Для чего нужен конденсатор?

Для чего нужен конденсатор?

Зачем нужен автомобильный конденсатор?

конденсатор Audison Connection

Все кто так или иначе сталкивался с автозвуком, кто когда либо пытался установить автомобильную аудиосистему своими руками слышали о том что вместе с усилителем обязательно нужно ставить конденсатор. Однако не все знают зачем это нужно и нужно ли вообще? Ведь хороший конденсатор-вещь недешевая. Стоит ли вообще тратить на него деньги? Попробуем разобраться.

Все знают, что установив усилитель в свою аудиосистему мы делаем звук громче. Но за все нужно платить, и более мощная аудиосистема потребляет больше тока от бортовой сети автомобиля. Это еще не все проблемы, дело в том что усилитель может кратковременно потреблять ток в несколько раз превышающий номинальный, особенно при воспроизведении низкого баса. Автомобильный аккумулятор не способен быстро отдавать такой ток и в результате в бортовой сети автомобиля происходит просадка напряжения. Выражается это не только в «моргании» фар, но и в том что при падении напряжения питания усилитель теряет мощность, бас вместо быстрого и четкого становится «размытым», теряет скорость и глубину, а в отдельных особо тяжелых случаях падение напряжения питания усилителя приводит к клиппингу на выходе усилителя, что в свою очередь может привести к повреждению динамика.

Впрочем, вышеперечисленные проблемы могут появиться из-за того что при подключении усилителя в вашей аудиосистеме вы выбрали некачественный или несоответствующий потребляемой мощности силовой провод.

Если вы следовали всем нашим рекомендациям и с проводами у вас все в порядке, без конденсатора в вашей автомобильной аудиосистеме вам не обойтись.

При установке конденсатора необходимо подключать его параллельно питанию усилителя и располагать его как можно ближе к усилителю (не дальше 60см). Некоторые производители усилителей (обычно это самые дорогие модели, так называемый хай-энд) даже встраивают дополнительные клеммы для подключения конденсатора прямо в усилитель. Пример- Audison Thesis HV Venti.

Конденсатор Focal High Cap

Французский производитель высококачественной аудиотехники Focal в своих усилителях серии FPS использует другое решение: конденсаторы Focal FPS High-Cap подключаются после блока питания усилителя, там где эффективность использования дополнительных конденсаторов во много раз выше. Минус в том что такой конденсатор подходит только к усилителям Focal FPS, и больше никуда.

Как же правильно выбрать конденсатор? Есть простое правило подбора конденсатора по емкости- 1Ф (Фарад) на 1 киловатт мощности аудиосистемы. Т.е. при мощности системы в 500Вт вам необходим конденсатор в 0.5Ф.

Многие автомобильные конденсаторы имеют встроенные вольтметры и прочие лампочки а также схемы управления зарядом. Если смысл первого-в основном внешний вид, то схема управления зарядом реально облегчает эксплуатацию автомобиля в котором установлен конденсатор. Дело в том что конденсатор в момент заряда потребляет очень большой ток, поэтому при замене аккумулятора в автомобиле могут обгореть аккумуляторные клеммы или сгореть предохранитель который стоит по питанию аудиосистемы.

Для того чтобы правильно зарядить конденсатор в котором схема зарядки не предусмотрена вам нужно отключить конденсатор (одну из клемм) от бортовой сети, подключить аккумулятор, подключить конденсатор через обычную автомобильную лампочку. Лампочка сначала загорится ярко пока будет заряжаться конденсатор, а затем погаснет. Значит конденсатор зарядился и можно подключать его обратно. Довольно сложно, да? От всех этих проблем избавит вас конденсатор со встроенной схемой зарядки.

конденсатор с вольтметром и схемой зарядки

С другой стороны, схема зарядки подразумевает несколько лишних соединений на пути тока от конденсатора к усилителю. В этом смысле обычная «банка» без вольтметров, лампочек и электроники гораздо надежней.

