Примеры применения конденсаторов

Требования к электрическим свойствам конденсатора зависят от его назначения в электрической схеме. Приведем несколько характерных примеров использования конденсаторов в электрических схемах.

На рис.2 показана так называемая емкостная связь между двумя цепями А и В. Назначение конденсатора здесь состоит в том, чтобы препятствовать прохождению постоянного тока (идеальный конденсатор с R_из = ∞ представляет собой разрыв цепи постоянного тока) и в то же время обеспечить беспрепятственное прохождение переменной составляющей сигнала. Конденсаторы с такой функцией называют разделительными.

Рис. – Разделительный конденсатор

В разделительных цепях главной задачей является минимизация импеданса конденсатора в полосе рабочих частот. Если исходить из свойств идеального конденсатора, импеданс которого определяется известным соотношением:

,

то для его уменьшения необходимо использовать конденсатор с большим значением емкости С. Однако, действуя подобным образом, мы рискуем получить диаметрально противоположный результат. Как следует из формулы , при увеличении емкости конденсатора уменьшается его резонансная частота . Для керамических конденсаторов большой емкости эти зависимости приведены на рис..

Рис. – Зависимости импеданса конденсатора от емкости

Как только по мере увеличения емкости конденсатора его резонансная частота окажется меньше полосы рабочих частот, дальнейшее увеличение емкости приведет к ухудшению частотных характеристик устройства. Для того чтобы избежать этого, увеличивать емкость разделительной цепи следует не за счет применения конденсатора большой емкости, а за счет параллельного включения нескольких конденсаторов. В этом случае общая емкость увеличивается пропорционально числу параллельно включенных конденсаторов, а паразитные сопротивления и индуктивность уменьшаются во столько же раз (см. рис.).

Рис. –Импедансные характеристики параллельно включенных конденсаторов

В результате резонансная частота остается без изменения, а импеданс разделительной цепи уменьшается.

Если требуется уменьшить импеданс разделительной цепи, работающей в широком диапазоне частот, то возможно параллельное включение конденсаторов с различной емкостью, так чтобы резонансные частоты параллельно включенных конденсаторов были равномерно распределены по всей рабочей полосе. Для уменьшения неравномерности характеристики импеданса, неизбежно возникающей при таком включении, рекомендуется использовать конденсаторы с величиной добротности не менее 5, а также увеличить число параллельно включенных конденсаторов с различной величиной емкости.

При включении конденсатора, показанного на рис.3, он служит фильтром переменной составляющей напряжения и, кроме того, позволяет сгладить изменения постоянного напряжения: любое резкое изменение напряжения не проходит из цепи А в цепь В. Учитывая, что реактивное емкостное сопротивление X_c=1/(2πfC), для выполнения указанных функций конденсатор должен обладать большой емкостью и/или способностью работать на высоких частотах. Кроме того, очевидно, что конденсатор должен "выдерживать" приложенное к нему напряжение, т.е. обладать достаточно высоким номинальным напряжением.

Рис. – Конденсатор в качестве фильтра

На рис.4 представлена схема включения энергонакопительного конденсатора. Разомкнутое положение переключателя К соответствует режиму зарядки конденсатора, а замкнутое – режиму разрядки конденсатора на нагрузку. В случае индуктивной нагрузки и соответственно образования колебательного контура в разрядной цепи будет протекать периодически (рис.5) либо апериодически меняющийся со временем ток в зависимости от соотношения C, L и R. Условием периодического изменения тока со временем является R²/(4L²)<1/(LC).

Рис. – Конденсатор в качестве накопительного

Рис. –Зависимости напряжения () на конденсаторе и тока(), протекающего

через конденсатор, в процессе разряда в случае индуктивно-активной нагрузки

Ясно, что для такого применения конденсаторов важнейшим параметром является удельная энергия конденсатора W_уд и соответственно высокие диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность рабочего материала.

На все это накладывается стремление к миниатюризации элементной базы радиоэлектронной аппаратуры, что применительно к конденсаторам означает необходимость в первую очередь достижения заданной не только номинальной, но и удельной емкости (заряда).

Для конденсаторов, предназначенных для использования в резонансных колебательных контурах устройств радиосвязи, принципиальное значение имеет минимальное значение тангенса угла потерь (высокая добротность контура) и высокая стабильность емкости в рабочем диапазоне температур и частот.