Jak vypočítat požadovanou kapacitu kondenzátoru?

Kondenzátory jsou široce používány v elektrických sítích. Pokud rozeberete několik elektronických zařízení na části a spočítáte je, ukáže se, že kondenzátory se používají mnohem častěji než jiné prvky. Proto je třeba věnovat zvláštní pozornost konstrukci, umístění a principu fungování takových částí.

Co je to kondenzátor?

Kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek umístěných velmi blízko u sebe a oddělených dielektrikem. Přivedení konstantního napětí na desky způsobí tok proudu a na obou krytech se objeví náboje stejné velikosti, ale opačného znaménka: negativní na jednom a pozitivní na druhém. Deaktivace zdroje energie bude mít za následek, že náboj nezmizí okamžitě a ignoruje jev jeho postupného úniku. Pokud jsou pak kryty součástí připojeny k nějaké zátěži, například k blesku, kondenzátor se sám vybije a veškerou energii v něm nahromaděnou vrátí do blesku.

Kondenzátory jsou pasivní součástky, které akumulují elektrický náboj. Tato jednoduchá funkce se používá v různých případech:

• Se střídavým proudem.
• Při konstantním proudu.
• V analogových sítích.
• V digitálních obvodech.

Příklady použití zařízení: synchronizační systémy, tvarování signálu, komunikace, filtrování a vyhlazování signálu, nastavování televizorů a rádií.

Charakteristika kondenzátoru

Hlavní charakteristikou tohoto prvku je kapacita neboli C. Určuje schopnost zařízení sbírat elektrický náboj, závisí na geometrické konfiguraci krytů a na elektrické konstantě dielektrika mezi kryty.

Důležité! Kapacita závisí na typu použitého dielektrika a také na geometrických rozměrech prvku.

Aby bylo možné popsat princip fungování zařízení vzorcem, je nutné pochopit, že se jedná o konstantní úměrnost v rovnici, která představuje vzájemnou závislost nahromaděného náboje q na ploše desek a na potenciální rozdíl V mezi nimi.

Mohlo by vás zajímat Vzorce elektrického proudu

Síla se vyjadřuje v jednotkách nazývaných farady F. V praxi se však používají i menší jednotky, jako jsou mikrofarady a pikofarady.

Pokud je tedy na kondenzátor přivedeno napětí U, elektrický náboj se akumuluje na uzávěrech součásti. Hodnota akumulovaného náboje na každé desce je stejná, liší se pouze znaménkem. Tento proces akumulace elektrického indikátoru se nazývá nabíjení.

Dalším parametrem dílu je jmenovité napětí, a to jeho maximální hodnota, kterou lze přivést do kondenzátoru. Při připojení vyššího napětí dochází k průrazu dielektrika. To způsobí zkrat prvku. Jaká bude hodnota jmenovitého napětí závisí na typu dielektrika a jeho tloušťce.

Důležité! Čím silnější je dielektrikum, tím vyšší jmenovité napětí může odolat.

Dalším parametrem je svodový proud – hodnota vodivého indikátoru, ke kterému dochází při přivedení konstantního napětí na konce prvku.

K čemu se používají kondenzátory?

Elektrárny

Téměř všechna elektronická zařízení mají napájecí zdroj, který přeměňuje střídavý proud přítomný v domácnosti na stejnosměrný proud. Kondenzátory hrají důležitou roli při přeměně střídavého proudu na stejnosměrný, čímž eliminují elektrický šum. Zdroje energie využívají elektrolytické kondenzátory různých velikostí, od několika milimetrů až po několik palců (nebo centimetrů).

Zvukové kryty

Kondenzátory mají mnoho použití v audio zařízení. Blokují DC vstup do zesilovače, čímž zabraňují náhlým zvukům nebo hluku, který by mohl poškodit reproduktory a sluchátka. Tyto části se používají ve zvukových filtrech pro ovládání basů.

Počítače

Digitální obvody v počítačích přenášejí elektronické impulsy vysokou rychlostí. Tyto síťové toky mohou rušit signály z blízkého okruhu, takže návrháři špičkových zařízení používají kondenzátory k minimalizaci rušení.

Jak správně vypočítat kapacitu kondenzátoru?

Nejjednodušším příkladem kondenzátoru je plochý model. Má tvar dvou rovnoběžných krytů z vodiče, mezi kterými je dielektrická vrstva. Abyste věděli, jak vypočítat kapacitu kondenzátorů, musíte použít následující vzorec:

Mohlo by vás zajímat, jaká je jednotka měření proudu?

kde S je plocha povrchu desek a d je vzdálenost mezi nimi. To je zase relativní elektrická permitivita daného dielektrika.

Kondenzátory se zpravidla nepoužívají jednotlivě, ale připojují se k větším systémům. Mohou být zapojeny sériově, paralelně nebo smíšeně.

Důležité! V sériově zapojených prvcích je absolutní hodnota náboje na každé desce identická.

Výsledné napětí se tedy rovná součtu těchto indikátorů na jednotlivých součástech zařízení.

Celková kapacita systému bude určena vzorcem:

1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + …

Při paralelním zapojení je rozdíl potenciálů na každé části stejný. Celkový náboj se tedy bude rovnat součtu nábojů na součástkách kondenzátoru a výsledná kapacita se bude rovnat součtu hodnot jednotlivých jednotek:

Základní vzorce pro kapacitu

Základní výpočet kondenzátoru zahrnuje identifikaci vztahu mezi kapacitou a nábojem drženým na prvku, stejně jako napětí na deskách.

C – kapacita, neboli objem ve Faradech
Q – náboj držený na deskách v coulombech
V – potenciální rozdíl mezi deskami ve voltech

Tato rovnice se používá k výpočtu práce potřebné k nabití kondenzátoru a energie v něm uložené.

W=∫Q0qC dQW=∫0QqC dQ

Důležité! Je nutné vědět, jaký vliv bude mít kondenzátor na jakýkoli obvod, ve kterém pracuje. Zabraňuje nejen průchodu stejnosměrné složky signálového proudu, ale ovlivňuje i případný střídavý signál.

Reakce

Ve stejnosměrném obvodu může být kromě baterie odpor, který odolává proudu v obvodu. Totéž platí pro obvod střídavého proudu s prvkem akumulujícím náboj. Kondenzátor s malou plochou desky umožňuje uložit pouze malé množství náboje, a to zabrání protékání proudu. Kondenzátor má určitou reaktanci a závisí na jeho hodnotě a také na pracovní frekvenci. Čím vyšší frekvence, tím nižší reaktance.

Mohla by vás zajímat tato Definice plus a mínus v elektrotechnice

Skutečnou reaktanci lze vypočítat pomocí vzorce:

Xc = 1 / (2 pi f C)

Xc – kapacitní reaktance v Ohmech.
f – frekvence v Hertzech.
C je kapacita ve Faradech.

Aktuální výpočet

Reaktance kondenzátoru, vypočtená pomocí výše uvedeného vzorce, se měří v ohmech. Proud tekoucí obvodem pak lze vypočítat obvyklým způsobem pomocí Ohmova zákona:

Aktivní a reaktivní odpor

I když aktivní a reaktance jsou velmi podobné. Dokonce i hodnoty obou parametrů jsou měřeny v Ohmech, ale nejsou úplně stejné. V důsledku toho je nelze přímo sčítat. Místo toho je třeba je sečíst „vektorově“. Jinými slovy, musíte každou hodnotu zaokrouhlit a poté je sečíst a vzít druhou odmocninu tohoto čísla:

Tento článek podrobně popsal hlavní součásti, strukturu a princip fungování kondenzátorů a také poskytl základní vzorce určené pro výpočet užitečného objemu zařízení. Pro hlubší pochopení je nutné pečlivě zvážit typy těchto dílů a jejich praktické vlastnosti v různých obvodech a zařízeních.

Pomohl článek? Hodnotit

První prototypy elektrických kondenzátorů byly vynalezeny v předsovětském období. Tehdy sloužily hlavně k zábavě a pseudolékařským účelům. Ale již v té době experimentátoři definovali pojem elektrické kapacity a naučili se ji vypočítat a předpovídat na základě konstrukce kondenzátoru.

Kapacita kondenzátoru

Nejvýznamnějším parametrem tohoto zařízení je jeho kapacita. Závisí na tom jeho rozsah použití, provozní podmínky a účel. Kapacita se měří ve faradech. V domácí literatuře je tento parametr označen písmenem „F“, v zahraniční literatuře „F“. Na samotných elektronických součástkách najdete následující písmenné kódování: pF, nF nebo uF. Označují, že rádiová součástka má kapacitu rovnou 10-12, 10-9 a 10-6 farad. Nedaleko budou i značení s čísly, která fungují jako násobitel, tzn. 2,2uF = 2,2*10-6 farad.