Не все конденсаторы одинаково полезны, хороший конденсатор должен не только иметь большую емкость но и уметь быстро отдать свой заряд в случае необходимости. Для этого конденсатор должен иметь низкое внутреннее сопротивление (ESR). Большинство производителей не указывает никаких параметров своих изделий кроме собственно емкости. При всем богатстве выбора найти то что нужно может быть не так-то просто. Наш опыт использования конденсаторов подсказывает что наилучшие результаты можно получить с продукцией серьезных брендов, например Connection от Audison или Connects2.

Что такое автомобильный конденсатор и зачем он нужен?

Под автомобильным конденсатором сегодня принято понимать электролитический конденсатор, подключенный к автомобильному усилителю звука (или непосредственно к магнитоле) параллельно питающим проводам. Но зачем он нужен?

Для защиты от сетевых помех конденсаторы используются часто.

1. Фильтрация помех питающей сети. Конденсаторы в качестве простейшего, но, в то же время, довольно эффективного фильтра помех питающей сети используются давно – их наверняка замечал каждый, кому случалось заглядывать внутрь электронных устройств. Конденсатор заряжается напряжением питающей сети и при резком падении напряжения возмещает просадку, возвращая в сеть накопленный заряд. Обычно качественные автомобильные усилители имеют собственную защиту от просадок напряжения, но если вы слышите из динамиков посторонние звуки при включении элементов автоэлектрики (вентилятора, дворников, фар и пр.), конденсатор может помочь. И еще – вне зависимости от того, где в автомобильной сети установлен конденсатор, он будет поддерживать напряжение всей сети, а не только усилителя. Поэтому, если при работе аудиосистемы у вас мерцают фары, то после установки конденсатора мерцать они перестанут (будут гореть вполнакала). Другое дело, что сильные (до мерцания фар) просадки при работе аудиосистемы явно сигнализируют о нехватке мощности генератора и АКБ. Эту проблему установка конденсатора не решит – он является не источником, а потребителем энергии, и в случае нехватки питания проблему скорее усугубит.

2. Поддержка питания магнитолы при пиковых нагрузках, например, при проигрывании басов. Здесь возможны два варианта:
2.1. На аудиосистему приходит недостаточно мощности. Причины могут быть разные: севшая батарея, слабый генератор, провода питания недостаточной толщины и пр.

Как это выглядит в теории.

В этом случае при установке конденсатора (вплотную к усилителю), теоретически, можно получить некоторый прирост громкости звука без искажений – при условии, что чрезмерные нагрузки будут кратковременны (не более долей секунд) и перемежаться не меньшими по продолжительности периодами уменьшенной нагрузки (чтобы конденсатор мог восстановить заряд).

И как чаще всего бывает на практике.

Но реальная музыка таким требованиям соответствовать не может – басы в композициях редко звучат меньше нескольких секунд. Поэтому практически никакого заметного эффекта не будет – вряд ли можно назвать улучшением качества звука то, что динамик начнет хрипеть на треть секунды позже обычного.

2.2. Мощности достаточно, но аккумулятор не успевает «отдать» требуемый ток. Как известно, при появлении потребителя, ток разряда АКБ устанавливается не мгновенно; и время его установки зависит от характеристик аккумулятора — в первую очередь от внутреннего сопротивления (если точнее, то от реактивной составляющей внутреннего сопротивления). И если внутреннее сопротивление АКБ велико, то при резком возрастании нагрузки требуемый ток она даст с некоторой задержкой, небольшой, но искажения звука в этот момент уже могут быть заметны.

Схема подключения конденсатора к цепи питания усилителя.

Действительно, в этом случае установка конденсатора может оказаться приемлемой альтернативой замене аккумулятора. Полностью проблему это не решит, но фронты басов, к примеру, может сгладить.

Это — не конденсатор.

В последнее время на полках автомагазинов появились «конденсаторы», отличающиеся огромной (до сотен и даже тысяч Фарад) емкостью, но при этом имеющие скромные размеры и весьма привлекательную цену. Это не конденсаторы, это – ионисторы. Смысла в их подключении к усилителю немного – да, они имеют заявленную емкость, но от конденсаторов ионисторы отличаются высоким внутренним сопротивлением (ESR), низким максимальным током разряда и низкой скоростью установки отдаваемого тока. Существуют ионисторы с низким ESR, близкие по характеристикам к конденсаторам, но они намного дороже.

