Основные применения конденсаторов

Конденсаторы

Электрический конденсатор – это элемент электрической цепи, предназначенный для использования его емкости.

1. Использование конденсатора для разделения постоянной и переменной составляющих сигнала, рис.2.8.

Рис.2.8. Разделение постоянной и переменной составляющих сигнала с помощью конденсатора.

а. схема включения;

б. временная диаграмма напряжения.

Сигнал U₁ имеет две составляющих: постоянную U₀ и переменную U_m. После конденсатора С напряжение U₂ не имеет постоянной составляющей U_0. Благодаря данному свойству конденсатора можно передавать переменный сигнал от одной части схемы к другой, причем режимы работы каждой из этих частей схем по постоянному току будут независимыми. Так в многокаскадном усилителе переменного тока можно независимо отрегулировать режимы работы каскадов по постоянному току. Причем изменение режима работы любого каскада не сказывается на режимах работы остальных. Через разделительный конденсатор часто подключаются устройства критичные к протеканию по ним постоянного тока, рис.2.9.

Рис.2.9. Подключение к усилителю нагрузки (акустической системы) через разделительный конденсатор.

Например, акустические системы, являющиеся нагрузками усилителей звуковых частот, подключаются через разделительные конденсаторы. Благодаря этому через акустические системы не протекает постоянный ток, что является необходимым условием сохранения их качественных характеристик.

Следует иметь в виду, что в схемах, содержащих конденсаторы, сопротивления постоянному и переменному току могут быть различными. Рассмотрим, например, схему, представленную на рис.2.10.

Рис.2.10. Схема, содержащая резисторы и конденсаторы.

Сопротивление постоянному току схемы R₌=R₁+R₂ (ток через конденсаторы С₁ и С₂ не протекает). Сопротивление этой же схемы переменному току R_~=R₁||R₃ (сопротивлением конденсаторов С₁ и С₂ переменному току пренебрегаем).

2. Использование конденсаторов для построения частотозависимых делителей напряжения (фильтров), рис.2.11, 2.12.

Рис.2.11. Фильтр высокой частоты.

а. схема;

б. амплитудно-частотная характеристика.

Рис.2.12. Фильтр низкой частоты.

а. схема;

б. амплитудно-частотная характеристика.

Схема, рис.2.11, представляет собой фильтр высокой частоты. Если частота входного сигнала мала, сопротивление конденсатора С₁ велико и практически все входное напряжение падает на нем. Таким образом U_вых примерно равно нулю. По мере увеличения частоты входного сигнала сопротивление конденсатора С₁ падает, и U_вых увеличивается.

Примечание: реактивное сопротивление конденсатора зависит от частоты и определяется следующим образом: Х_с=1/jwC, где ; - круговая частота сигнала; С – емкость конденсатора.

В схеме, рис.2.12, на низких частотах практически все входное напряжение падает на выходном конденсаторе С₁. По мере увеличения частоты входного сигнала сопротивление конденсатора уменьшается, напряжение на резисторе R₁ увеличивается, следовательно, выходное напряжение падает, достигая нулевого значения при дальнейшем увеличении частоты.

Фильтр низкой частоты, рис.2.12, используется, например, для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в источниках питания, рис.2.13.

Рис.2.13. Выпрямитель

а. схема;

б. временная зависимость выходного напряжения при отключенном

конденсаторе С₁;

в. временная зависимость выходного напряжения при подключенном

конденсаторе С₁.

В фильтр низкой частоты входит конденсатор С₁, резистор R₁ представлен омическим сопротивлением вторичной обмотки трансформатора и прямым сопротивлением диода VD₁. Полупроводниковый диод VD₁ выпрямляет только один полупериод напряжения U₂~, рис.2.13.б. Напряжение на нагрузке имеет пульсирующий характер. При подключении конденсатора С₁ схема приобретает свойства низкочастотного фильтра и переменная составляющая напряжения на его выходе уменьшается, рис.2.13.в. Эффективность подавления пульсаций выходного напряжения повышается при повышении частоты напряжения и при увеличении емкости конденсатора С₁.

3. Использование конденсаторов для построения генераторов напряжения различной формы и устройств задания интервалов времени.

Принцип построения автогенераторов электрических сигналов иллюстрирует рис.2.14.

Рис.2.14. Функциональная схема автогенератора.

ЧЗПОС – частотозависимая положительная обратная связь;

У – усилитель сигнала.

