Конденсаторы: как они хранят энергию и питают современную электронику

В этом уроке мы разберем, что такое конденсатор, как он работает и рассмотрим базовые примеры применения. Вы можете посмотреть видео ниже или прочитать текстовую версию.

Обзор

Почти не существует электронной схемы без конденсатора. Наряду с резисторами и катушками индуктивности они являются основными пассивными компонентами в электронике.

Что такое конденсатор?

Конденсатор — это устройство, способное накапливать энергию в виде электрического заряда. По сравнению с батареей того же размера конденсатор хранит в 10 000 раз меньше энергии, но этого достаточно для бесчисленных схем.

Конструкция конденсатора

Конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных изолирующим материалом — диэлектриком. Пластины проводят ток и обычно изготавливаются из алюминия, тантала или других металлов, а диэлектрик может быть из любой изолирующей среды: бумаги, стекла, керамики или любого материала, препятствующего прохождению тока.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах, прямо пропорциональна площади пластин и диэлектрической проницаемости ε диэлектрика, а также обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Теперь посмотрим, как работает конденсатор.

Принцип работы конденсатора

Металл обычно содержит равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, то есть электрически нейтрален.

Если подключить источник питания или батарею к пластинам конденсатора, ток попытается течь: электроны с пластины, соединенной с плюсом батареи, начнут двигаться к пластине, подключенной к минусу. Однако из-за диэлектрика между пластинами электроны не могут пройти сквозь конденсатор и начинают накапливаться на пластине.

После накопления определенного количества электронов батарея больше не сможет протолкнуть новые электроны из-за отталкивания уже накопленных. В этот момент конденсатор полностью заряжен. На первой пластине возникает чистый отрицательный заряд, на второй — равный по модулю положительный, создавая электрическое поле с силами притяжения, удерживающими заряд.

Работа диэлектрика в конденсаторе

Рассмотрим, как диэлектрик увеличивает емкость. Диэлектрик содержит поляризованные молекулы, которые меняют ориентацию в зависимости от зарядов на пластинах. Молекулы выстраиваются вдоль электрического поля так, что к отрицательной пластине притягивается больше электронов, а с положительной — отталкивается больше.

После полной зарядки, если убрать батарею, конденсатор удерживает заряд длительное время, работая как накопитель энергии.

Если замкнуть выводы конденсатора через нагрузку, пойдет ток: накопленные электроны с первой пластины перетекут ко второй, пока обе не станут снова нейтральными.

Это базовый принцип работы конденсатора. Теперь перейдем к примерам применения.

Применение конденсаторов

Развязывающие (обходные) конденсаторы

Типичный пример — развязывающие или обходные конденсаторы. Они часто используются с интегральными схемами и размещаются между источником питания и землей ИС.

Их задача — фильтровать шумы в питании, например пульсации напряжения, возникающие при кратковременных проседаниях или при переключении участков схемы. В момент падения напряжения конденсатор временно работает как источник питания, обходя основной.

Преобразователи переменного тока в постоянный

Другой частый случай — конденсаторы в блоках питания. Для преобразования переменного тока в постоянный обычно используют диодный выпрямитель, но без конденсаторов он не справится.

На выходе выпрямителя — пульсирующая волна. Пока напряжение растет, конденсатор заряжается, а при спаде — разряжается, сглаживая выходное постоянное напряжение.

Связанная тема: Что такое триггер Шмитта и как он работает

Фильтрация сигналов

Фильтрация сигналов — еще одно применение. Благодаря своей частотной характеристике конденсаторы блокируют низкочастотные сигналы, пропуская высокочастотные.

Это используется в радиоприемниках для подстройки частот и в кроссоверах акустических систем для разделения низких частот для сабвуфера и высоких — для твитера.

Конденсаторы как накопители энергии

Очевидное применение — накопление и выдача энергии. Хотя они хранят гораздо меньше энергии, чем батареи того же размера, их срок службы выше, а мощность выдачи — быстрее, что делает их идеальными для задач, требующих кратковременных мощных импульсов.

На этом урок завершен. Задавайте вопросы в комментариях ниже.