо улучшить теплоотвод. Чем меньше греется электролит, тем медленнее высыхает. Поэтому не стоит ставить аппаратуру вблизи отопительных приборов.

Для улучшения отвода тепла ставят радиаторы

Второе — надо следить за тем, чтобы хорошо работали кулера. Третье — если рядом стоят детали, которые активно греются во время работы, надо конденсаторы каким-то образом от температуры защитить.

Как подобрать замену

Если часто приходится менять один и тот же конденсатор, его лучше заменить на более «мощный» — той же ёмкости, но на большее напряжение. Например, вместо конденсатора на 25 вольт, поставить конденсатор на 35 вольт. Только надо иметь в виду, что более мощные конденсаторы имеют большие размеры. Не всякая плата позволяет сделать такую замену.

Конденсатор той же ёмкости, но рассчитанный на большее напряжение, имеет больший размер

Можно поставить параллельно несколько конденсаторов с тем же напряжением, подобрав номиналы так, чтобы получить требуемую ёмкость. Что это даст? Лучшую переносимость пульсаций тока, меньший нагрев и, как следствие, более продолжительный срок службы.

Что будет, если поставить конденсатор большей ёмкости?

Часто приходит в голову идея поставить вместо сгоревшего или вздувшегося конденсатор большей ёмкости. Ведь он должен меньше греться. Так, во всяком случае, кажется. Ёмкость практически никак не связана со степенью нагрева корпуса. И в этом выигрыша не будет.

Устройство электролитического конденсатора

По нормативным документам отклонение номинала конденсаторов допускается в пределах 20%. Вот на эту цифру можете спокойно ставить больше/меньше. Но это может привести к изменениям в работе устройства. Так что лучше найти «родной» номинал. И учтите, что не всегда можно ставить большую ёмкость. Можно если конденсатор стоит на входе и сглаживает скачки питания. Вот тут большая ёмкость уместна, если для её установки достаточно места. Это точно нельзя делать там, где конденсатор работает как фильтр, отсекающий заданные частоты.

Можно менять на ту же ёмкость, но чуть более высокое напряжение. Это имеет смысл. Но размеры такого конденсатора будут намного больше. Не в любую плату получится его установить. И учтите, что корпус его не должен соприкасаться с другими деталями.

Источник

Падение напряженности и общая емкость

Ёмкость конденсатора – это величина, определяющая количество заряда, который он способен в себе сохранить. Выражение имеет следующий вид:

C = q/U.

Здесь q – заряд, накопленный между обкладками конденсатора, U – напряжение к ним приложенное.

Вышеописанная формула представляет общий случай. На практике при расчете ёмкости конденсатора следует учитывать ряд других переменных:

C = E0ES/d,

где:

E0 – электрическая постоянная, равная 8,85*10-12 Ф/м,
E – диэлектрическая проницаемость среды, в которой располагаются обкладки конденсатора,
S – их площадь пересечения,
d – расстояние между обкладками.

Стандартная модель конденсатора имеет следующий вид.

Модель конденсатора

Обкладки чаще всего изготовлены из тонкого листового алюминия и скручены в рулон. Делается это для увеличения их площади, ведь так ёмкость конденсатора становится существенно больше.

От выбора диэлектрика, устанавливаемого производителем между обкладками конденсатора, зависит номинальное и максимальное напряжение прибора. Это, в свою очередь, определяет его сферу применения. Если к обкладкам приложить чрезмерную разность потенциалов, то напряжённость поля между ними превысит допустимый уровень, и произойдёт пробой диэлектрика. Подобная ситуация особенно пагубно влияет на электролитические конденсаторы и ионисторы. В случае их пробоя прибор частично или полностью теряет способность накапливать заряд и в дальнейшем становится непригодным для работы.

При последовательном и параллельном включении разных конденсаторов существенно изменяются их характеристики. Данное свойство этих деталей активно используется инженерами-электронщиками и радиолюбителями. Знание принципов подключения позволяет им более продуктивно разрабатывать новые устройства.