Další informace. Záporná mocnina deseti často působí potíže i zkušeným specialistům. Pro snadný převod jednotek měření můžete vždy použít online kalkulačku kondenzátorů. Také pro výpočet kapacity stávajícího dílu je vhodný digitální multimetr s příslušným režimem měření.

Samotný kondenzátor je dvojice kovových desek. Jejich příčné rozměry by měly být mnohem větší než vzdálenost mezi nimi. Uprostřed desek je umístěna dielektrická vrstva. Během provozu zařízení je na jeho svorky přiváděno napětí. V důsledku toho se elektrony snaží pohybovat, ale nemohou překonat dielektrikum, a proto se mezi deskami hromadí určitý elektrický náboj. Měří se v coulombech. Schopnost kondenzátoru akumulovat elektrický náboj se nazývá jeho kapacita. Pokud vezmeme v úvahu analogii s nádobou na kapalinu, pak je to její objem.

Variabilní kondenzátory

Zpočátku měli lidé dost výše popsaných kondenzátorů z dvojice desek. Poté bylo vyvinuto toto zařízení. Začala se objevovat zařízení ve formě koulí, kotoučů a válců. To bylo nutné pro zvýšení kapacity kondenzátoru C, protože to primárně souvisí s plochou desek S a vzdáleností mezi nimi d. To je jasně vidět ze vzorce. Používá se k výpočtu kapacity kondenzátoru.

Postupem času tyto nestandardní geometrické tvary přestaly uspokojovat potřeby experimentátorů. Proto byla vyvinuta nová zařízení s proměnnou kapacitou. Mají pohyblivé desky. To vám umožní snadno změnit oblast jejich vzájemného průniku, a tím ovlivnit hodnotu kapacity kondenzátoru. Nejběžnějším a nejznámějším příkladem tohoto elektronického zařízení je oscilační obvod v rádiu. Všichni lidé alespoň jednou seřizovali přijímač. Právě tento „zkroucení“ je variabilní kondenzátor. Když se otáčí, mění se kapacita a podle toho se mění rezonanční frekvence oscilačního obvodu rádiového přijímače. To zase naladí rádio na jinou stanici.

Vzhled proměnného kondenzátoru

Charakteristika kondenzátoru

Kromě kapacity existují další parametry a charakteristiky kondenzátorů. Nejdůležitější z nich jsou:

• Jmenovité napětí;
• typ kondenzátoru;
• přípustná odchylka jmenovité hodnoty;
• ekvivalentní sériový odpor (ESR);
• polarita;
• a více než tucet dalších méně důležitých vlastností.

Je přísně zakázáno překračovat provozní napětí kondenzátoru. V ideálním případě je lepší vybrat nádobu s rezervou napětí 1,5-2krát.

Elektrické nádoby jsou vyrobeny z obrovské škály různých materiálů: hliník, tantal, keramika a mnoho dalších. V důsledku toho existuje široká škála těchto zařízení: elektrolytická, filmová, „vlajky“, porcelán, polymer atd.

V některých obvodech je důležité použít přesnou kapacitu, v jiných je přijatelná významná odchylka tohoto parametru. Proto se kondenzátory dodávají s různými povolenými chybami: od +/-20 % až do +/-0,05 %.

ESR (ekvivalentní sériový odpor) je relativně nový koncept. Udává vnitřní odpor kondenzátoru v kontextu střídavého a pulzního proudu.

Elektrolytické kondenzátory mají polaritu, to znamená, že při jejich připojování je třeba vzít v úvahu, kde je „+“ a kde je „-“. Většina ostatních zařízení pro ukládání náboje tuto vlastnost nemá.

Další informace. Vysokou úroveň ESR kondenzátorů v žárovce s LED lze posoudit podle jejího blikání. LED lampa s pracovními nádobami by měla poskytovat nepřetržité světlo.

Zapojení kondenzátorů

Kondenzátor sám o sobě často nestačí. Proto je nutné takové elektronické součástky sdružovat do skupin, tzv. baterií. Tímto spojením je mnoho kontejnerů navzájem spojeno, aby se získal nový s různými vlastnostmi.

Existují 2 hlavní způsoby připojení dílů:

1. konzistentní;
2. paralelní.

Sériové zapojení kontejnerů

U tohoto typu spojení je mnoho dílů seřazeno v dlouhém řetězci (ze dvou nebo více kusů). Nejčastěji se v praxi používají kombinace 2-5 dílů. Každý předchozí je spojen s dalším. Výsledkem je dlouhý řetěz, připomínající auta ve vlaku.

Zapojením kondenzátorů do série se sníží jejich celková kapacita. To je způsobeno skutečností, že tloušťka dielektrika mezi deskami zařízení se zvyšuje, zatímco plocha jejich průsečíku zůstává nezměněna (viz vzorec výše). Jak vypočítat celkovou kapacitu kondenzátoru při sériovém zapojení najdete ve vzorci níže.

Kapacita sériových kondenzátorů

Ve skutečnosti se takové zapojení používá k získání nové hodnoty kapacity, ale takový kondenzátor prostě není komerčně dostupný. Například, pokud máte dva prvky s nominální hodnotou 10 uF každý a zapojíte je do série, můžete získat celkovou kapacitu 5 uF.

Příklad sekvenčního výpočtu

Další vlastností sériového zapojení je zvýšení celkového napětí. Pokud vezmete 2 nádoby po 200 V a zapojíte je popsaným způsobem, bude konečné napětí baterie 200 + 200 = 400 voltů.

Paralelní připojení

Při paralelním spojování dílů se všechny levé (podmíněné) vývody kontejnerů spojí do jedné. Stejné je to s pravicí. Pokud jsou kondenzátory elektrolytické, pak jsou všechny plusy spojeny dohromady, stejně jako všechny mínusy. Výsledkem je velká sestava dílů pouze se dvěma svorkami.

Paralelní zapojení kondenzátorů

Toto spojení již znamená přidání kontejnerů, protože celková plocha interagujících desek se zvyšuje. V tomto případě maximální napětí, které lze na tuto baterii použít, nepřesahuje hodnotu prvku s nejnižším napětím. Výpočet kondenzátoru, konkrétně jeho kapacity, je v tomto případě proveden pomocí následujícího výrazu.

Kapacita paralelně zapojených kondenzátorů

Metoda se používá, když z mnoha prvků s nízkou kapacitou potřebujete získat jeden, ale s vysokou. Příklad použití takového spojení lze nalézt ve fragmentu schématu jednoho z oblíbených svařovacích invertorů. Je zobrazen níže. Z obrázku je vidět, že je paralelně použito 6 elektrolytických kondenzátorů, které jsou umístěny hned za diodovým usměrňovačem. Každý z nich je 400V 470uF. Výsledkem je, že celková kapacita výsledné baterie je 470 * 6 = 2820 mikrofaradů. Výše uvedený výpočet lze vždy provést ve specializované internetové kalkulačce. Špičkové napětí, které je aplikováno na tuto sestavu, by nemělo překročit 400 voltů. Tato hodnota se bere s rezervou přibližně 30 %, protože ve skutečnosti v této jednotce svářečky je efektivní napětí 300 V.

Fragment schématu svařovacího stroje

Další informace. Kondenzátory na vstupu výkonných zařízení se často používají jako filtry šumu a součástky pro kompenzaci jalového výkonu. Taková opatření mohou zlepšit kvalitu síťového napětí a chránit zařízení před krátkodobými přepětími.

Výběr kondenzátoru pro elektromotor

Chcete-li napájet motor 380 V z jednofázové sítě 220 V, musíte pro něj vybrat pracovní kondenzátor. Pokud výkon motoru překročí přibližně 1,5 kW, bude zapotřebí startovací nádrž.

Důležité! Takové obvody jsou vhodnější pro spouštění motorů s malým mechanickým zatížením hřídele (například ventilátory). Pro vážnější jednotky je lepší použít plnou třífázovou síť.

Samotný výběr pracovního kondenzátoru je velmi komplikovaný. Je zjednodušené a výkonné předpokládat, že jeho kapacita Cp by měla být 70 uF na každý 1 kW motoru. To znamená, že pokud je výkon motoru 400 W, bude zapotřebí kondenzátor 28 uF.

Kapacita pro spuštění motoru Cn by měla být přibližně o 2,75 větší než pracovní. V tomto případě, když motor dosáhne volnoběžných otáček, musí být startovací kondenzátor vyřazen z obvodu kontakty B2.

Provoz motoru od 220 V

Praxe ukazuje, že výpočet kapacit není tak složitá záležitost. Tyto znalosti vyžadují lidé, jejichž profese nějak souvisí s elektřinou, zejména elektrotechnici. Specialisté proto potřebují přesně vědět, jak a který kondenzátor je vybrán pro konkrétní účely.