Цепочка ЧЗПОС может быть построена из резисторов и конденсаторов (RС-элементов), рис.2.15.

Рис.2.15. Принципиальная схема автогенератора гармонического сигнала.

Усилитель собран на элементах VT₁, R₁, R₂, R₃, R₄, С₁. Цепь ЧЗПОС состоит из элементов С₂, R₅, С₃, R₆, С₄, R₇.

Коэффициент передачи напряжения цепочкой ЧЗПОС β=U_oc/U_вых зависит от частоты изменения напряжения U_вых. Коэффициент β достигает своего максимального значения только на одной частоте f₀=φ(С₂, R₅, С₃, R₆, С₄, R₇). Именно на данной частоте и устанавливается генерация переменного напряжения U_вых. Отклонение значения f₀ от номинала может происходить вследствие «ухода» электрических параметров любого из элементов цепочки ЧЗПОС.

На рис.2.16 показан принцип построения устройства задания интервалов времени (таймера).

Рис.2.16. Таймер.

Компаратор производит сравнение двух напряжений: опорного U_оп и напряжения, снимаемого с конденсатора С₁. В момент времени, когда напряжение на конденсаторе С₁ достигнет величины U_оп, выходной сигнал таймера изменяется, например, с «0» на «1». В момент времени, когда ключ Кл₁ размыкается (начало задаваемого интервала времени t_0), начинается заряд конденсатора С₁ током I₀, создаваемым специальным источником стабильного тока. Напряжение на С₁ увеличивается.

В момент времени t₂ (окончание задаваемого интервала времени) напряжение на С₁ достигает величины U_оп, и выходной сигнал таймера изменяется. Задаваемый временной интервал (t₁-t₀) определяется величиной зарядного тока I₀ и емкости конденсатора С₁.

4. Использование конденсаторов для построения делителей напряжения, рис.2.17, и ограничителей тока нагрузки, рис.2.18.

Рис.2.17. Конденсаторный делитель напряжения.

Рис.2.18. Ограничение тока нагрузки с помощью конденсатора.

Работа схем (рис.2.17 и рис.2.18) аналогична соответствующим схемам на резисторах. Разница состоит лишь в том, что:

1) последние схемы работают только на переменном токе;

2) в последних схемах не происходит бесполезной потери мощности на конденсаторах С₁ и С₂, так как ток и напряжение на конденсаторе сдвинуты относительно друг друга на 90° (P = U* I* cos90°).

5. Конденсаторы могут использоваться для построения датчиков угловых и линейных перемещений, уровня жидкости. Возможно определение границы раздела сред с разной диэлектрической проницаемостью и измерение температуры.

Датчики угловых и линейных перемещений представляют собой конденсаторы переменной емкости с механическим управлением (изменяется либо площадь перекрытия пластин, либо расстояние между ними).

Датчики уровня жидкости и определения границы раздела сред строятся на базе погружаемых в жидкость конденсаторов. Емкость погруженного конденсатора, рис.2.19, определяется следующим образом:

,

Где k₁, k₂ – коэффициенты пропорциональности, зависящие от диэлектрических проницаемостей соответствующих сред.

Рис.2.19. Конденсатор, погруженный в жидкость.

Таким образом, например, измеряется уровень керосина в топливных баках самолета (h₂). Керосин имеет значение диэлектрической проницаемости значительно большее, чем диэлектрическая проницаемость воздуха (среда 1), то есть k₂>k₁. Поэтому чем большую емкость имеет датчик, тем больше керосина в баке (среда 2).

С помощью такого емкостного датчика можно определить границу раздела сред, что используется, например, для определения уровня нефтепродуктов в баках и уровня «отстоявшейся» воды, которая собирается на дне емкости и имеет значительно большую диэлектрическую проницаемость.

Для измерения температуры можно использовать специальные термоконденсаторы, емкость которых в значительной степени зависит от температуры.

6. С помощью конденсатора может осуществляться гальваническая развязка в сигнальных цепях при передаче высокочастотного сигнала. При этом высокочастотный сигнал передается через конденсатор малой емкости (единицы пикофарад). Низкочастотные сигналы через такой конденсатор практически не проходят, так как сопротивление конденсатора при С→0 на низких частотах стремится к бесконечности. Через такие разделительные конденсаторы подключаются, например, антенны к входным цепям теле-радиоаппаратуры.

Дата добавления: 2014-01-07