Характеристики автомобильных конденсаторов.


Емкость – основной параметр конденсатора. Встречающееся порой требование, что емкость конденсатора (в Фарадах) должна быть равна мощности аудиосистемы в киловаттах, вызывает недоумение у всякого, знакомого с электроникой. Чем больше емкость конденсатора, тем дольше он сможет поддерживать «просадку» питающей сети. Для фильтрации помех 0,5 Ф хватит с большим избытком. Для поддержки питания магнитолы при пиковых нагрузках требуемая емкость зависит от характера этих нагрузок – для одних и 0,5 Ф будет достаточно, для других – и 10 не хватит. Можно остановиться на следующем алгоритме подбора: приобрести модель с небольшой (0,5 Ф) емкостью, но обязательно с вольтметром и индикатором заряда. Во время работы аудиосистемы следить за индикатором заряда и показаниями вольтметра – если на максимальной громкости аудиосистемы индикатор заряда тускнеет, но не гаснет, а напряжение не падает ниже минимального, то конденсатор со своей работой справляется.

Схема подключения дополнительного конденсатора.

Если же индикатор периодически гаснет на небольшое время (до 1-2 с), а напряжение падает, то потребуется добавить в цепь еще один конденсатор параллельно к уже установленному. Если же индикатор гаснет на продолжительное время, это значит, что аудиосистеме не хватает мощности, и установкой конденсаторов эту проблему не решить.

ESR (Equivalent Series Resistance – Эквивалентное Последовательное Сопротивление) – параметр, определяющий максимальный ток разряда. Устанавливаемые в автомобильную аудиосистему конденсаторы должны иметь ESR не более 10 мОм. В принципе, под это требование подойдет любой электролитический конденсатор, но это не значит, что этот параметр можно игнорировать – по нему можно однозначно выяснить, ионистор перед вами или конденсатор. Особенно важно обратить внимание на ESR при выборе компактного конденсатора очень высокой (в десятки и сотни Фарад) емкости. И следует отнестись к нему с большим подозрением, если для него производителем ESR не указан.

Небесполезной опцией будет наличие вольтметра на корпусе конденсатора – он позволит визуально контролировать напряжение на усилителе, отмечать просадки, их величину и продолжительность. На основании наблюдений за вольтметром и индикатором заряда можно делать выводы о достаточной эффективности конденсатора или о необходимости установки дополнительного конденсатора большей емкости.

Нелишне будет выяснить, есть ли у конденсатора зарядное устройство (зарядная схема), ограничивающая зарядный ток. Из-за низкого внутреннего сопротивления конденсатор во время зарядки берет ток, практический равный току короткого замыкания – это может повредить контакты цепи питания и расположенные «по дороге» электронные компоненты. Если зарядной схемы у конденсатора нет, первую его зарядку следует производить через нагрузку – например, через 12-вольтовую лампочку, подключив её последовательно к конденсатору.

Классификация устройств

Прежде, чем ответить на вопрос, для чего нужен конденсатор, следует разобраться, какие они бывают. Конденсаторы разделяются по следующим признакам:

  • Предназначение и выполняемые функции;
  • Рабочие условия;
  • Тип вещества, разделяющего обкладки.

Конденсаторы активно используются в цепях, где необходима их способность копить и хранить электрический заряд (требуется наличие емкостного устройства). Для этого внутри него установлены две обкладки с разными знаками заряда. Между ними расположено вещество, препятствующее их соприкосновению и разрядке. В большинстве случаев в качестве диэлектрика используется тантал или алюминий, но могут применяться и керамические материалы, слюда или полистирол.

Основным достоинством алюминиевых устройств является их более низкая, по сравнению с танталовыми, стоимость, а также более широкая сфера применения. Вместе с тем, танталовые аналоги более эффективны в использовании и обладают более высокими техническими характеристиками, поэтому при выборе следует учитывать не только фактор цены.

