Увеличить емкость конденсатора переменной емкости можно

Как правильно соединять конденсаторы?

У многих начинающих любителей электроники в процессе сборки самодельного устройства возникает вопрос: “Как правильно соединять конденсаторы?”

Казалось бы, зачем это надо, ведь если на принципиальной схеме указано, что в данном месте схемы должен быть установлен конденсатор на 47 микрофарад, значит, берём и ставим. Но, согласитесь, что в мастерской даже заядлого электронщика может не оказаться конденсатора с необходимым номиналом!

Похожая ситуация может возникнуть и при ремонте какого-либо прибора. Например, необходим электролитический конденсатор ёмкостью 1000 микрофарад, а под рукой лишь два-три на 470 микрофарад. Ставить 470 микрофарад, вместо положенных 1000? Нет, это допустимо не всегда. Так как же быть? Ехать на радиорынок за несколько десятков километров и покупать недостающую деталь?

Как выйти из сложившейся ситуации? Можно соединить несколько конденсаторов и в результате получить необходимую нам ёмкость. В электронике существует два способа соединения конденсаторов: параллельное и последовательное.

В реальности это выглядит так:


Параллельное соединение


Принципиальная схема параллельного соединения


Последовательное соединение


Принципиальная схема последовательного соединения

Также можно комбинировать параллельное и последовательное соединение. Но на практике вам вряд ли это пригодиться.

Как рассчитать общую ёмкость соединённых конденсаторов?

Помогут нам в этом несколько простых формул. Не сомневайтесь, если вы будете заниматься электроникой, то эти простые формулы рано или поздно вас выручат.

Общая ёмкость параллельно соединённых конденсаторов:

С1 – ёмкость первого;

С2 – ёмкость второго;

С3 – ёмкость третьего;

СN – ёмкость N-ого конденсатора;

Cобщ – суммарная ёмкость составного конденсатора.

Как видим, при параллельном соединении ёмкости нужно всего-навсего сложить!

Внимание! Все расчёты необходимо производить в одних единицах. Если выполняем расчёты в микрофарадах, то нужно указывать ёмкость C1, C2 в микрофарадах. Результат также получим в микрофарадах. Это правило стоит соблюдать, иначе ошибки не избежать!

Чтобы не допустить ошибку при переводе микрофарад в пикофарады, а нанофарад в микрофарады, необходимо знать сокращённую запись численных величин. Также в этом вам поможет таблица. В ней указаны приставки, используемые для краткой записи и множители, с помощью которых можно производить пересчёт. Подробнее об этом читайте здесь.

Ёмкость двух последовательно соединённых конденсаторов можно рассчитать по другой формуле. Она будет чуть сложнее:

Внимание! Данная формула справедлива только для двух конденсаторов! Если их больше, то потребуется другая формула. Она более запутанная, да и на деле не всегда пригождается .

Или то же самое, но более понятно:

Если вы проведёте несколько расчётов, то увидите, что при последовательном соединении результирующая ёмкость будет всегда меньше наименьшей, включённой в данную цепочку. Что это значить? А это значит, что если соединить последовательно конденсаторы ёмкостью 5, 100 и 35 пикофарад, то общая ёмкость будет меньше 5.

В том случае, если для последовательного соединения применены конденсаторы одинаковой ёмкости, эта громоздкая формула волшебным образом упрощается и принимает вид:

Здесь, вместо буквы M ставиться количество конденсаторов, а C1 – его ёмкость.

Стоит также запомнить простое правило:

При последовательном соединении двух конденсаторов с одинаковой ёмкостью результирующая ёмкость будет в два раза меньше ёмкости каждого из них.

Таким образом, если вы последовательно соедините два конденсатора, ёмкость каждого из которых 10 нанофарад, то в результате она составит 5 нанофарад.

Не будем пускать слов по ветру, а проверим конденсатор, замерив ёмкость, и на практике подтвердим правильность показанных здесь формул.

Возьмём два плёночных конденсатора. Один на 15 нанофарад (0,015 мкф.),а другой на 10 нанофарад (0,01 мкф.) Соединим их последовательно. Теперь возьмём мультиметр Victor VC9805+ и замерим суммарную ёмкость двух конденсаторов. Вот что мы получим (см. фото).


Замер ёмкости при последовательном соединении

Ёмкость составного конденсатора составила 6 нанофарад (0,006 мкф.)

Читайте также:  Камины и аксессуары к ним

А теперь проделаем то же самое, но для параллельного соединения. Проверим результат с помощью того же тестера (см. фото).


Измерение ёмкости при параллельном соединении

Как видим, при параллельном соединении ёмкость двух конденсаторов сложилась и составляет 25 нанофарад (0,025 мкф.).

Что ещё необходимо знать, чтобы правильно соединять конденсаторы?

Во-первых, не стоит забывать, что есть ещё один немаловажный параметр, как номинальное напряжение.

При последовательном соединении конденсаторов напряжение между ними распределяется обратно пропорционально их ёмкостям. Поэтому, есть смысл при последовательном соединении применять конденсаторы с номинальным напряжением равным тому, которое имеет конденсатор, взамен которого мы ставим составной.

Если же используются конденсаторы с одинаковой ёмкостью, то напряжение между ними разделится поровну.

Для электролитических конденсаторов.

При соединении электролитических конденсаторов (электролитов) строго соблюдайте полярность! При параллельном соединении всегда подключайте минусовой вывод одного конденсатора к минусовому выводу другого,а плюсовой вывод с плюсовым.


Параллельное соединение электролитов


Схема параллельного соединения

В последовательном соединении электролитов ситуация обратная. Необходимо подключать плюсовой вывод к минусовому. Получается что-то вроде последовательного соединения батареек.


Последовательное соединение электролитов


Схема последовательного соединения

Также не забывайте про номинальное напряжение. При параллельном соединении каждый из задействованных конденсаторов должен иметь то номинальное напряжение, как если бы мы ставили в схему один конденсатор. То есть если в схему нужно установить конденсатор с номинальным напряжением на 35 вольт и ёмкостью, например, 200 микрофарад, то взамен его можно параллельно соединить два конденсатора на 100 микрофарад и 35 вольт. Если хоть один из них будет иметь меньшее номинальное напряжение (например, 25 вольт), то он вскоре выйдет из строя.

Желательно, чтобы для составного конденсатора подбирались конденсаторы одного типа (плёночные, керамические, слюдяные, металлобумажные). Лучше всего будет, если они взяты из одной партии, так как в таком случае разброс параметров у них будет небольшой.

Конечно, возможно и смешанное (комбинированное) соединение, но в практике оно не применяется (я не видел ). Расчёт ёмкости при смешанном соединении обычно достаётся тем, кто решает задачи по физике или сдаёт экзамены 🙂

Тем же, кто не на шутку увлёкся электроникой непременно надо знать, как правильно соединять резисторы и рассчитывать их общее сопротивление!

КПЕ нетрадиционной конструкции.

В применяемых конденсаторах переменной емкости практически всегда емкость изменяется при изменении взаимно перекрываемых поверхностей пластин, причем меньшее по площади перекрытие соответствует и меньшей емкости. Чаще всего используются КПЕ с воздушным зазором между пластинами. Естественно, при создании высоковольтных конденсаторов приходится увеличивать зазоры между пластинами, уменьшая тем самым емкость между ними. Недостаток емкости приходится компенсировать увеличением количества пластин в наборе, а это в свою очередь увеличивает и минимальную емкость. И никуда не денешься, законы физики не так просто обойти. Но если отойти от общепринятых шаблонов, можно не только увеличить максимальную емкость при тех же размерах и том же пробивном напряжении, но и свести «на нет» минимальную емкость КПЕ. Немаловажно и то, что коэффициент перекрытия по емкости может достигать нескольких тысяч раз!

Особенность КПЕ нетрадиционной конструкции заключается в том, что статор и ротор выполнены не в виде сегментов, а в виде полуцилиндров, а обкладкой между ними служит не воздух, а диэлектрик, например слюда или фторопласт.

Это позволяет при том же рабочем напряжении и габаритах увеличить максимальную емкость, уменьшить минимальную емкость, упростить конструкцию и повысить технологичность сборки в заводских условиях, сократив количество деталей КПЕ до 10. В условиях промышленного производства за счет применения новых диэлектриков, например титаната бария можно изготовить анодный КПЕ для усилителя на ГУ-43, который уместиться в спичечном коробке! Причем механическая прочность и долговечность такого конденсатора будет гораздо выше существующих пластинчатых КПЕ. А технологичность изготовления КПЕ гораздо выше.