Источники

https://smolgelios.ru/svet/soedinenie-kondensatorov.html
https://amperof.ru/teoriya/posledovatelnoe-soedinenie-kondensatorov.html
https://seti.guru/parallelnoe-i-posledovatelnoe-soedinenie-kondensatorov
https://odinelectric.ru/knowledgebase/parallelnoe-i-posledovatelnoe-soedinenie

Янв 25, 2021

Принцип работы и характеристики конденсаторов

Устройство конденсатора представляет собой две металлические пластинки-обкладки, разделенные тонким слоем диэлектрика. Соотношение размеров и расположения обкладок и характеристика материала диэлектрика определяет показатель емкости.

Разработка конструкции любого типа конденсатора преследует целью получение максимальной емкости в расчете на минимальные размеры для экономии пространства на печатной плате устройства. Одна из наиболее популярных по внешнему виду форм — в виде бочонка, внутри которого скручены металлические обкладки с диэлектриком между ними. Первый конденсатор, изобретенный в городе Лейдене (Нидерланды) в 1745 году, получил название «Лейденской банки».

Принципом работы компонента является способность заряжаться и разряжаться. Зарядка возможна благодаря нахождению обкладок на малом расстоянии друг от друга. Близкорасположенные заряды, разделенные диэлектриком, притягиваются друг к другу и задерживаются на обкладках, а сам конденсатор таким образом хранит энергию. После отключения источника питания компонент готов к отдаче энергии в цепи, разряду.

Параметры и свойства, определяющие рабочие характеристики, качество и долговечность работы:

электрическая емкость;
удельная емкость;
допускаемое отклонение;
электрическая прочность;
собственная индуктивность;
диэлектрическая абсорбция;
потери;
стабильность;
надежность.

Способность накапливать заряд определяет электрическую емкость конденсатора. При расчете емкости нужно знать:

площадь обкладок;
расстояние между обкладками;
диэлектрическую проницаемость материала диэлектрика.

Для повышения емкости нужно увеличить площадь обкладок, уменьшить расстояние между ними и использовать диэлектрик, материал которого обладает высокой диэлектрической проницаемостью.

Для обозначения емкости используется Фарад (Ф) — единица измерения, получившая свое название в честь английского физика Майкла Фарадея. Однако 1 Фарад — слишком большая величина. Например, емкость нашей планеты составляет менее 1 Фарада. В радиоэлектронике используются меньшие значения: микрофарад (мкФ, миллионная доля Фарада) и пикофарад (пФ, миллионная доля микрофарада).

Watch this video on YouTube

Удельная емкость рассчитывается из отношения емкости к массе (объему) диэлектрика. На этот показатель влияют геометрические размеры, и повышение удельной емкости достигается за счет снижения объема диэлектрика, но при этом повышается опасность пробоя.

Допускаемое отклонение паспортной величины емкости от фактической определяет класс точности. Согласно ГОСТу, существует 5 классов точности, определяющих будущее использование. Компоненты высшего класса точности применяются в цепях высокой ответственности.

Электрическая прочность определяет способность удерживать заряд и сохранять рабочие свойства. Заряды, сохраняющиеся на обкладках, стремятся друг к другу, воздействуя на диэлектрик

Электрическая прочность — важное свойство конденсатора, определяющее длительность его использования. В случае неправильной эксплуатации произойдет пробой диэлектрика и выход компонента из строя

Собственная индуктивность учитывается в цепях переменного тока с катушками индуктивности. Для цепей постоянного тока не берется в расчет.

Диэлектрическая абсорбция — появление напряжения на обкладках при быстром разряде. Явление абсорбции учитывается для безопасной эксплуатации высоковольтных электрических устройств, т.к. при коротком замыкании существует опасность для жизни.

Потери обусловлены малым пропусканием тока диэлектриком. При эксплуатации компонентов электронных устройств в разных температурных условиях и разной влажности свое влияние оказывает показатель добротности потерь. На него также влияет рабочая частота. На низких частотах сказываются потери в диэлектрике, на высоких — в металле.

Стабильность — параметр конденсатора, на который также оказывает влияние температура окружающей среды. Ее воздействия делятся на обратимые, характеризуемые температурным коэффициентом, и необратимые, характеризуемые коэффициентом температурной нестабильности.

Надежность работы конденсатора в первую очередь зависит от условий эксплуатации. Анализ поломок говорит о том, что в 80% случаев причиной выхода из строя является пробой.

В зависимости от назначения, типа и области применения различаются и размеры конденсаторов. Самые маленькие и миниатюрные, размерами от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, используются в электронике, а самые крупные — в промышленности.

Схемы соединения конденсаторов — расчет емкости

В закладки

В данной статье приведены различные схемы соединения конденсаторов, а так же формулы их расчета с примером.

Если условно разделить выводы каждого из конденсаторов на первый и второй выводы последовательное соединение конденсаторов будет выполняется следующим образом: второй вывод первого конденсатора соединяется с первым выводом второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора, соединяется с первым выводом третьего и так далее. Таким образом мы получим группу (блок) последовательно соединенных конденсаторов с двумя свободными выводами — первым выводом первого конденсатора в блоке и вторым выводом последнего конденсатора, через которые данный конденсаторный блок и подключается в электрическую цепь.

Схема последовательного соединения конденсаторов будет иметь следующий вид:

Фактически последовательное соединение конденсаторов имеет следующий вид:

При данной схеме соединения заряды на конденсаторах будут одинаковы:

Qобщ=Q1=Q2=Q3,

где: Q1, Q2, Q3 — соответственно заряд на первом, втором, третьем и т.д. конденсаторах

Напряжение на каждом конденсаторе при такой схеме зависит от его емкости:

U1=Q/C1; U2=Q/C2; U3=Q/C3, где:

U1, U2, U3 — соответственно напряжение на первом, втором, третьем конденсаторах
C1, C2, C3 — соответственно емкости первого, второго, третьего конденсаторов

При этом общее напряжение составит:

Uобщ=U1+U2+U3+…+Un

Рассчитать общую емкость конденсаторов при последовательном соединении можно по следующим формулам:

При последовательном соединении двух конденсаторов:

Собщ=C1*C2/C1+C2

При последовательном соединении трех и более конденсаторов:

1/Собщ=1/C1+1/C2+1/C3+…+1/Cn

Если условно разделить выводы каждого из конденсаторов на первый и второй выводы параллельное соединение конденсаторов будет выполняется следующим образом: первые выводы всех конденсаторов соединяются в одну общую точку (условно — точка №1) вторые выводы всех конденсаторов соединяются в другую общую точку (условно — точка №2). В результате получается группа (блок) параллельно соединенных конденсаторов подключение которой к электрической цепи производится через условные точки №1 и №2.

Схема параллельного соединения конденсаторов будет иметь следующий вид:

Таким образом параллельное соединение конденсаторов будет иметь следующий вид:

При данной схеме напряжение на всех конденсаторах будет одинаково:

U=U1=U2=U3

Заряд же на каждом из конденсаторов будет зависеть от его емкости:

Q1=U*C1; Q2=U*C2; Q3=U*C3

При этом общий заряд цепи будет равен сумме зарядов всех параллельно подключенных конденсаторов:

Qобщ=Q1+Q2+Q3…+…Qn.

Рассчитать общую емкость конденсаторов при параллельном соединении можно по следующей формуле:

Собщ=C1+C2+C3+…+Cn

Схема в которой присутствует две и более группы (блока) конденсаторов с различными схемами соединения называется схемой смешанного соединения конденсаторов.

Приведем пример такой схемы:

Для расчетов такие схемы условно разделяются на группы одинаково соединенных конденсаторов, после чего расчеты ведутся для каждой группы по формулам приведенным выше.

Для наглядности приведем пример расчета общей емкости данной схемы.

Условно разделив схему на группы получим следующее:

Как видно из схемы на первом этапе мы выделили 3 группы (блока) конденсаторов, при этом конденсаторы в первой и второй группе соединены последовательно, а конденсаторы в третьей группе — параллельно.

Произведем расчет каждой группы:

Группа 1 — последовательное соединение трех конденсаторов:

1/C1,2,3 = 1/C1+1/C2+1/C3 = 1/5+1/15+1/10=0,2+0,067+0,1 = 0,367 → C1,2,3 = 1/0,367 = 2,72 мкФ

Группа 2 — последовательное соединение двух конденсаторов:

С4,5 = C4*C5/C4+C5 = 20*30/20+30 = 600/50 = 12 мкФ

Группа 3 — параллельное соединение трех конденсаторов:

С6,7,8 = C6+C7+C8 = 5+25+30 = 60 мкФ

В результате расчета схема упрощается:

Как видно в упрощенной схеме осталась еще одна группа из двух параллельно соединенных конденсаторов, произведем расчет ее емкости:

Группа 4 — параллельное соединение двух групп конденсаторов:

С1,2,3,4,5 = C1,2,3+C4,5 = 2,72+12 = 14,72 мкФ

В конечном итоге получаем простую схему из двух последовательно соединенных групп конденсаторов:

Теперь можно определить общую емкость схемы:

Собщ = C1,2,3,4,5*C6,7,8/C1,2,3,4,5+C6,7,8 = 14,72*60/14,72+60 = 883,2/74,72 = 11,8 мкФ

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

https://elektroshkola.ru/elektrotexnicheskie-raschety/sxemy-soedineniya-kondensatorov-raschet-emkosti/

Выбор правильного конденсатора

Я очень не хотел использовать конденсатор типоразмера 1210. К счастью, я имел возможность увеличить сопротивление резисторов в пять раз, уменьшив при этом ёмкость до 1мкФ. Графики на рисунке 2 показывают поведение различных X7R конденсаторов 1мкФ на 16В в сравнении с их собратьями X7R 4,7мкФ на 16В.

Рисунок 2. Поведение различных конденсаторов на 1мкФ и 4,7мкФ.

Конденсатор 0603 1мкФ ведёт себя так же, как 0805 4,7мкФ. Вместе взятые 0805 и 1206 на 1мкФ чувствуют себя лучше, чем 4,7мкФ типоразмера 1210. Используя конденсатор 1мкФ в корпусе 0805 я мог сохранить требования к размерам компонентов, получив при этом в рабочем режиме 85% от исходной ёмкости, а не 30%, как было ранее.

Но это ещё не всё. Я был изрядно озадачен, ибо считал что все конденсаторы X7R должны

иметь сходные коэффициенты изменения ёмкости от напряжения, поскольку все выполены на одном и том же диэлектрике — а именно X7R. Я связался с коллегой — специалистом по керамическим конденсаторам1. Он пояснил, что есть много материалов, которые квалифицируются как «X7R». На самом деле, любой материал который позволяет компоненту функционировать в температурном диапазоне от -55ºC до +125ºC с изменением характеристик не более чем на ±15% можно назвать «X7R». Так же он сказал, что нет каких-либо спецификаций на коэффициент изменения ёмкости от напряжения ни для X7R, ни для каких-либо других типов.

Это очень важный момент, и я его повторю. Производитель может называть конденсатор X7R (или X5R, или еще как-нибудь) до тех пор, пока он соответствует допускам по температурному коэффициенту ёмкости. Вне зависимости от того, насколько плох его коэффициент по напряжению.

Для инженера-разработчика этот факт только освежает старую шутку — «любой опытный инженер знает: читай даташит!»

Производители выпускают всё более миниатюрные компоненты, и вынуждены искать компромиссные материалы. Для того чтобы обеспечить необходимые ёмкостно-габаритные показатели, им приходится ухудшать коэффициенты по напряжению. Конечно, более авторитетные производители делают все возможное, чтобы свести к минимуму неблагоприятные последствия этого компромисса.

А как насчёт типа Y5V, который я сразу отбросил? Для контрольного в голову, давайте рассмотрим обычный конденсатор Y5V. Я не буду выделять какого-то конкретного производителя этих конденсаторов — все примерно одинаковы. Выберем 4,7мкФ на 6,3В в корпусе 0603, и посмотрим его параметры при температуре +85ºC и напряжении 5В. Типовая ёмкость на 92,3% ниже номинала, или 0,33мкФ. Это так. Приложив 5В к этому конденсатору мы получаем падение ёмкости в 14 раз по сравнению с номиналом.

При температуре +85ºC и напряжении 0В ёмкость уменьшается на 68,14%, с 4,7мкФ до 1,5мкФ. Можно предположить, что приложив 5В мы получим дальнейшее уменьшение ёмкости — от 0,33мкФ до 0,11мкФ. К счастью, эти эффекты не объединяются. Уменьшение ёмкости под напряжением 5В при комнатной температуре куда хуже, чем при +85ºC.

Для ясности, в данном случае при напряжении 0В ёмкость падает от 4,7мкФ до 1,5мкФ при +85ºC, в то время как при напряжении 5В ёмкость конденсатора увеличивается от 0,33мкФ при комнатной температуре, до 0,39мкФ при +85ºC. Это должно убедить вас действительно тщательно проверять все спецификации тех компонентов, которые вы используете.

Последовательное соединение — конденсатор

Последовательное соединение конденсаторов применяется в том случае, когда подводимое напряжение превышает напряжение, на которое рассчитаны конденсаторы, в связи с чем возникает опасность пробоя диэлектрика.

Последовательное соединение конденсаторов чаще всего применяется, когда рабочее напряжение цепи выше допустимого напряжения конденсатора.

Последовательное соединение конденсатора и активного сопротивления ( в виде проволочного или непроволочного сопротивления) довольно часто встречается в электрических схемах радиотехнических устройств.

Параллельное соединение конденсаторов.| Последовательное соединение конденсаторов.

Последовательное соединение конденсаторов применяют для снижения напряжения на конденсаторах.

Последовательное соединение конденсаторов применяется в тех случаях, когда имеющиеся конденсаторы рассчитаны на более низкое, чем предусмотрено в данной схеме, напряжение, а также для образования емкостных делителей напряжения.

Последовательное соединение конденсаторов обычно применяется тогда, когда напряжение, действующее в реальной схеме, превышает рабочее напряжение отдельных конденсаторов. Соединяя конденсаторы последовательно, можно увеличить рабочее напряжение в любое число раз. Не следует забывать, что при этом получается проигрыш в величине емкости.

Последовательное соединение конденсаторов целесообразно в схемах термокомпенсации колебательных контуров, где использу-ются керамические конденсаторы с отрицательным температурным коэффициентом.

Эквивалентные схемы конденсаторов с утечками.

Поэтому последовательное соединение конденсаторов не применяют при работе с постоянными напряжениями, а используют его в цепях переменного тока.

К последовательному соединению конденсаторов прибегают обычно в тех случаях, когда напряжение источника значительно выше рабочего напряжения конденсатора. Чтобы избежать пробоя, несколько одинаковых конденсаторов соединяют последовательно и таким образом понижают напряжение на каждом из них.

Схема входной цепи с индуктивной связью с антенной.

Благодаря последовательному соединению конденсаторов Ci и С2 общая емкость контура уменьшается, что позволяет повысить рабочую частоту.

Как соединить конденсаторы

В предыдущих статьях были рассмотрены вопросы работы и характеристики конденсаторов. Сейчас Я расскажу о всех методах соединения конденсаторов для подключения в схему. Сразу скажу, что в жизни практически везде, за исключением редких случаев используется только параллельная схема подключения.

Следует знать, что в цепи переменного тока конденсатор выступает еще как емкостное сопротивление. При чем с увеличением величины емкости конденсатора- уменьшается сопротивление в цепи переменного тока.

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельной схеме подключения все обкладки конденсаторов соединяются в две группы, причем один вывод с каждого конденсатора соединяется в одну группу с другими, а второй — в другую. Наглядный пример параллельного соединения и схема на картинке.Все параллельно соединенные конденсаторы подключаются к одному источнику напряжения, поэтому существует на них две точки разности потенциалов или напряжения. На всех выводах конденсаторов будет абсолютно одинаковое напряжение. При подключении параллельно все конденсаторы вместе, образуют принципиально одну емкость, величина которой будет равняться сумме всех емкостей подключенных в цепи конденсаторов.

При параллельном подключении через каждый из конденсаторов потечет разный ток, который будет зависеть от величины емкости каждого из них. Чем выше емкость, тем больший ток потечет через неё.

Параллельное соединение очень часто встречается в жизни. С его помощью можно из группы конденсаторов собрать любую необходимую емкость. Например, для запуска 3 фазного электродвигателя в однофазной сети 220 Вольт в результате расчетов Вы получили что необходима рабочая емкость 125 мкФ. Такой емкости конденсаторов Вы не найдете в продаже. Для того, что бы получить необходимую емкость придется купить и соединить параллельно 3 конденсатора один на 100 мкФ, второй- на 20, и третий на 5 мкФ.

Соединение конденсаторов последовательно

При последовательном соединении конденсаторов каждая из обкладок соединяется только в одной точке с одной обкладкой другого конденсатора. Получается цепочка конденсаторов. Крайние два вывода подключаются к источнику тока, в результате чего происходит перераспределение между ними электрических зарядов. Заряды на всех промежуточных обкладках одинаковые величине с чередованием по знаку.

Через все соединенные конденсаторы последовательно протекает одинаковой величины ток, потому что у него нет другого пути прохождения. Общая же емкость будет ограничиваться площадью обкладок самого маленького по величине, потому что как только зарядится полностью конденсатор с самой маленькой емкостью- вся цепочка перестанет пропускать ток и заряд остальных прервется. Высчитывается же емкость по этой формуле:Но при последовательном соединении увеличивается расстояние (или изоляция) между обкладками до величины равной сумме расстояний между обкладками всех последовательно подключенных конденсаторов. Например, если взять два конденсатора с рабочим напряжением 200 Вольт и соединить последовательно, то изоляция между их обкладками сможет выдержать 1000 Вольт при подключении в схему.Из выше сказанного можно сделать вывод, что последовательно соединять необходимо:

Для получения эквивалентного меньшего по емкости конденсатора.
Если необходима емкость, работающая на более высоких напряжениях.
Для создания емкостного делителя напряжения, который позволяет получить меньшей величины напряжение из более высокого.

Практически, для получения первого и второго достаточно просто купить один конденсатор с необходимой величиной емкости или рабочим напряжением. Поэтому данный метод соединения в жизни не встречается.

Смешанное соединение конденсаторов

Встречается смешанное соединение только на различных платах. Для него характерно наличие в одной цепи параллельного и последовательного соединения конденсаторов. При чем смешанное соединение может быть как последовательного, так параллельного характера.

В жизни подробные знания о смешанном соединении могут только пригодится радиолюбителям, поэтому не буду на этом подробно останавливаться.

Из следующей статьи Вы узнаете как правильно проверить и определить емкость конденсатора.

Типы и характеристики конденсаторов
Назначение конденсатора и принцип его .
Как проверить конденсатор, определить .