Виды конденсаторов

Дополнительная информация. Конденсаторы из тантала отличаются повышенной надежностью, у них широкий рабочий диапазон температур, что позволяет эксплуатировать их практически в любых условиях. Наиболее широкое применение они нашли в электронике и сопутствующих отраслях промышленности, поскольку обладают большой емкостью и компактными габаритами. К недостаткам устройств данного типа специалисты относят их более высокую цену и чувствительность к колебаниям тока и напряжения.

Силовые элементы применяются чаще всего в цепях с высоким напряжением. Специальная конструкция позволяет обеспечивать большую емкость, а значит, они могут использоваться для стабилизации обеспечения электричеством по линиям электропередач (компенсируют потери энергии). Кроме того, они активно используются для повышения мощности промышленных электроустановок. Диэлектрик в таком устройстве – это пропитанная изоляционным маслом металлизированная пропиленовая пленка.

Самыми широко используемыми являются керамические. Их емкость может варьироваться в значительных пределах – от 1 пикофарада до 0,1 микрофарада. Для предотвращения саморазряда применяется керамика, а в качестве преимущества специалисты отмечают доступную цену, широкие функциональные возможности, высокий уровень надежности и низкий –потерь.

Несмотря на свою дороговизну, на практике применяются серебряно-слюдяные конденсаторы. Они работают крайне стабильно, поддерживают высокую емкость, их корпус полностью герметичен. Но широкому распространению мешает высокая цена.

Применяются и бумажные или металлобумажные элементы. Их обкладка изготовлена из алюминиевой фольги, а в качестве диэлектрика используется бумага, пропитанная специальным составом.

Типы конденсаторов

Принцип функционирования

Основная причина, по которой описываемый элемент включается в электрическую схему, состоит в том, чтобы копить заряд в периоды повышенного напряжения и обеспечивать питание цепи в периоды низкого.

Принцип работы конденсатора заключается в следующем. Когда электрический прибор подключен к сети питания, конденсатор заряжается. На одной его пластине накапливаются электроны (частицы с отрицательным зарядом), а на другой – ионы, которые заряжены положительно. Соприкосновению их мешает диэлектрик. Такое устройство конденсатора позволяет накопить заряд. Ведь, как только прибор подключается к источнику тока, напряжение в цепи равно нулю. Затем, по мере наполнения зарядами, напряжение становится равным тому, которое подается от источника.

После того, как прибор отключается от розетки или батареи, происходит разряд конденсатора. Нагрузка в электрической цепи сохраняется, для этого прибору нужны напряжение и ток, который передает устройство. Необходимость питания прибора заставляет электроны в конденсаторе двигаться к ионам, образуется ток, который передается к другим элементам.

Устройство конденсатора

Возможное применение устройств

Конденсаторы служат решению самых разнообразных задач. В частности, они активно используются при хранении аналоговых и цифровых данных, часто устанавливаются в телемеханических устройствах для регулирования сигналов в соответствующем оборудовании, что сохраняет его от различных повреждений и проблем.

Широко распространено применение конденсаторов в источниках бесперебойного питания, что позволяет сглаживать напряжение при подключении к приборам различного оборудования (компьютеры, оргтехника и так далее).

Обратите внимание! По такому же принципу устроен источник бесперебойного питания. Во время подключения к электрической цепи он накапливает заряд, который потом можно использовать в течение короткого времени, что делает возможным выключение техники без каких-либо сбоев, а это особенно актуально в современных условиях, когда информация имеет крайне большое значение.

Описываемые элементы нашли свое применение в различных преобразователях напряжения. В частности, их можно использовать для увеличения напряжения в сети, величина которого будет превышать входное значение.

Важно! Эксплуатация конденсатора в качестве временного источника питания имеет некоторые ограничения. Это объясняется наличием у диэлектрика хоть небольшой, но проводимости. Поэтому устройство со временем постепенно разряжается, следовательно, при необходимости иметь стабильный источник тока лучше воспользоваться аккумуляторной батареей.

Применение конденсаторов

Наличие возможности накопить заряд, а потом быстро его направить в сеть позволяет сделать устройство незаменимым элементом при изготовлении лазеров, вспышек для фотоаппаратов и других подобных приборов.

Таким образом, без использования описываемого устройства практически невозможно представить современную электронную и электротехническую промышленность. Благодаря пониманию того, как работает конденсатор, его активно применяют при производстве различных устройств, как промышленного, так и бытового назначения. Он помогает обеспечить безопасность электрической цепи и увеличивает срок службы различных приборов.

>Видео

Принцип работы

Теперь, когда мы знаем, как обозначается данный элемент на схемах, нужно рассмотреть принцип работы конденсатора. Когда обкладки конденсатора подключают к источнику питания, электрические заряды от положительного и отрицательного зажима ИП устремляются к обкладкам, скапливаясь на них.

Электрический ток прерывается после заряда конденсатора до номинальной ёмкости, так как между обкладками находится слой диэлектрика он не может протекать постоянно. Когда источник питания отключат, на конденсаторе останутся заряды, а значит и останется напряжение на его выводах.

Заряды, скопившиеся на каждой из обкладок, противоположны. Соответственно та обкладка, что была подключена к плюсовому выводу источника питания – заряжена положительно, а та, что к минусовому – отрицательно. Принцип работы этого изделия основан на притяжении разноименных зарядов в электрической цепи.

Простыми словами конденсатор сохранит ту энергию, которая была передана от источника питания – в этом и кроется его назначение. Однако на практике есть разнообразные потери и утечки.

Интересно! Лейденская банка – это прообраз современных конденсаторов, родившийся на свет в 1745 году. Это устройство было способно накапливать энергию и извлекать искры при замыкании его обкладок. Внешний вид и конструкцию вы видите ниже.

А на рисунке ниже вы видите конструкцию простейшего плоского конденсатора – две обкладки, разделенные диэлектриком:

Так как ёмкость прямо пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними – то чтобы увеличить ёмкость, инженеры разработали ряд других форм конденсаторов. Например, свёрнутые в спираль обкладки – так их площадь становилась во много раз больше при тех же габаритных размерах, а также цилиндрические и сферические решения.

Один из законов коммутации гласит, что напряжение на обкладках конденсатора не может изменится скачком, что и иллюстрирует следующая миниатюра.

Виды

Классификация конденсаторов может происходить по различным критериям.

По постоянству ёмкости:

  • Постоянные.
  • Переменные. Их ёмкость может изменяться либо вручную оператором (пользователем) устройства, либо под воздействием напряжения (как в варикапах и варикондах).

По полярности прикладываемого напряжения:

  • Неполярные – могут работать в цепях переменного тока.
  • Полярные – при подключении напряжения неправильной полярности выходят из строя.

В зависимости от того, где используются эти компоненты, различают разные варианты по материалу:

  • Бумажные и металлобумажные – это привычные многим, распространённые в советское время конденсаторы в виде прямоугольных кирпичиков с маркировкой наподобие «МБГЧ». Внешний вид этого вида конденсаторов вы видите ниже. Они неполярные.
  • Керамические – ими часто фильтруют высокочастотные помехи, а относительная диэлектрическая проницаемость позволяет делать многослойные компоненты с ёмкостью сопоставимой электролитам (дорого), не чувствительны к полярности.
  • Плёночные – распространены в виде коричневых подушечек, недорогие, используются повсеместно. Характерны малым током утечки, небольшой ёмкостью, высоким рабочим напряжением и нечувствительностью к полярности приложенного напряжения.
  • С воздушным диэлектриком. Лучший пример такого элемента – подстроечный конденсатор резонансного контура из радиоприёмника, ёмкость таких элементов невелика, но удобно реализовать её изменение.
  • Электролитические – это элементы в виде бочонков, их устанавливают чаще всего в качестве фильтра сетевых пульсаций в БП. Конструкция и принцип действия позволяют получить большую ёмкость при небольших размерах, но со временем могут высыхать, терять ёмкость или вздуваться. Как выглядят в исправном состоянии эти изделия вы видите ниже. В качестве диэлектрика используют тонкий слой оксида металла. Если в БП используют конденсаторы с диэлектриком из AL2O3 – т.н. «алюминиевые электролиты», то для работы в высокочастотных цепях – используют танталовые (Ta205 — они также относятся к электролитам) конденсаторы, потому что у них меньший ток утечки, большая устойчивость к внешним воздействиям в отличие от предыдущих, алюминиевых.
  • Полимерные – способны выдерживать большие импульсные токи, работать при низких температурах

Основные технические характеристики

Если вы ремонтируете или разрабатываете электронное устройство, вам понадобится подбирать подходящий конденсатор для замены вышедшего из строя. А для этого нужно ознакомиться с основными техническими характеристиками конденсатора, от которых зависит его работа в электрической цепи.