Как известно из школьного курса физики емкость конденсатора

Читайте также:  Выбор ибп для котла отопления

вычисляется по простой формуле:

С = ε * S / 4 π * d где

С – искомая емкость конденсатора, ε – относительная диэлектрическая постоянная среды заполняющей пространство между пластинами, S – площадь каждой из металлических пластин(обкладок) конденсатора, π – постоянная, равная 3.14 , d – расстояние между пластинами.

Для КПЕ традиционной конструкции с воздушным зазором между пластинами увеличения максимальной емкости добиваются только одним путем – увеличивая суммарную площадь обкладок пластин – S , увеличивая размеры или количество пластин . Причем чаще всего это приводит и к увеличению минимальной емкости.

А если применить не воздушный, а твердый диэлектрик, можно значительно увеличить максимальную, но, к сожалению, и минимальную емкость КПЕ. Кроме того, это связано с значительными технологическими усложнениями при изготовлении такого конденсатора. Естественно о изготовлении КПЕ общепринятой конструкции в любительских условиях не может быть и речи.

А вот конденсатор нетрадиционной конструкции можно изготовить даже «на коленке».

Вот как он выглядит:

Без каркаса такой конденсатор состоит всего из двух цельно изготовленных деталей: ротора и статора. Как видно из рисунков емкость образуется между двумя боковыми поверхностями полуцилиндров, промежуток между обкладками заполнен диэлектриком с высокой электрической прочностью и большой относительной диэлектрической проницаемостью.

Очевидное снижение площади поверхности по сравнению с КПЕ традиционной конструкции с лихвой компенсируется за счет снижения зазора между поверхностями при применении диэлектрика. Диэлектрики не только повышают электрическую прочность промежутка между обкладками, но и увеличивают емкость конденсатора за счет более высокой относительной диэлектрической проницаемости. Диэлектрик может быть не только твердым или напылённым, но и жидким, а это еще больше расширяет возможности по уменьшению габаритов и увеличению рабочего напряжения. Как видно на рисунке, минимальная емкость такого конденсатора при выведенном роторе будет очень малой, за счет большого расстояния между ротором и статором. Это также увеличивает коэффициент перекрытия по емкости, поскольку в положении максимальной емкости между обкладками находится только диэлектрик с гораздо большим значением относительной диэлектрической проницаемости, чем у воздуха. А в положении минимальной емкости основным диэлектриком является именно воздух.

В приведенной на рисунке конструкции при применении твердых диэлектриков, нанесенных на статор, неизбежно возникнет проблема трения между ротором и диэлектриком, ликвидировать которую можно, немного сместив ось ротора относительно центра. В этом случае контакт между диэлектриком и ротором будет только в одном положении – положении максимальной емкости.

В других положениях зазор будет увеличиваться по мере уменьшения емкости. Величина смещения будет также влиять и на характер изменения емкости в зависимости от угла поворота ротора, поскольку одновременно изменяются две величины – взаимная поверхность и расстояние между обкладками. В отличие от конденсаторов традиционной конструкции эта зависимость может иметь очень большие пределы.

При наличии токарного и фрезерного станков изготовить КПЕ можно так как показано на первом рисунке. В заводских условиях при крупносерийном производстве статор и ротор КПЕ могут быть изготовлены методами штамповки или литья. Причем и ротор и статор могут быть выполнены из дешевых пластмасс, керамики, а рабочие поверхности (обкладки) могут напылятся, наноситься гальваническим или иным способом. В любом случае себестоимость такого конденсатора будет значительно ниже, чем изготовленного по традиционной технологии изготовления конденсатора из пластин.

Может быть выполнен с помощью токарного станка и нехитрого инструмента, причем высокой точности изготовления деталей не требуется.

Статор изгибается из алюминиевого или медного листа как показано на рисунке. Каркас ротора вытачивается из любого диэлектрика (дерево, пластмасса, фторопласт) и после сверления отверстий под шурупы разрезается на 2 части. Затем из медной фольги изгибается ротор и половинки каркаса соединяются между собой шурупами, зажимая отогнутые концы ротора. Вывод ротора делается с помощью контактной шайбы, закрепленной на торце каркаса. Полиэтиленовый вкладыш закрепляется с противоположной обкладке ротора стороны (он будет сохранять цилиндрическую форму) после чего поверх этого «пирога» плотно одевается диэлектрическая трубка. Можно применить термоусадочную трубку подходящего диаметра. После усадки трубка должна выступать за края ротора по 3-5 мм с каждой строны.

Читайте также:  Отделка дымохода снаружи дома

После этого ротор укладывают в «постель» статора и изготавливают каркас конденсатора.

Можно поступить и другим образом. На «постель» статора с перекрытием по 3-5 мм приклеивается фторопластовая лента, на которую укладывается каркас ротора с закрепленной на нем обкладкой, но без диэлектрической трубки. Роль диэлектрика в этом случае будет играть фторопластовая лента, наклеенная на статор.

Каркас конденсатора может состоять из 2-х щечек и 4-х стягивающих их шпилек. Применение подшипников на оси ротора в самодельном конденсаторе не требуется, важно только добиться плотного прилегания ротора к «постели» статора, сохранив вместе с тем легкость вращения оси ротора.

Размеры конденсатора определяются требуемыми максимальной емкостью и рабочим напряжением. Для фторопластового диэлектрика пробивное напряжение составляет не менее 8000 вольт на мм, поэтому для большинства любительских конденсаторов допустимо применение фторопластовой ленты толщиной 0,4 – 0,6 мм.

Расчетная максимальная емкость конденсатора нетрадиционной конструкции с радиусом ротора 30 мм и длиной ротора 100 мм при использовании диэлектрика толщиной 0,5 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 2 и пробивным напряжением 8000 вольт на мм, составляет примерно 300 – 330 пф. Рабочее напряжение такого конденсатора – 3500 Вольт. Расчетная минимальная емкость самодельного КПЕ составляет 12 -15 пф. Минимальная емкость КПЕ, показанного на первом рисунке будет значительно меньше и может составлять единицы пФ.

Как видно, применение даже посредственного диэлектрика при тех же размерах несколько повышает максимальную емкость конденсатора, по сравнению с конденсатором традиционной конструкции. Применение диэлектриков с еще более высокой относительной диэлектрической проницаемостью и электрической прочностью позволяет намного сократить размеры КПЕ нетрадиционной конструкции.

К сожалению, мне не удалось найти справочные данные по параметрам современных диэлектриков, но даже те данные , что сведены в таблицу, позволяет выбрать достаточно неплохие материалы для применения в конденсаторах нетрадиционной конструкции.

Таблица: Диэлектрические проницаемости и электрические прочности(кВ/мм) некоторых диэлектриков

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами постоянной емкости.

Наиболее распространенные в настоящее время конденсаторы постоянной емкости состоят из очень тонких металлических листов (алюми­ниевая фольга) с парафинированной бумажной или слюдяной прослойкой между ними.

Для увеличения емкости (увеличения пло­щади пластин конденсатора) чаще всего берут по нескольку станиолевых листов и соединяют их в две группы, входящие одна в другую и разделенные диэлектриком. Иногда также берут две длинные станиолевые пластины, прокладывают между ними и снаружи парафинированную бумагу и затем свертывают все в компактный пакет или в трубку. Конденсаторы большой ем­кости во многих случаях помещают в металлическую коробку и заливают парафином

Конденсаторы, емкость которых можно менять, называются конденсаторами переменной емкости Наиболее простой конденсатор переменной емкости имеет несколько медных или алюминиевых полудисков, соединенных между собой электрически и укрепленных неподвижно. Другой ряд таких же полудисков собран на общей оси. Между подвижными и неподвиж­ными полудисками имеется воздушный зазор или расположены электрически и укрепленных неподвижно.

Плоский конденсатор представляет собой две плоские пластины, расстояние между которыми d мало по сравнению с их линейными размерами. Это позволяет пренебречь малыми областями неоднородности электрического поля у краев пластин и считать, что все поле однородно и сосредоточено между пластинами. Заряд конденсатора Q — это заряд положительно заряженной пластины.

Емкость плоского конденсатора С:

S — площадь каждой обкладки или меньшей из них, d — расстояние между обкладками, eо — электрическая постоянная, e — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, находящегося между обкладками. Заполнение пространства между пластинами диэлектриком увеличивает емкость в e раз.

Энергия, запасенная заряженным до постоянного напряжения U плоским электрическим конденсатором, равна:

Оставьте ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *