Урок 28. электрическая ёмкость. конденсатор – Физика – 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 28. Электрическая ёмкость. Конденсатор

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Электрическая ёмкость
2. Плоский конденсатор
3. Энергия конденсатора

Глоссарий по теме:

Конденсатор – устройство для накопления электрического заряда.

Электроёмкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда, одного из проводников конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Под зарядом конденсатора понимают модуль заряда одной из его обкладок.

Последовательное соединение – электрическая цепь не имеет разветвлений. Все элементы цепи включают поочередно друг за другом. При параллельном соединении концы каждого элемента присоединены к одной и той же паре точек.

Смешанное соединение – это такое соединение, когда в цепи присутствует и последовательное, и параллельное соединение.

Энергия конденсатора прямо пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля внутри его:

Для любых конденсаторов энергия равна половине произведения электроёмкости и квадрата напряжения.

Основная и дополнительная литература по теме:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 321-330.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. С. 97-100.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Конденсатор при переводе с латиницы означает, то что уплотняет, сгущает – устройство, предназначенное для накопления зарядов энергии электрического поля. Конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга. Главной характеристикой этого прибора, является его электроёмкость, которая зависит от площади его пластин, расстояния между ними и свойств диэлектрика.

Заряд конденсатора определяется – модулем заряда на любой одной из её обкладок. Заряд конденсатора прямо пропорционален напряжению между обкладками конденсатора. Коэффициент пропорциональности С называется электрической ёмкостью, электроёмкостью или просто ёмкостью конденсатора.

Электрической ёмкостью конденсатора называется физическая величина, которая численно равна отношению заряда, одного из проводников конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Чем больше площадь проводников и чем меньше пространство заполняющего диэлектриком, тем больше увеличивается ёмкость обкладок конденсатора.

Измеряется электрическая ёмкость в Международной системе СИ в Фарадах. Эта единица имеет своё название в честь английского физика экспериментатора Майкла Фарадея который внёс большой вклад в развитие теории электромагнетизма. Один Фарад равен ёмкости такого конденсатора, между пластинами которого возникает напряжение, равное одному Вольту, при сообщении заряда в один Кулон.

Электрическая ёмкость конденсаторов определяется их конструкцией, самыми простыми из них являются плоские конденсаторы.

Чем больше площадь взаимного перекрытия обкладок и чем меньше расстояние между ними, тем значительнее будет увеличение ёмкости обкладок конденсатора. При заполнении в пространство между обкладками стеклянной пластины, электрическая ёмкость конденсатора значительно увеличивается, получается, что она зависит от свойств используемого диэлектрика.

Электрическая ёмкость плоского конденсатора зависит от площади его обкладок, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками и определяется по формуле:

где – электрическая постоянная.

Для того чтобы получить необходимую определённую ёмкость, берут несколько конденсаторов и собирают их в батарею применяя при этом параллельное, последовательное или смешанное соединения.

Параллельное соединение:

q = q₁ + q₂ + q₃

u = u₁ = u₂ = u₃

с = с₁+с₂+с₃

с = n∙с

Последовательное соединение:

q = q₁ = q₂ = q₃

u = u₁ + u₂ + u₃

Энергия конденсатора равна половине произведения заряда конденсатора напряжённости поля и расстояния между пластинами конденсатора: u = Еd

Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин, это поле совершает положительную работу.

При этом энергия электрического поля уменьшается:

Для любых конденсаторов энергия равна половине произведения электроёмкости и квадрата напряжения:

Примеры и разбор решения заданий:

1. Плоский конденсатор, расстояние между пластинами которого равно 3 мм, заряжен до напряжения 150 В и отключен от источника питания. Разность потенциалов между пластинами возросла до 300 В.

1. Во сколько раз увеличилась разность потенциалов между пластинами?
2. Какое расстояние между пластинами конденсатора стало после того, как пластины были раздвинуты?
3. Во сколько раз изменилось расстояние между пластинами.

Решение:

Электрическая ёмкость конденсатора определяется по формуле:

1.По условию разность потенциалов увеличилось в два раза. U₁ = 150В→ U₂ = 300В.

2.По условию d = 3 мм, если разность потенциалов увеличилось в два раза, по формуле соответственно и расстояние между пластинами увеличилось в два раза, и d =2·3 мм = 6 мм.

3.Расстояние между пластинами увеличилось в два раза.

Ответ:

1. 2

2. 6мм

3. 2

2. Конденсатор электроёмкостью 20 мкФ имеет заряд 4 мкКл. Чему равна энергия заряженного конденсатора?

Дано: С = 20 мкФ = 20 · 10^-6 Ф, q = 4 мкКл = 4·10^-6 Кл.

Найти: W.

Решение:

Энергия заряженного конденсатора W через заряд q и электрическую ёмкость С определяется по формуле:

Ответ: W = 0,4 мкДж.

Программа для определения емкости конденсатора по цифровой маркировке

Данная программа позволяет оперативно определить емкость конденсатора по цифровой маркировке. Определение емкости конденсатора выполняется в соответствии со стандартами IEC по таблице 1. Сам принцип определения емкости конденсатора показан на рис.1.

Таблица 1

Рис.1 – Определение емкости конденсатора

Рассмотрим на примере определение емкости конденсатора по цифровой маркировке с помощью данной программы. Выберем конденсатор с цифровой маркировкой 104, для данного конденсатора в соответствии с таблицей 1 и представленным методом определения емкости (см.рис.1), емкость составит: 104 = 10 х 104 = 100000 pF = 100 nF = 0,1 µF, для цифровой маркировки 330, емкость составит: 330 = 33 pF = 0,033 nF = 0,000033 µF. Как мы видим, программа правильно определяет емкость конденсатора по цифровой маркировке.

Если же Вам нужно определить емкость конденсатора по цветовой маркировке, воспользуйтесь программой «Конденсатор v1.2».

Всего наилучшего! До новых встреч на сайте Raschet.info.

конденсатор по цифровой маркировке, определить емкость конденсатора по цифровой маркировке, определить емкость по цифровой маркировке, программа определения емкости по цифровой маркировке

Поделиться в социальных сетях

Благодарность:

Если вы нашли ответ на свой вопрос и у вас есть желание отблагодарить автора статьи за его труд, можете воспользоваться платформой для перевода средств «WebMoney Funding» и «PayPal».

Данный проект поддерживается и развивается исключительно на средства от добровольных пожертвований.

Проявив лояльность к сайту, Вы можете перечислить любую сумму денег, тем самым вы поможете улучшить данный сайт, повысить регулярность появления новых интересных статей и оплатить регулярные расходы, такие как: оплата хостинга, доменного имени, SSL-сертификата, зарплата нашим авторам.

Емкость конденсатора – Справочник химика 21

    I. Приготовить несколько разбавленных растворов полярного вещестьа в неполярном растворителе. 2. Измерить емкость конденсатора, заполненного растворителем и каждым из приготовленных растворов. 3. Рассчитать диэлектрическую проницаемость каждого из растворов, используя табличное значение диэлектрической проницаемости растворителя, взятое из справочника при той же температуре, при которой производились измерения емкости. 4. Измерить плотности растворов всех концентраций при той же температуре, при которой были измерены емкости. 5. Рассчитать по уравнению (И,22) поляризацию растворенного веш,ества. 6. Построить график зависимости поляризации растворенного вещества от концентрации раствора и экстраполировать завпсимость до предельного разбавления. 7. Определить показатель преломления растворенного вещества и вычис лить молярную рефракцию. 8. Рассчитать по уравнению (И, 17) ди польный момент растворенного вещества. [c.99]
    Один из методов установления электрического момента диполя молекул основан на измерении диэлектрической проницаемости веществ при разных температурах. Для этого вещество в виде газа или разбавленного раствора в неполярном растворителе помещают между обкладками конденсатора. При этом емкость конденсатора увеличивается в е раз (е—диэлектрическая проницаемость). Если емкость конденсатора в вакууме обозначить С , а емкость с веществом С, то [c.156]

    Возрастание емкости конденсатора (за счет уменьшения силы электрического поля в е раз) обусловливается тем, что энергия тратится на деформационную поляризацию молекул и их ориентацию в поле.  [c.156]

    Здесь Л/ —мольная масса р —плотность е —диэлектрическая постоянная (равна отношению емкости конденсатора С, между пластинами которого находится данное вещество, к емкости Со того же конденсатора, когда между его пластинами — глубокий вакуум). 

[c.68]

    Емкость конденсатора связывает его заряд с разностью потенциалов между обкладками. Мы рассматриваем двойной электрический слой на поверхности электрода как конденсатор и относим емкость двойного слоя и его заряд к 1 поверхности электрода Тогда связь между С — удельной емкостью двойного слоя, в — плотностью его заряда и скачком потенциала получает такой вид  [c.538]

    Генератор А р к у с — обеспечивает широкий интервал электронно-управляемых режимов дуги переменного и униполярного тока с частотой следования разрядов 20 33,3 и 100 с (для дуги переменного тока) и 10 12,5 16,6 25 и 50 С (для униполярной дуги). Фаза поджига имеет три фиксированные значения — 60, 90 и 120°. Сила тока дуги может изменяться от 1 до 16 А при наличии внутреннего реостата и до 30 А с внешним реостатом. Емкость конденсатора в режиме низковольтной искры равна 40 мкф. [c.63]

    Тела, которые совсем не проводят электрического тока (воздух, стекло, смола, сера, резина, эбонит и т. д.) или проводят его слабо, называются непроводниками электричества, или диэлектрическими. Опыты показывают, что при употреблении какого-либо твердого или, жидкого диэлектрика в качестве изолирующего вещества емкость конденсатора при прочих равных условиях больше, нежели при изоляторе — воздухе. [c.56]

    Диэлектрическая проницаемость характеризует электромагнитные свойства среды. В численном выражении величина диэлектрической проницаемости определяется отношением емкостей конденсатора в диэлектрике с и вакууме Со [c.75]

    Величина С выражает емкость конденсатора, который при разности потенциалов между обкладками Va несет заряд, равный заряду двойного слоя.  [c.167]

    Жидкость II газ после продувки технологической аппаратуры и все другие сбросы газа и жидкости при работе и остановке оборудования должны собираться в продувочную емкость-конденсатор, соединенную с факелом для сжигания газа. При наличии в аппаратах и трубопроводах газового конденсата проводить продувку непосредственно в атмосферу не допускается. [c.100]

    Принцип действия датчика давления следующий. Давление на выходе исследуемого образца фиксируется уровнем жидкости в пьезометрической трубке. С изменением давления меняется уровень жидкости, что приводит к изменению емкости цилиндрического конденсатора, образованного электродами 3 -а 6. Изменение емкости конденсатора вызывает расстройку анодного контура частотного преобразователя 2, на выходе которого изменяется сигнал постоянного тока, поступающего на выход самопишущего прибора 1. В качестве самопишущего прибора использован самопишущий миллиамперметр типа Н37 с классом точности 0,5.  [c.133]

    Со — емкость конденсатора в вакууме. [c.530]

    Измерение диэлектрической проницаемости растворов сводится к определению емкости конденсатора, заполненного воздухом или другим веществом с известной диэлектрической проницаемостью и исследуемым веществом. Как известно из курса физики, емкость плоского или цилиндрического конденсатора при площади обкладок 5 и расстоянии между ними с1 выражается соотношением [c.332]

    Iq — зарядный ток, обусловленный емкостью конденсатора, чисто реактивный ток  [c.532]

    Возможно и другое определение понятия диэлектрическая проницаемость , вполне равноценное приведенному определению. Именно диэлектрическую проницаемость вещества можно определить как число, выражающее отношение величины емкости конденсатора, заполненного данным веществом, [c.398]

    Определение диэлектрической проницаемости проводили в растворах криоскопического бензола. Непосредственно измеряемой величиной была емкость конденсатора, наполненного криоско-пическим бензолом — Со и наполненного раствором асфальтенов в криоскопическом бензоле — С. Диэлектрическую проницаемость рассчитывали по формуле [c.34]

    Емкость конденсатора, заполненного жидкостью, измеряли автоматическим мостом переменного тока Р-589. Во всех случаях наблюдали следующее распределение диэлектрических проницаемостей (по убыванию) раствор металлопорфириновых комплексов, извлеченных из асфальтенов раствор асфальтенов раствор асфальтенов, лишенных порфиринов. Сравнение величины Ае/С асфальтенов (рис. 14) с этой же величиной самых полярных фракций смол, изученных автором [169], показывает, что полярность асфальтенов гораздо выше. Этим можно объяснить высокую меж-фазную активность асфальтенов. [c.34]

    Диэлектрическую проницаемость рассчитывают, исходя из электростатической емкости конденсатора, а не по величине индуцированного заряда Р. [c. 316]

    Кроме величин ей или момента е /4л = е8 двойной слой можно также характеризовать его электрической емкостью С, которая эквивалентна емкости конденсатора плош адью 1 см и определяется соотношением [c.151]

    Эту величину можно сравнительно легко и точно измерить методом, подобным тому, который используют при измерении емкости конденсаторов. Теория Гуи—Чепмена позволяет рассчитать С путем дифференцирования поверхностного заряда по потенциалу диффузного слоя, исходя, например, из (5.31). Для оценки С можно воспользоваться более простым выражением (5.32), справедливым для малых Фо- Это дает [c.151]

    Таким образом, емкость конденсатора пропорциональна диэлектрической проницаемости [c.332]

    Затем опускают конденсатор в исследуемую жидкость, обеспечивая достаточную глубину погружения, и фиксируют бюкс с жидкостью с помощью поворотного столика и крепежного винта. Измеряют емкость конденсатора. [c. 333]

    Второй эффект, обусловливающий возрастание емкости конденсатора, проявляется для полярных молекул, т. е. молекул, обладающих постоянным дипольным моментом [г. Электрическое поле стремится ориентировать молекулы соответствующими концами диполя в направлении положительной и отрицательной обкладок конденсатора. Этот эффект называют ориентационной поляризацией Р . Она тем значительнее, чем больше р,. Ориентационная поляризация зависит от температуры, так как нагревание, усиливая тепловое движение молекул, препятствует их ориентации. [c.189]

    Возрастание емкости конденсатора определяется полярностью и поляризуемостью молекул, т. е. зависит от постоянного ц и наведенного р, д дипольных моментов молекул. Изменение Р с температурой обусловлено изменением Р , т. е. в конечном счете величиной х. [c.189]

    Оно выражает линейную зависимость поляризации вещества от абсолютной температуры. Если измерить емкость конденсатора с изучаемым веществом (а следовательно, и е) при разных температурах п построить график зависимости Р от 1/Т, то получится прямая. По наклону прямой (В) можно найти дипольный момент (в О) из выражения [c.190]

    Для определения диэлектрической проницаемости среды можно воспользоваться измерением емкости конденсатора, которая ирямо пропорциональна диэлектрической проницаемости. Емкость конденсатора с плоскопараллельными электродами определяется по уравнению [c.95]

    Соотношение емкостей конденсатора, заполненного разными диэлектриками, равно соотношению их диэлектрических проницаемостсп [c.95]

    Добиться максимального отклонения стрелки вращением лимба отсчет по стрелочному прибору. 6. Увеличить чувствительность прибора поворотом рукоятки Чувствительность по часовой стрелке. При этом показание миллиамперметра должно уменьшаться, а чувствительность возрастать. 7. Вновь настроить рукояткой отсчег Сд иа максимальное иоказание миллиамперметра. 8. Увеличить по возможности отклонение стрелки прибора и опять добиться максимального отклонения стрелки прибора рукояткой компенсация потерь . 9. Произвести отсчет по барабану и лимбу. Измеряемая емкость равна сумме показаний на лимбе и на барабане. Полученную величину умножить на показание переключателя множитель . 10. Измерить емкость конденсатора (в пикофарадах), заполненного эталонной жидкостью с известным значением диэлектрической проницаемости и исследуемой. И. Измерить емкость конденсатора с эталонной и с исследуемой жидкостью нри четырех-няти температурах. 12. Вычислить дипольный момент по уравнениям (И,15) и (11,16). [c.96]

    К рассматриваемому классу относятся также зонды, состоящие из двух небольших металлических пластин, образующих конденсатор и соединенных с наружным регистрирующим устройством Так как твердые частицы и ожижающий агент имеют различные диэлектрические свойства, то емкость конденсатора зависит от концентрации твердых частиц между пластинами. В отличие от описанного выше светового датчика, являющегося, по существу, двухпоаициопным устройством, мощность сигнала от емкостного датчика связана (хотя и несколько неопределенно) с массой твердых частиц между пластинами, что позволяет непрерывно измерять их концентрацию.  [c.124]

    Дипольные моменты обычно определяют экспериментально, измеряя диэлектрическую проницаемость е веществ при различных температурах. Если вещество поместить в электрическое поле, создаваемое конденсатором, то емкость последнего возрастает в г раз, т. е. г = с1со (где Со и с — емкость конденсатора в вакууме и в среде вещества). [c.71]

    На пилотной установке непрерывного действия колонного типа (рис. 97) можно получать дорожные, строительные, кровельные и специальные битумы разных марок, изучать влияние природы сырья и параметров режима окисления на свойства битумов. Ее основные аппараты резервуары для сырья емкостью 2 л (диаметр 210 мм, высота 260 мм) трубчатый подогреватель из стальных труб длиной 1500 мм, внутренним диаметром 6 мм с электрообогревом окислительная колонна диаметром 80 мм, высотой 1000 мм с тремя боковыми отводами для отбора проб битума, ])асположепными па выоте 300, 600 и 900 мм от днища колонны напорная емкость конденсатор-холодильник для конденсации и охлаждения паров и газообразных продуктов окисления приемник для конденсата (отдува) приемник для битума (на схеме пе показан).  [c.277]

    Во время проведения эксперимента контролируется изменение толщины пленки нефти на поверхности металлической сферы, опущенной ниже границы раздела нефть — вода. Исследуемые жидкости помещены в металлический стакан. Измерение емкости конденсатора, одной обкладкой которого служит поверхность сферы, а другой — граница раздела нефть — вода, производится емкостным мостом. Течение пленки возникает под действием архимедовых сил и отражается в изменении средней толщины пленки при выдавливании ее в основной объем нефти. При малом зазоре между обкладками конденсатора связь измеряемой величины емкости со средней толщиной пленки выражается следующей формулой [10]  [c.52]

    Величину Сд можно найти с помощью уравнения (ХХУП1. 16) путем измерения емкости конденсатора с воздухом (Свозд) и со стандартной жидкостью, точное значение диэлектрической проницаемости которой известно. [c.332]

    Таким образом, определение диэлектрической проницаемости сводится к измерению емкости конденсатора с воздухом (Свозд), со стандартной жидкостью (С]) (например, бензолом, диэлектрическая проницаемость которого составляет 2,27 при 25 °С) и, наконец, с исследуемой жидкостью (раствором) — С.  [c.332]

    После настройки контуров присоединяют параллельно анодному контуру конденсатор, емкость которого необходимо измерить (Сх). Условие резонанса будет нарушено, и миллиамперметр покажет отсутствие переменного тока. Вращая ручку настройки переменного конденсатора, вновь восстанавливают состояние резонанса. Тогда, зная емкость переменного конденсатора до и после присоединения С , по разности находят емкость исследуемого конденсатора. Обычно для этой цели специально градуируют переменный конденсатор и строят градуировочную кривую зависимости емкости конденсатора от угла поворота ручки настройки. По этому графику находят измеряемую емкость. В качестве индикатора резонанса в таком приборе может быть использован оптический индикатор настройки, (например лампа 6Е5С). Наименьшая ширина теневого сектора на светящемся экране индикатора отвечает максимальному току в колебательном контуре (резонанс). [c.334]

---

Формула для определения емкости конденсатора

Определение емкости конденсатора по маркировке

Практически каждая электрическая схема, включает в себя различные элементы, которые определяют ее назначение и правильность работы. Помимо разнообразных резисторов и транзисторов, схемы включают себя конденсаторы.

Конденсаторы классифицируют по следующим параметрам:

• Назначение;
• Защита от внешних факторов;
• Изменение емкости;
• Способ монтажа.

Конденсаторы служат для изменения работы электрического тока в данном участке цепи. В отличие от резисторов, маркировка конденсаторов более разнообразна. Их различают по форме (цилиндрические, плоские), по материалу (электролитические, керамические (СМД – SMD), пленочные), и их не сложно отличить.

Единицей принятой для измерения емкости, является фарад – Ф. Существует несколько видов маркировки: uF, mF – 1мкФ (один микрофарад), что равно 10^-6, nF – 1 нанофарад – 10^-9, pF – mmF – uuF – (пикофарад) – 10^-12.

И для того, чтобы определить емкость конденсатора необходимо прочесть маркировку нанесенную на его корпус. Так же стоит учитывать, что маркировка может отличаться от привычных значений. Например, при обнаружении на конденсаторе значения MF, не будет являться (мегафарадом), данное значение соответствует (кикрофарад). Еще одним отличием может быть маркировка в виде (fd), что означает только наименование (фарад).

На некоторые виды конденсаторов наноситься маркировка для обозначения допуска (значение допустимого отклонения от номинального значения емкости). Предположим, маркировка конденсатора представляет собой – 5000 uF (-50%+50%). И если посчитать, то это значит, что допустимое отколонение от номинальной емкости составляет – 5000 + (5000х0,5) = 7500, и 5000 – (5000:0,5) = 2500.

В случаях, когда проценты не указываются, допустимое отклонение определяется буквой или цифрой идущей после числового ряда.

Так же, к маркировке емкости конденсаторов относят один важный параметр как допустимое рабочее напряжение, которое обозначается в виде букв – V, DVC. Данное значение является максимальным рабочим напряжением для конденсатора.

Для полярных конденсаторов используют обозначения для контактов (анод и катод). Если такой маркировки на конденсаторе нет, значит он не поляризован.

Емкость конденсатора: как померить самостоятельно

Бывают ситуации, когда маркировка на конденсаторе совершенно не читаема, или просто отсутствует. Но вам необходимо узнать его емкость. Существуют различные методы расчетов и вычислений, но самым точным является способ с использованием мультиметра.

Данный способ поможет узнать:

• Емкость;
• Нет ли короткого замыкания;
• Обрыва цепи.

Выполненные из различных материалов и в разнообразной форме, конденсаторы имеют очень важную отличительную особенность, они способны накапливать некоторое количество электрического заряда, которого вполне достаточно, что бы вывести из строя измерительный прибор. Поэтому первое, что нужно сделать перед измерением емкости конденсатора мультиметром, разрядить его. Сделать это можно используя обычную изолированную отвертку. Необходимо просто замкнуть контакты конденсатора.

Далее, мультиметр выставляем в положение для измерения емкости (на шкале должны быть соответствующие обозначения (600 uF – 2 nF) – от 600 микрофарад до 2 нанофарад. Разряжаем конденсатор.

Обратите внимание! Если конденсатор является полярным, то подсоединение его контактов должно быть соответствующим катоду и аноду.

Подсоединяем щупы мультиметра к конденсатору. Так как, емкость не известна, измерение стоит начать с минимального значения на мультиметре. В случае, если емкость конденсатора не соответствует значению на приборе или произошел обрыв, на дисплее будет показываться единица. Путем переключения значений находим нужное. Так же для рассчета емкости конденсатора используются формула t = RC.

Данный метод используется для всех видов конденсаторов (например, керамического или электролитического).

Как правильно определить сопротивление резистора мультиметром

Для точного измерения сопротивления определенного резистора, не нужно обладать специальными знаниями в области электротехники. Для этого понадобится набор инструментов и четкое следование инструкции.

Для работы потребуется:

• Мультиметр;
• Паяльник;
• Резисторы.

В первую очередь, необходимо убедиться, что мультиметр работает исправно. Проверьте качество контактов измерительных щупов с проводниками, а так же постоянство показаний на дисплее прибора.

Далее, если резистор, проверка которого должна быть осуществлена, находится в составе какой – либо микросхемы, его нужны выпаять. Обусловлено это тем, что показания на измерительном приборе будут соответствовать сопротивлению всех элементов цепи.

После того, как резистор извлечен, а мультиметр прошел проверку на исправность, можно переходить к измерению сопротивления. Для этого, находим на шкале мультиметра обозначения для измерения сопротивления. Они представлены в виде греческой буквы омега. И предположительно определив сопротивление резистора, выставляем нужное значение на мультиметре.

Важно знать! При измерении сопротивления резистора, недопустимо касание щупов руками, так как к сопротивлению резистора, добавится сопротивление вашего тело, и значения на дисплее не будут соответствовать правильным. Щуп придерживать можно только одной рукой.

Например, если резистор с сопротивлением предположительно в 1 кОм (1000 Ом) до 10 кОм (10000 Ом), значение на мультиметре выбираем немного большее (20 кОм). Если значение подобрано несоответственно, то на дисплее мультиметра будет показана единица.

Специальный прибор для определения емкости конденсатора

Определить емкость конденсатора представляется возможным разными способами, в том числе и мультиметром. Но очень часто, заявленная емкость (например 6000мкф), в несколько раз превышает значения на измерительном приборе (не более 600 мкф), поэтому определить емкость таких конденсаторов не возможно используя обычный мультиметр. Для этих целей существуют специализированные приборы для определения емкости.

Прибор состоит:

• Корпус;
• Дисплей;
• Переключатель со шкалой;
• Две кнопки.

Корпус прибора выполнен из обычного пластика в различной цветовой гамме. Прибор оснащен жидкокристаллическим дисплеем высокой информативности. Ниже дисплея располагаются две кнопки (с лева и справа). Левая, служит для фиксации показаний на дисплее, правая включает и выключает подсветку дисплея.

Между кнопками, сразу под дисплеем находится коннектор, при помощи которого призводятся замеры емкости конденсаторов малого размера. Ниже располагается переключатель с нанесенной на корпус шкалой для измерения. Значения шкалы варьируются от 200 пкф (покофарад), до 20000 мкф (микрофарад).

Важной особенностью прибора является возможность установки нулевого значения показаний.

В самом низу располагаются гнезда для подключения измерительных щупов, изоляция которых выполнена из мягкого пластика.

Данный измерительный прибор служит для одной определенной цели, но несомненно обладает большими возможностями.

Как выглядит формула емкости конденсатора (видео)

Для построения различных электрических схем, а так же для их правильной работы используются определенные радиодетали. В свою очередь данные элементы цепи нужно подобрать и проверить на работоспособность, что можно сделать, используя полученные знания.

Эпизод 126: Емкость и уравнение C = Q / V

C = Q / V

Электричество и магнетизм

Серия 126: Емкость и уравнение C = Q / V

Урок для 16-19

• Время активности 150 минут
• Уровень Передовой

Установив, что на каждой пластине конденсатора есть заряд, следующим этапом является установление взаимосвязи между зарядом и разностью потенциалов на конденсаторе.

Краткое содержание урока

• Демонстрация: зарядка конденсатора (10 минут)
• Обсуждение: Определение емкости и фарада (20 минут)
• Студенческий эксперимент: Заряд, пропорциональный напряжению – две альтернативы (30 минут)
• Обсуждение: Факторы, влияющие на C (10 минут)
• Студенческий эксперимент: Факторы, влияющие на C (30 минут)
• Обсуждение: Проницаемость (20 минут)
• Обсуждение: Работа с реальными конденсаторами (10 минут)
• Вопросы студентов и обсуждение: Расчеты с реальными конденсаторами (20 минут)

Демонстрация: зарядка конденсатора

Экспериментальная демонстрация зарядки конденсатора с постоянной скоростью показывает, что разность потенциалов на конденсаторе пропорциональна заряду.

Эпизод 126-1: Зарядка конденсатора постоянным током (Word, 34 КБ)

Обсуждение: Определение емкости и фарада

Эксперимент показывает, что Q ∝ V , или Q = постоянная × В . Эта постоянная называется емкостью конденсатора C и измеряется в фарадах (Ф). Таким образом, емкость – это заряд на вольт, и

фарада = кулонвольт.

Хорошая идея отметить, что 1 фарад – это очень большая емкость и что большинство конденсаторов будут микро, μ, – (10 ^-6 ), нано

(10 ^-9 ) или пико- (10 ^-12 ) фарад.Емкость планеты Земля, рассматриваемой как изолированная сфера радиусом R , рассчитана с использованием

C = 4 π ε ₀ ε _r R составляет 710 мФ.

Студенческий эксперимент: заряд, пропорциональный напряжению – первая альтернатива

Взаимосвязь между зарядом и разностью потенциалов может быть дополнительно исследована самими учащимися. Возможны два эксперимента; здесь используется кулоновский метр.

Заряжая подходящий конденсатор до разных напряжений и каждый раз измеряя накопленный заряд, вы быстро подтверждаете соотношение Q ∝ V .Эксперимент можно повторить с разными конденсаторами. Постройте график Q против V .

Эпизод 126-2: Измерение заряда конденсатора (Word, 47 КБ)

Заряд, пропорциональный напряжению – вторая альтернатива

Второе исследование взаимосвязи между зарядом и pd использует герконовый переключатель. Учащиеся, возможно, встречали простые герконовые переключатели в технике или даже в начальной школе.

Хотя это более сложный эксперимент для выполнения, он имеет ценность, поскольку может быть расширен для исследования факторов, определяющих емкость конденсатора с параллельными пластинами, если это необходимо для ваших требований.

Из любого эксперимента можно построить график Q против V . Это будет полезно позже при обсуждении энергии, хранящейся в конденсаторе. (Примечание: график эксперимента с герконом не проходит через начало координат, поэтому необходимо объяснить влияние паразитной емкости в эксперименте)

Эпизод 126-3: Использование геркона для измерения емкости (Word, 46 КБ)

Обсуждение: Факторы, влияющие на

C

Если ваша спецификация требует изучения уравнения C = ε ₀ ε _r × A d , то это удобный момент для обсуждения этой работы.

Самое время представить идею, что многие конденсаторы трубчатой ​​формы на самом деле представляют собой конденсаторы с параллельными пластинами, которые свернуты и заполнены диэлектриком. Почему? (Большая площадь с небольшим зазором дает разумные значения емкости; диэлектрик увеличивает емкость; прокатка уменьшает габаритные размеры.)

Студенческий эксперимент: факторы, влияющие на C

Используя геркон или цифровой измеритель емкости, исследуйте факторы, определяющие емкость конденсатора с параллельными пластинами.

Если у вас нет геркона, то многие дешевые цифровые мультиметры теперь имеют измеритель емкости, который покрывает диапазон пФ и нФ, и здесь он будет работать эффективно.

Используя в этом эксперименте параллельные пластины в качестве конденсатора, можно найти взаимосвязь между емкостью и площадью путем изменения площади перекрытия, в то время как использование прокладок приводит к взаимосвязи между емкостью и разделением. Размещение пластиковых листов между пластинами показывает эффект диэлектрика и показывает, почему относительная диэлектрическая проницаемость фигурирует в формуле.Если времени мало, эти три эксперимента можно провести в виде групповых заданий, и группы будут сообщать о своих выводах.

Обсуждение: Permittivity

Обсудите результаты экспериментов и значение диэлектрической проницаемости свободного пространства ε ₀ }. Выведите его единицы из F m ^-1 или C ² N ^-1 m ^-2 .

Обсуждение: Работа с реальными конденсаторами

Выберите конденсаторы и посмотрите информацию, написанную на каждом из них.Это будет включать в себя емкость и максимальное рабочее напряжение. На электролитическом конденсаторе также будет указание полярности для каждой клеммы (и может быть максимальный ток пульсации).

Обсудите, что означают маркировки, и сравните заряд, накопленный каждым конденсатором при максимальном напряжении (практика использования

Q = C × V .

Как это связано с физическим размером конденсатора? (Маловероятно, что просто чем больше емкость, тем больше конденсатор.Рабочее напряжение важно, как и материал между пластинами.)

Вопросы учащихся: Расчеты на реальных конденсаторах

Последующие вопросы завершат этот выпуск.

Эпизод 126-4: Вопросы по зарядным конденсаторам (Word, 62 КБ)

Эпизод 126-5: Проблемы с конденсаторами (Word, 37 КБ)

Конденсаторы и диэлектрики – MCAT Physical

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или больше ваших авторских прав, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам Varsity найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса – изображению, ссылке, тексту и т. д. – относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему утверждению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Конденсаторы

Конденсатор – это устройство, в котором для хранения электрического заряда используются две проводящие поверхности. Однако между двумя поверхностями есть зазор, который изолирует их друг от друга.Расстояние между зазором и материалом в зазоре (воздух, стекло, минерал, жидкость и т. Д.) Не слишком велико, чтобы предотвратить достаточно сильное электрическое поле, которое толкает электрические заряды и заставляет их собираться на поверхностях.

Что делает конденсатор?

В простом конденсаторе используются две параллельные пластины из проводящего материала, разделенные изолятором. Изолятор называется диэлектриком и представляет собой материал, который предотвращает прохождение электрического тока через него. Способность электрического поля проходить через диэлектрический материал задается величиной измерения, известной как ε , называемой диэлектрической проницаемостью .Это вместе с размерами пластин конденсатора определяет, сколько заряда он может хранить. Важна площадь пластин ( A ) и расстояние между ними ( d ). Вот иллюстрация того, как части конденсатора сочетаются вместе с их важными свойствами:

Величина емкости ( C ) конденсатора зависит от способности электрического поля влиять на заряды на его пластинах, умноженной на площадь проводящей поверхности, деленную на расстояние между пластинами.

C = ε * A / d

Емкость измеряется в единицах Фарад (Ф) . Большинство конденсаторов, используемых в небольших современных электронных схемах, имеют диапазон микрофарад (мкФ), или пикофарад (пФ), . Пикофарад действительно маленький, это 1/1000000000000 фарада.

Электрическое поле

Сначала конденсатор имеет равное количество как положительного, так и отрицательного заряда на каждой пластине. Заряды не могут пройти к другой пластине из-за зазора между ними, который изолирует пластины друг от друга.Зазор может быть воздухом или другим непроводящим материалом. Однако внутри зазора находится электрическое поле ( E ), которое направляет силу от батареи, чтобы подтолкнуть противоположный электрический заряд к пластинам.

Зарядка

Наличие электрического поля между этими поверхностями заставляет заряды на пластинах располагаться ближе всего к направлению противоположного заряда. Это происходит до тех пор, пока обкладки конденсатора не заполнятся противоположными зарядами.На рисунке ниже показан конденсатор с двумя пластинами, которые заряжаются противоположно под действием приложенного к ним напряжения. Заряды перемещаются и перемещаются к пластине в направлении их притяжения.

RC time

На самом деле конденсатор заряжается не сразу. Для зарядки требуется время из-за некоторого сопротивления току, протекающему к пластинам или от них. При любом значении напряжения на пластинах конденсатора потребуется некоторое время, чтобы он полностью зарядился.Когда конденсатор полностью заряжен, ток перестанет течь к нему, потому что больше нет места для новых зарядов. Простая схема зарядки конденсатора показана на следующей схеме.

Специальное значение для цепи зарядки конденсатора находится путем умножения величины сопротивления на ее емкость. Результатом является значение времени, называемое постоянной времени RC . Например, если сопротивление резистора составляет 20 кОм, а емкость конденсатора – 200 пФ (пикофарад), постоянная времени RC составляет:

20000 Ом * 2e-10 фарад = 4 микросекунды

Используя свойства времени заряда, мы можем определить, что конденсатор будет иметь более 99% своего заряда после 5 постоянных времени, или 5 * RC секунд.На этой схеме первая цепь показывает момент замыкания цепи. Ток просто начинает течь с 0 вольт через конденсатор, и он имеет сбалансированный заряд. На второй диаграмме показан полный заряд и отсутствие тока через 5 постоянных времени RC.

На второй принципиальной схеме вы видите, что, когда конденсатор полностью заряжен и ток прекращается, напряжение на нем становится таким же, как напряжение питания, которое обеспечивало заряд. Используя значения сопротивления и емкости, упомянутые в предыдущем примере, конденсатор заряжается примерно за 20 микросекунд:

5 * RC = 5 * 4 микросекунды = 20 микросекунд

На следующих графиках показано, как конденсатор заряжается и разряжается с течением времени:

Конденсатор не заряжается и не разряжается с той же скоростью, что и время.Напряжение на конденсаторе следует «естественному» шаблону с течением времени до тех пор, пока конденсатор не будет полностью заряжен или разряжен. Из графиков видно, что скорость заряда или разряда действительно замедляется по мере приближения к количеству времени 5 * RC , в данном случае 20 микросекунд .

Специальный номер под названием e используется для расчета напряжения конденсатора в любой конкретный момент после начала зарядки или разрядки. Это число известно как число Эйлера и используется в математических формулах для моделирования поведения в мире природы.Значение этого числа составляет приблизительно 2,71828 , и в сочетании со значениями R и C в цепи зарядки оно используется для определения напряжения на конденсаторе. Напряжение на конденсаторе рассчитывается по формулам:

• Зарядка: Vc = Vin * (1 - e ** (t / (R * C))) , где Vin – это напряжение, используемое для зарядки с
• Разряд: В = В старт * (e ** (t / (R * C))) , где В старт – напряжение перед разрядом

Эксперимент: моделирование заряда и разряда

---

Используя значения для R и C вместе с числом Эйлера, вы можете составить диаграмму заряда и разряда конденсатора, чтобы увидеть, как он ведет себя с течением времени.Кроме того, кратные постоянной времени RC можно согласовать с уровнем напряжения, чтобы увидеть, когда конденсатор почти полностью заряжен. Для моделирования модели значение 20 кОм используется для R и 200 пФ используется для C . Зарядное и пусковое напряжение 3,3В .

Настройка : Скопируйте следующий код в редактор.

  пусть e = 2.71828
пусть R = 20000
пусть C = 2e-10
пусть Vc = 0
пусть Vin = 3.3
пусть t = 0
for (let i = 0; i <75; i ++) {
    Vc = Vin * (1 - e ** (t / (R * C)))
    т + = -0,0000005
    console.logValue ("Vc", Vc)
    пауза (100)
}
t = 0
Vin = Vc
for (let i = 0; i <75; i ++) {
    Vc = Vin * (e ** (t / (R * C)))
    т + = -0,0000005
    console.logValue ("Vc", Vc)
    пауза (100)
}  

Тест : запустите код и переключитесь в представление данных, чтобы увидеть вывод консоли на диаграмме.

Результат : На диаграмме показаны схемы заряда и разряда более 37.5 микросекунд каждая. Форма графика показывает, как работает «естественная» скорость заряда и разряда.

Эксперимент: детектор заряда

---

Уровень заряда конденсатора можно отследить, проверив, какое напряжение на нем в настоящее время. Вывод цифрового выхода может служить источником заряда, а вывод аналогового входа может измерять напряжение на конденсаторе. Конденсатор заряжается через резистор. Чтобы можно было наблюдать за изменением уровня заряда, используется конденсатор емкостью 100 мкФ, а резистор - от 10 кОм до 40 Ом.Если вы сделали свой собственный резистор, он хорошо подойдет для этого эксперимента.

Для этого эксперимента требуется конденсатор, который заряжается до 100 мкФ (100 мкФ). Лучше всего использовать конденсатор электролитического типа. Поскольку сложно сделать собственный конденсатор, способный удерживать такой заряд, здесь нет инструкций по его изготовлению. Вам нужно будет получить тот, который уже сделан.

Если резистор 20 кОм используется с конденсатором 100 мкФ, постоянная времени RC составляет 2 секунды.Таким образом, полное время зарядки составляет 10 секунд при 5 постоянных времени. Выбор значения сопротивления между 10 кОм и 40 кОм даст вам достаточно времени, чтобы посмотреть, как конденсатор заряжается и разряжается.

Материалы :

Настройка :

1. Подключите один конец провода зажима типа «крокодил» к проводу (-) конденсатора (на некоторых конденсаторах это более короткий вывод). Подключите другой конец провода типа «крокодил» к контакту GND на плате.
2. Подключите один конец другого провода с зажимом типа «крокодил» к проводу (+) конденсатора (на некоторых конденсаторах это более длинный вывод). Подключите другой конец провода типа «крокодил» к одному концу резистора.
3. Возьмите третий провод с зажимом типа «крокодил» и подключите один конец к проводу (+) конденсатора. Подключите другой конец этого «крокодила» к контакту A5 на плате.
4. Возьмите еще один провод с зажимом типа «крокодил» и закрепите его на другом конце резистора.Присоедините неподключенный конец провода типа «крокодил» к контакту A4 на плате.

6. Загрузите на плату следующий код:

  pins.A4.digitalWrite (false)
input.buttonA.onEvent (ButtonEvent.Click, function () {
    pins.A4.digitalWrite (истина)
})
input.buttonB.onEvent (ButtonEvent.Click, function () {
    pins.A4.digitalWrite (ложь)
})
навсегда (функция () {
    свет.график (пины.A5.analogRead (), 1010)
    пауза (200)
})  

Тест : нажмите кнопку A , чтобы зарядить конденсатор, и посмотрите, как загорятся пиксели, чтобы показать уровень заряда.Нажмите кнопку B , чтобы разрядить конденсатор, и посмотрите, как пиксели погаснут по мере исчезновения заряда.

Дополнительный тест : измените значение сопротивления и повторите тест. Обратите внимание, как время зарядки и разрядки отличается от первого теста.

Результат : Пиксели на плате загорятся, показывая уровень заряда конденсатора. Каждый пиксель представляет собой еще 10% заряда. Каждому пикселю потребуется больше времени, чтобы светиться (или выключаться при разрядке), чем предыдущий, поскольку скорость заряда снижается.Последнему пикселю требуется гораздо больше времени, чтобы загореться, чем другим пикселям. Это будет относиться ко времени зарядки последних 10%, как показано на плоской части графика из предыдущего эксперимента.

Расчет тока через батарею конденсаторов

Каплевидный колпачок: Во многих случаях для выполнения разных задач в одной и той же точке цепи требуются конденсаторы различных технологий. Одна из наиболее распространенных комбинаций - алюминиевые электролитические и пленочные конденсаторы. Алюминиевые электролитические конденсаторы обрабатывают основную часть емкости, в то время как пленочные конденсаторы помогают забирать часть тока от алюминиевых электролитов, при этом фильтруя более высокие частоты, которые не могут быть с алюминиевыми электролитиками.

Расчет текущего

Расчет тока через батарею конденсаторов - не сложный процесс, но к нему часто подходят неправильно, что приводит к более короткому сроку службы выбранных конденсаторов или чрезмерно спроектированной схеме, в которой тратятся деньги и пространство. Каждый набор требований имеет золотую середину, где правильные значения емкости, частоты и напряжения позволяют получить наиболее эффективную схему с наибольшим сроком службы. Приведенные ниже шаги содержат уравнения и параметры, на которые следует обратить внимание при выборе конденсаторов, выдерживающих требования к напряжению, току и частоте.

Первым шагом является вычисление импеданса каждого конденсатора, выбранного для установки в батарею, с использованием приведенного ниже уравнения. Исходные конденсаторы могут быть выбраны на основе оценки того, как их параметры (ESR и ток пульсации) будут влиять на требования схемы (напряжение, частота, ток пульсаций).

Значения ESR можно получить из таблиц данных или напрямую от производителя, если они не указаны в таблице. KEMET предлагает KSIM, инструмент моделирования, который предоставляет такие параметры, как ESR, емкость, ток, напряжение и другие характеристики.

ESR необходимо указывать на частоте приложения. В большинстве таблиц данных указано ESR при 100 Гц, 10 кГц или 100 кГц, как показано на рисунках 1 и 2. Использование ESR, измеренного на другой частоте, приведет к переоценке или недооценке конструкции. ESR определяет, какой ток принимает деталь, и будет меняться по мере увеличения и уменьшения частоты.

Рисунок 1: https://content.kemet.com/datasheets/KEM_F3046_C4AE_RADIAL.pdf

Рисунок 2: https: // content.kemet.com/datasheets/KEM_A4011_PEG124.pdf

После того, как все импедансы для каждого конденсатора рассчитаны, используйте следующее уравнение, чтобы найти общий импеданс батареи.

Следующий шаг - выяснить, какая часть общего тока через батарею будет проходить через каждый отдельный конденсатор или конденсаторную ветвь. Следующее уравнение показывает, как решить эту проблему.

Обратитесь к таблице данных или другим инструментам, чтобы проверить, какой будет ток пульсации для каждой части (пример показан на рисунке 3).Это значение также будет варьироваться в зависимости от частоты и должно быть больше расчетного значения, если вы хотите обеспечить срок службы, указанный производителем в таблице данных.

Рисунок 3: https://content.kemet.com/datasheets/KEM_A4011_PEG124.pdf

Если рассчитанное значение выше, чем указанная текущая мощность, указанная в таблице данных или поставщиком, есть несколько вариантов.

• Проверьте на производстве, как это может повлиять на срок службы детали.
• Добавьте дополнительные детали параллельно, чтобы уменьшить ток, идущий на детали в банке.
• Посмотрите на разные детали, у которых есть более высокие возможности.
  • Примечание. Конденсаторы с более низкими значениями ESR будут иметь более высокие возможности пульсации тока.

Ниже приведен пример, который поможет определить, как решить эту проблему.

Параметры

• Общая необходимая емкость: 800 мкФ
• Приложенное напряжение: 450 В постоянного тока
• Пульсационный ток: 20 шт.
• Частота: 10 кГц
• Температура окружающей среды: 65 ° C
• Нет прекращения или требований к пространству

Первая оценка включает следующую настройку.Детали были выбраны на основе значений общей емкости, номинального напряжения и допустимого тока, указанных в таблицах данных.

1. Получите значения ESR из таблиц данных для деталей на основе конкретной используемой частоты. Частота, используемая в этом расчете, составляет 10 кГц.

http://www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/Attachments/395/KEM_A4026_ALC40.pdf

http://www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/Attachments/366/KEM_F3046_C4AE_RADIAL.pdf

Примечание : Не во всех таблицах данных указано СОЭ на используемой частоте, но имейте в виду, что при уменьшении частоты СОЭ увеличивается.

2. Используйте следующие уравнения, чтобы найти полное сопротивление конденсаторов, подключенных параллельно.

3. Используйте следующее уравнение, чтобы найти полное сопротивление банка.

4. Используйте следующие уравнения, чтобы найти ток через каждый конденсатор.

5. Вернитесь к таблице данных, чтобы узнать о текущих возможностях каждой детали, чтобы то, что наносится на деталь (расчетное значение), было меньше, чем то, что указано в таблице.

http://www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/Attachments/395/KEM_A4026_ALC40.pdf

http://www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/Attachments/366/KEM_F3046_C4AE_RADIAL.pdf

На алюминиевом электролитическом элементе слишком большой ток, поэтому необходимо выбирать разные детали. Важно искать алюминиевые электролитические детали с более высокими значениями ESR и пленочные конденсаторы с более низкими значениями ESR, чтобы отводить больше тока от алюминиевых электролитов.

Параметры (без изменений)

• Общая необходимая емкость: 800 мкФ
• Приложенное напряжение: 450 В постоянного тока
• Ток пульсации: 20Arms
• Частота: 10 кГц
• Температура окружающей среды: 65 ° C
• Нет прекращения или требований к пространству

Вторая оценка включает следующую настройку. Детали были выбраны на основе значений общей емкости, номинального напряжения и допустимого тока, указанных в таблицах данных.Они также были выбраны с алюминиевыми электролитическими конденсаторами, имеющими более высокие значения ESR, и пленочными конденсаторами, имеющими более низкие значения ESR, для подачи большего тока на пленочные конденсаторы.

1. Получите значения ESR из таблиц данных для деталей на основе конкретной используемой частоты. Частота, используемая в этом расчете, составляет 10 кГц.

http://www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/attachments/726/KEM_A4075_ALS70_71.pdf

http: // www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/Attachments/366/KEM_F3046_C4AE_RADIAL.pdf

Примечание : Не во всех таблицах данных указано СОЭ на используемой частоте, но имейте в виду, что при уменьшении частоты СОЭ увеличивается.

2. Используйте следующие уравнения, чтобы найти полное сопротивление конденсаторов, подключенных параллельно.

3. Используйте следующее уравнение, чтобы найти полное сопротивление банка.

4. Используйте следующие уравнения, чтобы найти ток через каждый конденсатор.

5. Вернитесь к таблице данных, чтобы узнать о текущих возможностях каждой детали, чтобы то, что наносится на деталь (расчетное значение), было меньше, чем то, что указано в таблице.

http://www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/attachments/726/KEM_A4075_ALS70_71.pdf

http://www.kemet.com/Lists/ProductCatalog/Attachments/366/KEM_F3046_C4AE_RADIAL.pdf

Все рассчитанные значения ниже текущих возможностей, перечисленных в таблицах данных, так что это хорошая комбинация частей.

В заключение, использование первых четырех конденсаторов (серии ALC70 и C4AE) приводит к слишком большому току на алюминиево-электролитических конденсаторах. При такой конфигурации эти части будут нагреваться, и их срок службы будет намного короче, чем ожидалось. Вторая конфигурация (серии ALC70 и C4AE) - хорошее решение, и срок службы деталей не пострадает. Если требуются детали меньшего размера, поиск можно продолжить, пробуя различные значения / конфигурации.

Обзор методов мониторинга состояния конденсаторов, используемых в преобразователях силовой электроники

3.2. Методы оценки емкости

В преобразователях переменного тока в переменный часто используются конденсаторы в звене постоянного тока. В зависимости от применения один или несколько конденсаторов могут быть подключены последовательно или параллельно.

Алгоритм мониторинга для оценки емкости путем подачи тока нулевой последовательности для синхронной машины с постоянными магнитами с разомкнутой обмоткой (PMSM) предложен в [63]. Этот алгоритм мониторинга использует измерения только в период разряда. Принципиальная схема и схема замещения периода разряда показаны на рис.Период разряда определяется производной конденсатора постоянного тока vdc '. В начале процесса разряда конденсатор промежуточного контура начинает разряжаться через инвертор, когда vdc '<0, и прекращает зарядку, когда vdc'> 0. Для управления током разряжающегося конденсатора, когда машина находится в состоянии покоя. После этого ток разрядного конденсатора оценивается путем отдельного анализа каждой отдельной фазы, и результат получается с использованием теории суперпозиции следующим образом [63]:

icap = (da1U − da2U) × ia + (db1U − db2U) × ib + ( dc1U − dc2U) × ic

(12)

где icap, ia, ib, ic, da1U, da2U, db1U, d22U, dc1U и dc2U - ток конденсатора, a -фазный ток, b -фазный ток, c -фазный ток и рабочие циклы переключателей a1U, a2U, b1U, b2U, c1U и c2U соответственно.(n) LBF (vdc ′)]

(13)

где γ (n) и LBF (vdc ') - постоянное регулируемое усиление и производная vdc после прохождения через фильтр нижних частот (LPF). Упрощение системы управления, достигаемое текущей техникой инжекции, является основным преимуществом этого метода; однако этот метод эффективен только тогда, когда машина находится в режиме покоя [63].

Принципиальная схема синхронной машины с постоянными магнитами (СДПМ): ( а ) принципиальная схема; ( b ) Эквивалентная схема в период разряда при остановке машины.

В [68] разработан неинвазивный метод оценки емкости. Только входное напряжение Vin, ток iin и выходной ток iout требуются, измеряются и дискретизируются для генерации сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) m. После этого ток конденсатора оценивается для обнаружения точек пересечения нуля. Таким образом, накопление заряда на конденсаторе между интервалом между двумя точками непрерывного пересечения нуля может быть оценено и объединено с периодом переключения Ts, чтобы определить чистый текущий заряд конденсатора.Точно так же оценивается чистое изменение напряжения, и емкость вычисляется как отношение чистого текущего заряда и чистого изменения напряжения. Начальное значение емкости сравнивается с расчетной емкостью, чтобы указать состояние исправности конденсатора. Дополнительные датчики не требуются для мониторинга здоровья при использовании этого метода [68]. Однако использование второй гармоники конденсаторного напряжения не подходит для систем без колебаний частоты, таких как преобразователи постоянного тока в постоянный [71].

Формирующий резонанс LC между конденсатором промежуточного контура и индуктивностью для оценки состояния конденсатора при остановленном преобразователе вводится в [70]. При переключении биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) конденсатор разряжается через фазы машины (например, A, и C ), образуя резонансную сеть LC , как показано на. Это приводит к снижению напряжения конденсатора и увеличению тока конденсатора.После того, как энергия в конденсаторе полностью разряжена, напряжение на конденсаторе становится равным нулю, а резонансный ток улавливается для обработки данных и медленно падает до нуля. Емкость оценивается как модель многомерной нелинейной регрессии (MNR) [70]:

C = β1 × β3V0 (β22 + β32)

(14)

где β1, β2 и β3 - оценочные переменные резонансного тока, полученные с использованием итеративного алгоритма наименьших квадратов (ILS). Представленный метод позволяет производить высокоточные оценки для мониторинга емкости, не требуя дополнительных аппаратных средств или ввода сигналов [70].Однако этот подход эффективен только тогда, когда преобразователь находится в режиме покоя, и формирование резонанса LC имеет решающее значение для достижения точной оценки.

Форма резонанса LC в системе инвертора источника напряжения (VSI).

Многоуровневый модульный преобразователь (MMC) - это новая топология для высоковольтных и мощных приложений, которая вызвала значительный интерес благодаря своим преимуществам, таким как модульность, масштабируемость, низкая сложность производства и высокая эффективность.MMC состоит из нескольких субмодулей (SM), которые могут включать в себя полумостовые (HB) преобразователи или полномостовые преобразователи (FB), как показано на рис. Каждый субмодуль (SM) имеет свой собственный конденсатор для фильтрации и накопления энергии; поэтому из-за большого количества конденсаторов, используемых в MMC, обеспечение надежности этой системы имеет решающее значение. Следовательно, мониторинг состояния этих конденсаторов необходим для поддержания стабильной и безопасной работы MMC.

Топология модульного многоуровневого преобразователя (MMC) с полумостовой и полумостовой конфигурациями.

В [72,73] предлагаются оценки емкости на основе эталонных субмодулей (RSM) для MMC с FB и HB SM соответственно. SM выбран как RSM, который имеет самую высокую емкость среди контролирующих SM (SM1-SMN) в плече. Остальные СМ сортируются по возрастанию напряжения конденсаторов. Впоследствии емкость каждого SM оценивается на основе разницы напряжений конденсаторов RSM и контрольного SM [73]:

где ΔvRSM и Δvi - значения пульсации напряжения RSM и напряжения мониторинга SM, соответственно.Метод RSM обеспечивает эффективное решение для контроля емкости конденсатора, не требуя дополнительного оборудования [73]. Надежность метода RSM в основном основана на соответствующем выборе RSM; таким образом, необходим точный процесс отбора.

В [75,76] SM от работающей MMC был изолирован, и кривая напряжения конденсатора в процессе разрядки использовалась для определения исправного состояния конденсатора. Во время процесса разрядки, показанного на, переключатель S2 находится в состоянии ВКЛ, тогда как состояние переключателя S1 находится в состоянии ВЫКЛ.Таким образом, конденсатор разряжается только через истекающий резистор Rb, который поглощает энергию конденсатора, когда SM не работает. Состояние исправности конденсатора можно контролировать по уменьшению времени разряда следующим образом [76]:

где t0,368 - время разряда, когда напряжение vi на конденсаторе уменьшается с начального значения vi_0 до 0,368vi. SM повторно подключается к MMC, когда напряжение конденсатора ниже 0,368VI. Состояние конденсаторов оценивается с использованием того же процесса для остальных SM в MMC.Этот метод контролирует конденсатор SM без необходимости тяжелых вычислений или требования тока плеча или текущего состояния переключения. Однако изоляция SM от работающей MMC может привести к увеличению электрического напряжения, действующего на остальные SM; это также может привести к отрицательному влиянию на выходное напряжение и ток при отсутствии резервных SM или при недостаточном количестве SM [76].

Рабочие цепи разрядной цепи субмодуля (СМ) ( a ) резистор-конденсатор ( RC ); ( b ) эквивалентная схема в режиме разряда.

3.3. Методы оценки ESR и емкости

В [43,44,45] предлагаются методы онлайн-мониторинга понижающего преобразователя. Основное преимущество этих методов заключается в том, что вместо измерения как тока, так и напряжения конденсаторов необходимо измерять только два значения напряжения конденсатора в два конкретных момента в течение периода переключения. Путем анализа напряжения пульсации конденсатора расчетные модели ESR и C в [43,44] построены как

СОЭ = 2Lfs {[vo (0) −Vo] +2 (2D − 1) (2 − D) × [vo (DTs2 − Vo)]} Vo (D − 1)

(17)

C = Vo (2 − D) (1 − D) 24Lfs2 [Vo − vo (DTs2)]

(18)

где L, fs, Vo, D, Ts - индуктивность, частота переключения, выходное напряжение, рабочий цикл и цикл переключения соответственно.

В [43], где схема запуска генерирует сигналы запуска в моменты 0 и DTs / 2, используя сигнал PWM от блока управления. Преобразователь AD в микроконтроллере (MCU) анализирует пульсации выходного напряжения после их извлечения и усиления с помощью изолированного усилителя; это извлечение и усиление осуществляется при первом появлении триггерных сигналов, пока активен захват импульса. Комбинируя сигналы частоты переключения и рабочего цикла, полученные от схемы запуска, получают расчетные модели ESR и C , а окончательный результат отображается в реальном времени.Эти методы предлагают решение для мониторинга состояния без датчиков тока. Однако эти методы эффективны только в CCM понижающих преобразователей [43].

Некоторые существующие методы для понижающих преобразователей [38,43,44] позволяют применять повышающие преобразователи [39,51,52]. Методы контроля для обратного преобразователя и изолирующего преобразователя постоянного тока предложены в [54,55,56]. Подходы из [43,44] также адаптированы для обратноходовых преобразователей из [54,55]. Отличие этого метода от предыдущих методов заключается в увеличении количества точек выборки и применении алгоритма наименьших квадратов для уменьшения измеренного шума.Преимущества и недостатки аналогичны преимуществам и недостаткам предыдущих методов, т. Е. Хотя схема мониторинга требует только измерений сигнала напряжения, она эффективна в CCM [54] или DCM [55].

Метод наблюдения за состоянием конденсаторов предложен в [46]. Подача напряжения, представляющая собой низкочастотный сигнал, например прямоугольный сигнал 100 Гц, используется, чтобы избежать необходимости в дополнительном оборудовании. Из-за введенного сигнала напряжения изменение напряжения конденсатора больше; следовательно, он может быть измерен обычным датчиком напряжения и устройствами обработки.Наблюдатель состояния используется для оценки напряжения конденсатора. После этого, ESR и C могут быть получены и отрегулированы в соответствии с разницей между расчетным напряжением и фактическим значением напряжения; это продолжается до тех пор, пока разница не достигнет нуля. Этот метод обеспечивает высокую точность оценки состояния конденсатора, не требуя дополнительного оборудования [46]. Однако введение низкочастотного сигнала напряжения приводит к увеличению пульсаций напряжения, в результате чего требуется конденсатор большего размера; это увеличивает размер и стоимость преобразователя.

Упрощенный метод обнаружения изменений ESR и емкости конденсатора предложен в [50]. Напряжение и ток конденсатора измеряются и пропускаются через BPF с частотным диапазоном в области преобладания ESR или емкости. Выходные сигналы ПФ непрерывно подвергаются вычислению среднеквадратичного значения (СКЗ). После этого используются автоматические регуляторы усиления для получения отношения пульсации напряжения конденсатора и тока конденсатора, т.е.е. импеданс конденсатора, который приблизительно равен ESR или импеданс емкости в зависимости от частотного диапазона BPF. ESR и полное сопротивление емкости XC конденсатора оцениваются с использованием уравнений (2) и (7). Таким образом, эта схема обеспечивает получение высокоточных оценок с использованием несложного алгоритма [50]. Однако этот метод требует дополнительного оборудования, такого как датчики тока конденсатора, что увеличивает размер и стоимость преобразователя.

Методика [53] учитывает падение напряжения на конденсаторе, необходимое для улучшения ESR и точности оценки емкости.В импедансе конденсатора преобладает ESR , когда рабочая частота составляет от десятков до сотен килогерц, а ESR обычно оценивается с использованием уравнения (2). Однако падение напряжения на конденсаторе не учитывалось в предыдущих подходах [23,32,33], что могло привести к ошибкам оценки ESR . Предлагаемый метод учитывает падение напряжения на конденсаторе, чтобы оценить ESR и емкость. Однако наличие датчиков TMR приводит к увеличению размера, стоимости и потере мощности системы.

Методика мониторинга состояния конденсаторов промежуточного контура в ШИМ-преобразователях средней и большой мощности на основе разработанной переменной электрической сети (VEN) предложена в [64]. Несколько конденсаторов соединены последовательно в виде конденсаторной батареи для поддержания необходимого напряжения в промежуточном контуре. Уравновешивающие резисторы Rj подключены параллельно конденсаторам, чтобы поддерживать равные напряжения на каждом конденсаторе. Одиночные VEN состоят из двух марок X1 и X2; каждая марка состоит из переключателя и резистора.Оценка параметров конденсатора проводится в период простоя. MCU управляет VEN и рассчитывает параметры конденсатора. Во время отключения конденсаторы промежуточного контура изолируются от нагрузки, а также от источника, а затем разряжаются через VEN. Период разряда делится на три интервала (T0, T1, T2). В первом интервале оба переключателя G1 и G2 выключены; таким образом, конденсаторы разряжаются только через резисторы баланса. Во втором интервале балансировочные резисторы и марка Х1 разряжаются при включении переключателя G1.В течение третьего интервала балансные резисторы и марка X2 разряжаются, когда состояние переключателя G2 находится в положении ВКЛ, а состояние переключателя G1 - ВЫКЛ. Каждый разряженный интервал имеет различную постоянную времени (τ0, τ1, τ2), и постоянные времени (τ1, τ2) можно оценить, используя разряженное напряжение во втором и третьем интервалах. Таким образом, емкость и ESR можно оценить как [64]:

где RX1 и RX2 - сопротивления марок X ₁ и X ₂ соответственно.Предлагаемый метод позволяет контролировать состояние конденсаторов, не требуя информации о токе конденсаторов, что предотвращает измерение шума или выполнение конкретных требований, таких как полоса пропускания и скорость частотной характеристики. Однако этот метод эффективен только в период простоя [64], а наличие VEN увеличивает вес, объем и стоимость системы преобразователя.

Метод мониторинга состояния однофазных солнечных инверторов предложен в [66,67]. Вводятся гармоники разного порядка (только нечетные порядки, от третьего до одиннадцатого), которые составляют всего 4% от общего номинального тока сети преобразователя, и фиксируются выборки напряжения конденсатора и выходного тока.Затем ток конденсатора оценивается с использованием соотношения между выходным током и состояниями переключения преобразователя. После этого среднеквадратичное значение импеданса конденсатора вычисляется с использованием тока и напряжения конденсатора после прохождения через BPF. Используя алгоритм наименьших средних квадратов (LMS) для оценки ESR и емкости конденсатора и сравнивая это с начальными значениями конденсатора при текущей рабочей температуре, можно вывести состояние работоспособности системы.Преимущество этого метода мониторинга заключается в том, что для него требуются только существующие датчики, а также учитывается влияние изменения температуры. Однако этот подход применим только ночью, когда солнечные батареи не генерируют напряжение; это также требует инжекции гармонического тока [67].

Основная функция инвертора заключается в преобразовании сигналов постоянного тока в однофазный или трехфазный сигнал переменного тока с переменной величиной и частотой и наоборот, чтобы функционировать как выпрямитель. Один конденсатор или батарея конденсаторов часто используются в качестве фильтров на стороне постоянного тока.Следовательно, мониторинг состояния конденсаторов необходим для поддержания высокопроизводительных преобразователей. Когда используются одна или несколько конденсаторных батарей, методы мониторинга с использованием датчика тока конденсатора для оценки состояния отдельных конденсаторов не могут быть использованы из-за увеличения количества требуемых датчиков тока, что приводит к увеличению веса, объема и стоимости система. Методика мониторинга состояния отдельных конденсаторов в батарее предложена в [69]. Конфигурация схемы представлена ​​в.Как показано на рисунке, конденсаторная батарея размещается между солнечной панелью и преобразователем, чтобы ослабить ток пульсации, вызванный операцией переключения преобразователя и колебаниями источника переменного тока. Эта схема контроля состоит из различных этапов: (1) калибровка конденсатора при первом запуске; (2) оценка тока конденсатора; (3) оценка температуры сердечника конденсатора; (4) оценка износа конденсатора; (5) оценка параметров конденсаторной батареи; и (6) обновление модели конденсатора.Этап начальной калибровки используется для калибровки исходного ESR и значений емкости при первом запуске преобразователя. Второй этап оценивает ток конденсатора на основе соотношения между входным и выходным токами и состояниями переключения преобразователя. После этого температура сердечника конденсатора оценивается с помощью уравнений теплового потока на третьем этапе. Впоследствии деградация отдельных конденсаторов оценивается с использованием модели, основанной на физике отказов (PoF).Таким образом, параметры конденсатора в момент [ n +1] выражаются как [69]:

Ci [n + 1] = CT [n] × C0i × (1 − αi [n])

.

(21)

ESRi [n + 1] = ESRT [n] × ESR0i × eβi [n]

(22)

где C0i и ESR0i, CT и ESRT, а αi и βi - начальная емкость и значения ESR конденсатора i -го при температуре окружающей среды, емкость и значения ESR конденсатора i -го при температуре ядра. , а также переменные, зависящие от температуры и времени, соответственно.При отсутствии вышедшего из строя конденсатора выполняется следующий этап. На основании оцененных емкостей и ESR, s отдельных конденсаторов вычисляются емкость и ESR, батареи конденсаторов. На заключительном этапе параметры банка обновляются и сравниваются с фактическими параметрами. На основе ошибки между оцененными и фактическими параметрами коэффициенты ухудшения обновляются с использованием алгоритма расширенного фильтра Калмана (EKF). Этот метод не требует дополнительных датчиков для каждого конденсатора в батарее; необходимые измерения могут быть выполнены с использованием существующих датчиков.Однако измерения и калибровка отдельных конденсаторов на первом этапе могут быть затруднительны из-за большого количества конденсаторов [69].

Однофазная фотоэлектрическая система с конденсаторной батареей.

Метод сортировки также применяется в [74] для сортировки SM, который имеет наивысшее ESR или наименьшую емкость в каждом плече MMC. Процесс сортировки основан на соотношении между энергией и ESR и током и емкостью каждого SM; это выражается как [74]:

Ki = 2πESRiω1 (1 + 2Ui_2f2Ui_1f)

(23)

где ω1, Ii_1f, Ui_1f и Ui_2f - основная угловая частота, амплитуда основной составляющей тока конденсатора и амплитуды основной составляющей напряжения конденсатора и напряжения второго порядка соответственно.