Номинальная емкость. Характеризует основное назначение компонента — какой заряд он может запасать. Основная характеристика измеряется в фарадах . Однако такая единица измерения слишком большая, поэтому используют доли:

  • Милифарады, мФ – 0, 001 Ф (10-3);
  • Микрофарады, мкФ – 0, 000 001 Ф (10-6);
  • Нанофарады, нФ – 0, 000 000 001 Ф (10-9);
  • Пикофарады, пФ – 0, 000 000 000 001 Ф (10-12).

Номинальное напряжение — это такое напряжение, до которого конденсатор может гарантировано работать в нормальном режиме. При превышении этого значения с большой долей вероятности происходит пробой диэлектрика. Может быть от единиц вольт (для электролитов) и до тысяч вольт (плёнка и керамика). При ремонте эта величина должна быть не ниже, чем у вышедшего из строя, выше – можно!

Допуск отклонения — насколько реальная ёмкость может отличаться от заявленной номинальной. Может достигать 20-30%, но есть и высокоточные модели с допуском до 1% — для применения в цепях, где требуется особая точность.

Температурный коэффициент емкости — этот параметр важен для электролитов. У алюминиевых конденсаторов при понижении температуры понижается ёмкость и увеличивается удельное электрическое сопротивление (в англ. ESR)

ESR – эквивалентное последовательное сопротивление, также важен для электролитов. Простым языком – чем он больше, тем хуже. У вздувшихся кондёров ESR повышается.

В таблице ниже вы видите допустимые значения ESR для различных номинальных емкостей и напряжений.

Где и для чего применяются

Всё же ответим на вопрос «для чего предназначен конденсатор?» с практической точки зрения. Для этого рассмотрим несколько схем.

Самое широкое применение электролитические конденсаторы нашли в качестве уже не раз упомянутого фильтра сетевых пульсаций в блоках питания. На схеме ниже изображено, где именно устанавливается электролит. Чем больше нагрузка – тем большая ёмкость электролита нужна для сглаживания пульсаций.

Следующее место, где применяются конденсаторы – это фильтры высоких и низких частот. Ниже на схеме приведены типовые включения. Таким образом в акустических системах разводят басы, средние и высокие частоты по динамикам без применения активных компонентов.

Балластные блоки питания часто используются для зарядки небольших аккумуляторов и питания маломощных устройств, таких как дешевые светодиодные лампочки, радиоприёмники и прочие. Плёночный конденсатор устанавливается последовательно с питающим устройством, ограничивая ток за счёт своего реактивного сопротивления – в этом и заключается принцип работы такой простой схемы.

Снабберы – это устройства, предназначенные для защиты полупроводниковых ключей и контактов реле от нагрузок, возникающих при коммутации. В современных импульсных высокочастотных БП нашли применение снабберы из резистора и конденсатора, таким образом улучшаются основные параметры в цепи и снижаются нагрузки на ключи, как и потери мощности на его нагрев. Принцип действия снаббера состоит в замедлении фронтов роста и спада напряжения на ключе за счет использования постоянной времени заряда ёмкости.

Мы рассмотрели, что такое конденсатор, как он устроен и какую функцию выполняет. Для более глубокого изучения вам нужно плотно ознакомится с тем, какие бывают виды конденсаторов и их практических особенностях работы в различных цепях и применениях. Так, например, в случаях, когда требуется особая точность в работе и надежность применяют low-ESR электролиты или танталовые, тогда как в фильтр на выпрямителе особой разницы нет, что ставить.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезные видео по теме статьи:

Также читают:

  • Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики
  • Что такое электрическая емкость
  • Способы определения емкости конденсатора


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *