Кандэнсатар — двухполюснік, якому ўласціва параўнальна вялікая ёмістасць і амічнае супраціўленне; прылада для захавання электрычнай энергіі. Звычайна складаецца з двух электродаў у форме пласцін (абкладак), падзеленых дыэлектрыкам, таўшчыня якога малая ў параўнанні з памерамі абкладак. Працэс назапашвання энергіі ў кандэнсатары, вядомы як «зарад», прыводзіць да назапашвання электрычнага зараду аднолькавай велічыні, але супрацьлеглай палярнасці, на кожнай з абкладак.
Кандэнсатары шырока выкарыстоўваюцца ў электронных схемах для раздзялення ланцугоў пастаяннага і пераменнага току, у сеціўных фільтрах, для згладжвання выхаднога напружання крыніц сілкавання, у рэзанансных контурах, і для многіх іншых мэт.
Ідэальны кандэнсатар характарызуецца адной пастаяннай велічынёй, ёмістасцю, якая вымяраецца ў фарадах, і можа быць вылічана як адносіна электрычнага зараду на кожнай з абкладак да рознасці патэнцыялаў паміж імі. На практыцы заўжды ёсць абмежаванні на велічыню электрычнага поля ў дыэлектрыку, што выражаецца ў наяўнасці напружання прабою, абкладкі маюць паразітную ўласную індуктыўнасць і супраціўленне, паміж абкладкамі існуе ток уцечкі, ёмістасць кандэнсатара залежыць ад тэмпературы і частаты, і г.д.
Назву «кандэнсатар» даў Алесандра Вольта ў 1782 годзе (ад італьянскага condensatore), падкрэсліўшы здольнасць прылады назапашваць большы электрычны зарад у параўнанні са звычайным ізаляваным правадніком. І хоць у англійскай мове назва condensor лічыцца архаічнай (сучасная назва — capacitor), у большасці еўрапейскіх моў ужываюцца вытворныя ад condensatore назвы.
Гісторыя
У кастрычніку 1745 года Эвальд Георг фон Клейст з Памераніі (Германія), вынайшаў, што зарад можна захоўваць, падключыўшы электрастатычны генератар высокага напружання дротам да аб’ёму вады ў ручным шкляным слоіку. Рук Клейста і вада дзейнічалі як праваднікі, а слоік — як дыэлектрык (хоць дэталі механізму ў той час былі ідэнтыфікаваныя няправільна). Клейст выявіў, што дакрананне да дроту прывяло да моцнай іскры, значна больш балючай, чым іскра, атрыманая ад электрастатычнай машыны. У наступным годзе галандскі фізік Пітэр ван Мушэнбрук вынайшаў падобны кандэнсатар, які атрымаў назву лейдэнскі слоік у гонар Лейдэнскага ўніверсітэта (дзе працаваў Мушэнбрук). Ён таксама быў уражаны моцай шоку, які ён атрымаў, напісаўшы: «Я б не вытрымаў другога шоку для каралеўства Францыі».
Даніэль Гралат быў першым, хто аб’яднаў некалькі слоікаў паралельна, каб павялічыць ёмістасць захоўвання зарада. Бенджамін Франклін даследаваў лейдэнскі слоік і прыйшоў да высновы, што зарад захоўваўся на шкле, а не ў вадзе, як меркавалі іншыя. Ён таксама прыняў тэрмін «батарэя» (пазначаючы павелічэнне магутнасці з шэрагам падобных адзінак, як у гарматнай батарэі). Пазней лейдэнскія слоікі былі зроблены шляхам пакрыцця слоікаў знутры і звонку металічнай фольгай, пакідаючы прастору ў вусце для прадухілення дугі паміж фольгай. Самай ранняй адзінкай ёмістасці была банка (эквівалентная прыкладна 1,11 нанафарад).
Лейдэнскія слоікі або больш магутныя прылады, у якіх выкарыстоўваліся плоскія шкляныя пласціны, якія чаргуюцца з праваднікамі з фольгі, выкарыстоўваліся прыкладна да 1900 года, калі вынаходніцтва бесправадной сувязі (радыё) выклікала попыт на стандартныя кандэнсатары, а няўхільны рух да больш высокіх частот патрабаваў кандэнсатараў з меншай індуктыўнасцю. Пачалі выкарыстоўвацца больш кампактныя метады канструкцыі, такія як гнуткі дыэлектрычны ліст (як прамасленая папера), заціснуты паміж лістамі металічнай фольгі, згорнуты або складзены ў невялікі пакет.
Канструкцыя Кандэнсатар з’яўляецца пасіўным электронным кампанентам. У самым простым варыянце канструкцыя складаецца з двух электродаў у форме пласцін (званых абкладкамі), падзеленых дыэлектрыкам, таўшчыня якога ў параўнанні з памерамі абкладак вельмі невялікая. Практычна прымяняемыя кандэнсатары маюць шмат слаёў дыэлектрыка і шматслойныя электроды, або стужкі ў якіх чаргуюцца дыэлектрык і электроды, гэтая слаёная канструкцыя згорнутая ў цыліндр або паралелепіпед са скругленымі рэбрамі.
Уласцівасці кандэнсатара З прычыны сваёй будовы, кандэнсатар у ланцугу пастаяннага току можа праводзіць ток толькі ў момант яго ўключэння ў ланцуг (адбываецца зарадка або перазарадка кандэнсатара), пасля заканчэння пераходнага працэсу ток праз кандэнсатар не цячэ, бо яго абкладкі падзелены дыэлектрыкам. У ланцугу пераменнага току кандэнсатар праводзіць ваганні пераменнага току з дапамогай цыклічнай перазарадкі кандэнсатара, замыкаецца так званым токам зрушэння.
З пункту гледжання метаду комплексных амплітуд кандэнсатар валодае электрычным імпедансам.
дзе — уяўная адзінка, — цыклічная частата працякалага сінусоіднага току (радыян/с), — частата працякалага току (Гц) — ёмкістасць кандэнсатара (Ф)
Адсюль таксама вынікае, што рэактыўнае супраціўленне кандэнсатара:
Для пастаяннага току частата роўная нулю, такім чынам, для пастаяннага току рэактыўнае супраціўленне кандэнсатара фармальна бясконцае.
Пры змене частаты змяняюцца дыэлектрычная пранікальнасць дыэлектрыка і ступень уплыву паразітных параметраў — уласнай індуктыўнасці і супраціўленне страт. На высокіх частотах любы кандэнсатар можна разглядаць як паслядоўны вагальны контур, які ўтвараецца ёмістасцю уласнай індуктыўнасцю , і супраціўленне страт
Рэзанансная частата кандэнсатара роўная:
Пры кандэнсатар у ланцугу пераменнага току паводзіць сябе як шпулька індуктыўнасці. Таму кандэнсатар мэтазгодна выкарыстоўваць толькі на частотах , на якіх яго рэактыўнае супраціўленне носіць ёмістасны характар. Звычайна максімальная працоўная частата кандэнсатара прыкладна ў 2-3 разы ніжэй рэзананснай.
Кандэнсатар можа назапашваць электрычную энергію. Энергія зараджанага кандэнсатара:
дзе — напружанне (рознасць патэнцыялаў), да якога зараджаны кандэнсатар,
— электрычны зарад на адной з абкладак.
Асноўныя параметры
Характарыстыкі
Ёмістасць Асноўная характарыстыка кандэнсатара — ёмістасць, яна характарызуе здольнасць кандэнсатара назапашваць электрычны зарад. У звестках кандэнсатара фігуруе значэнне намінальнай ёмістасці, а рэальная ёмістасць можа значна мяняцца залежна ад шматлікіх фактараў. Рэальная ёмістасць кандэнсатара вызначае яго электрычныя ўласцівасці. Так, па вызначэнні ёмістасці, зарад на абкладцы прапарцыйны напружанню паміж абкладкамі (q = CU). Тыповыя значэнні ёмістасці кандэнсатараў складаюць ад адзінак пікафарад да тысяч мікрафарад. Аднак ёсць кандэнсатары (іяністары) з ёмістасцю да дзясяткаў фарад.
Ёмістасць плоскага кандэнсатара, які складаецца з двух паралельных металічных пласцін плошчай S кожная, размешчаных на адлегласці d адна ад другой, у сістэме СІ выяўляецца формулай:
дзе — дыэлектрычная пранікальнасць асяроддзя, якое запаўняе прастору паміж пласцінамі (у вакууме роўная 1), — Электрычная пастаянная, колькасна роўная
Гэта формула справядлівая, толькі калі нашмат меней лінейных памераў пласцін.
Для атрымання вялікіх ёмістасцяў кандэнсатары злучаюць паралельна. Пры гэтым напружанне паміж абкладкамі ўсіх кандэнсатараў аднолькава. Агульная ёмістасць батарэі «паралельна» злучаных кандэнсатараў роўная суме ёмістасцяў усіх кандэнсатараў, якія ўваходзяць у батарэю: або Калі ва ўсіх паралельна злучаных кандэнсатарах адлегласць паміж абкладкамі і ўласцівасці дыэлектрыка аднолькавыя, то гэтыя кандэнсатары можна прадставіць як адзін вялікі кандэнсатар, падзелены на фрагменты меншай плошчы.
Пры паслядоўным злучэнні кандэнсатараў зарады ўсіх кандэнсатараў аднолькавыя, бо ад крыніцы сілкавання яны паступаюць толькі на знешнія электроды, а на ўнутраных электродах яны атрымліваюцца толькі за кошт падзелу зарадаў. Агульная ёмістасць батарэі паслядоўна злучаных кандэнсатараў роўная:
або:
Гэтая ёмістасць заўсёды менш за мінімальную ёмістасці кандэнсатара, які ўваходзіць ў батарэю. Аднак пры паслядоўным злучэнні памяншаецца магчымасць прабоя кандэнсатараў, бо на кожны кандэнсатар прыпадае толькі частка розніцы патэнцыялаў крыніцы напружання.
Калі плошча абкладак усіх кандэнсатараў, злучаных паслядоўна, аднолькавая, то гэтыя кандэнсатары можна прадставіць як адзін вялікі кандэнсатар, паміж абкладкамі якога знаходзіцца стос з пласцін дыэлектрыка ўсіх складаючых яго кандэнсатараў.
Удзельная ёмістасць Пад удзельнай ёмістасцю разумеюць адносіны ёмістасці кандэнсатара да аб’ёму (або масы) яго дыэлектрыка. Максімальнае значэнне ўдзельнай ёмістасці дасягаецца пры мінімальнай таўшчыні дыэлектрыка, аднак пры гэтым памяншаецца яго напружанне прабоя.
Шчыльнасць энергіі Шчыльнасць энергіі кандэнсатара — адносіна масы (аб’ёму) да колькасці назапашанай энергіі. Гэтая характарыстыка ў першую чаргу залежыць ад канструктыўнага выканання кандэнсатара. Максімальная шчыльнасць дасягаецца ў вялікіх электралітычных кандэнсатараў, дзе маса корпуса невялікая ў параўнанні з масай абкладак і электраліту. Напрыклад, у кандэнсатара EPCOS B4345 з ёмістасцю 12 000 мкФ, максімальна дапушчальным напружаннем 450 вольт і масай 1,9 кг шчыльнасць энергіі пры максімальным напружанні складае 639 Дж/кг або 845 Дж/л. Асабліва важны гэты параметр пры выкарыстанні кандэнсатара як назапашвальніка энергіі, з наступным імгненным яе вызваленнем, напрыклад, у гармаце Гаўса.
Намінальнае напружанне Намінальнае напружанне — значэнне напружання пры якім кандэнсатар можа працаваць у зададзеных умовах на працягу тэрміну службы з захаваннем параметраў у дапушчальных межах. Намінальнае напружанне залежыць ад канструкцыі кандэнсатара і ўласцівасцяў матэрыялаў абкладак і электраліту. Эксплуатацыйнае напружанне на кандэнсатары павінна быць не вышэй намінальнага.
Напружанне прабоя Пры пэўнай напружанасці электрычнага поля, вядомай як дыэлектрычная трываласць , дыэлектрык у кандэнсатары становіцца праводным. Напружанне, пры якім гэта адбываецца, называецца напружаннем прабоя і вызначаецца як памножаныя значэнні дыэлектрычнай трываласці і адлегласці паміж праваднікамі ():
Максімальная энергія, якую можна бяспечна захоўваць у кандэнсатары, абмежавана напружаннем прабоя. З прычыны маштабавання ёмістасці і напружання прабоя ў залежнасці ад таўшчыні дыэлектрыка кандэнсатары вырабляюць з пэўнага дыэлектрыка. Для кандэнсатараў з паветраным дыэлектрыкам напружанасць поля прабоя складае парадку 2-5 МВ/м (або кВ/мм); для слюды пробай складае 100—300 МВ/м; для нафты — 15-25 МВ/м; велічыня можа быць значна менш, калі як дыэлектрык выкарыстоўваюць іншыя матэрыялы. Дыэлектрык выкарыстоўваюць вельмі тонкімі пластамі, таму абсалютнае напружанне прабоя кандэнсатараў абмежавана. Тыповыя наміналы кандэнсатараў, якія выкарыстоўваюць у агульнай электроніцы, вар’іруюцца ад некалькіх вольт да 1 кВ. Па меры павелічэння напружання слой дыэлектрыка павінен быць таўсцей, і ў выніку ёмістасць высакавольтных кандэнсатараў становіцца больш, чым у кандэнсатараў, разлічаных на больш нізкае напружанне.
На напружанне прабоя крытычна ўплываюць такія фактары, як геаметрыя праводнасці частак кандэнсатара; вострыя краі або пункты павялічваюць напружанасць электрычнага поля ў гэтым пункце і могуць прывесці да лакальнага прабою. Як толькі гэта пачынае адбывацца, прабой хутка праходзіць праз дыэлектрык, пакуль не дасягае процілеглай пласціны, пакідаючы пасля сябе прапаліну ў дыэлектрыку і выклікаючы кароткае замыканне (або адносна нізкі супраціў). Вынікі могуць быць выбухованебяспечнымі, бо кароткае замыканне ў кандэнсатары адбірае ток з вакольнай схемы і рассейвае энергію. Аднак у кандэнсатарах з адмысловымі дыэлектрыкамі на тонкіх металічных электродах пасля прабоя не здараецца замыкання. Гэта адбываецца таму, што метал у зоне прабоя плавіцца або выпарваецца, ізалюючы месца прабоя ад астатняй часткі кандэнсатара.