Доклад: Конденсаторы Capacitor

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ НЕФТИ И ГАЗА

Кафедра «Иностранных языков»

Доклад по дисциплине “Английский язык”

Тема: “Конденсаторы ”

Выполнил: студент гр. ЭЭТб-09-01

Теньков Д.А.

Руководитель: Шаляпин Д.Г.

Тюмень 2010 г

Capacitor

A capacitor is a passive electronic component consisting of a pair of conductors separated by a dielectric (insulator). When there is a potential difference (voltage) across the conductors, a static electric field develops in the dielectric that stores energy and produces a mechanical force between the conductors. An ideal capacitor is characterized by a single constant value, capacitance, measured in farads. This is the ratio of the electric chargeon each conductor to the potential difference between them.

Capacitors are widely used in electronic circuits for blocking direct current while allowing alternating current to pass, in filter networks, for smoothing the output of power supplies, in the resonant circuits that tune radios to particular frequencies and for many other purposes.

The effect is greatest when there is a narrow separation between large areas of conductor, hence capacitor conductors are often called "plates", referring to an early means of construction. In practice the dielectric between the plates passes a small amount of leakage current and also has an electric field strength limit, resulting in a breakdown voltage, while the conductors and leads introduce an undesired inductance and resistance.

History

In October 1745, Ewald Georg von Kleist of Pomerania in Germany found that charge could be stored by connecting a high voltage electrostatic generator by a wire to a volume of water in a hand-held glass jar. Von Kleist's hand and the water acted as conductors and the jar as a dielectric (although details of the mechanism were incorrectly identified at the time). Von Kleist found, after removing the generator, that touching the wire resulted in a painful spark. In a letter describing the experiment, he said "I would not take a second shock for the kingdom of France." The following year, the Dutch physicist Pieter van Musschenbroek invented a similar capacitor, which was named the Leyden jar, after the University of Leiden where he worked.

Daniel Gralath was the first to combine several jars in parallel into a "battery" to increase the charge storage capacity. Benjamin Franklin investigated theLeyden jar and "proved" that the charge was stored on the glass, not in the water as others had assumed. He also adopted the term "battery", (denoting the increasing of power with a row of similar units as in a battery of cannon), subsequently applied to clusters of electrochemical cells. Leyden jars were later made by coating the inside and outside of jars with metal foil, leaving a space at the mouth to prevent arcing between the foils. The earliest unit of capacitance was the 'jar', equivalent to about 1 nanofarad.

Leyden jars or more powerful devices employing flat glass plates alternating with foil conductors were used exclusively up until about 1900, when the invention of wireless (radio) created a demand for standard capacitors, and the steady move to higher frequencies required capacitors with lower inductance. A more compact construction began to be used of a flexible dielectric sheet such as oiled paper sandwiched between sheets of metal foil, rolled or folded into a small package.

Theory of operation

A capacitor consists of two conductors separated by a non-conductive region called the dielectric medium though it may be a vacuum or a semiconductor depletion region chemically identical to the conductors. A capacitor is assumed to be self-contained and isolated, with no net electric charge and no influence from any external electric field. The conductors thus hold equal and opposite charges on their facing surfaces, and the dielectric develops an electric field. In SI units, a capacitance of one farad means that one coulomb of charge on each conductor causes a voltage of one volt across the device.

Capacitor types

Practical capacitors are available commercially in many different forms. The type of internal dielectric, the structure of the plates and the device packaging all strongly affect the characteristics of the capacitor, and its applications.

Values available range from very low (picofarad range; while arbitrarily low values are in principle possible, stray (parasitic) capacitance in any circuit is the limiting factor) to about 5 kF supercapacitors.

Above approximately 1 microfarad electrolytic capacitors are usually used because of their small size and low cost compared with other technologies, unless their relatively poor stability, life and polarised nature make them unsuitable. Very high capacity supercapacitors use a porous carbon-based electrode material.

Most types of capacitor include a dielectric spacer, which increases their capacitance. These dielectrics are most often insulators. However, low capacitance devices are available with a vacuum between their plates, which allows extremely high voltage operation and low losses. Variable capacitors with their plates open to the atmosphere were commonly used in radio tuning circuits. Later designs use polymer foil dielectric between the moving and stationary plates, with no significant air space between them.

In order to maximise the charge that a capacitor can hold, the dielectric material needs to have as high a permittivity as possible, while also having as high abreakdown voltage as possible.

Several solid dielectrics are available, including paper, plastic, glass, mica and ceramic materials. Paper was used extensively in older devices and offers relatively high voltage performance. However, it is susceptible to water absorption, and has been largely replaced by plastic film capacitors. Plastics offer better stability and aging performance, which makes them useful in timer circuits, although they may be limited to low operating temperatures and frequencies. Ceramic capacitors are generally small, cheap and useful for high frequency applications, although their capacitance varies strongly with voltage and they age poorly. They are broadly categorized as class 1 dielectrics, which have predictable variation of capacitance with temperature or class 2 dielectrics, which can operate at higher voltage. Glass and mica capacitors are extremely reliable, stable and tolerant to high temperatures and voltages, but are too expensive for most mainstream applications. Electrolytic capacitors andsupercapacitors are used to store small and larger amounts of energy, respectively, ceramic capacitors are often used in resonators, and parasitic capacitance occurs in circuits wherever the simple conductor-insulator-conductor structure is formed unintentionally by the configuration of the circuit layout.

Electrolytic capacitors use an aluminum or tantalum plate with an oxide dielectric layer. The second electrode is a liquid electrolyte, connected to the circuit by another foil plate. Electrolytic capacitors offer very high capacitance but suffer from poor tolerances, high instability, gradual loss of capacitance especially when subjected to heat, and high leakage current. Poor quality capacitors may leak electrolyte, which is harmful to printed circuit boards. The conductivity of the electrolyte drops at low temperatures, which increases equivalent series resistance. While widely used for power-supply conditioning, poor high-frequency characteristics make them unsuitable for many applications. Electrolytic capacitors will self-degrade if unused for a period (around a year), and when full power is applied may short circuit, permanently damaging the capacitor and usually blowing a fuse or causing arcing in rectifier tubes. They can be restored before use (and damage) by gradually applying the operating voltage, often done on antique vacuum tube equipment over a period of 30 minutes by using a variable transformer to supply AC power. Unfortunately, the use of this technique may be less satisfactory for some solid state equipment, which may be damaged by operation below its normal power range, requiring that the power supply first be isolated from the consuming circuits. Such remedies may not be applicable to modern high-frequency power supplies as these produce full output voltage even with reduced input.

Tantalum capacitors offer better frequency and temperature characteristics than aluminum, but higher dielectric absorption and leakage. OS-CON (or OC-CON) capacitors are a polymerized organic semiconductor solid-electrolyte type that offer longer life at higher cost than standard electrolytic capacitors.

Several other types of capacitor are available for specialist applications. Supercapacitors store large amounts of energy. Supercapacitors made from carbon aerogel, carbon nanotubes, or highly porous electrode materials offer extremely high capacitance (up to 5 kF as of 2010) and can be used in some applications instead of rechargeable batteries. Alternating current capacitors are specifically designed to work on line (mains) voltage AC power circuits. They are commonly used in electric motor circuits and are often designed to handle large currents, so they tend to be physically large. They are usually ruggedly packaged, often in metal cases that can be easily grounded/earthed. They also are designed with direct current breakdown voltages of at least five times the maximum AC voltage.

Structure

The arrangement of plates and dielectric has many variations depending on the desired ratings of the capacitor. For small values of capacitance (microfarads and less), ceramic disks use metallic coatings, with wire leads bonded to the coating. Larger values can be made by multiple stacks of plates and disks. Larger value capacitors usually use a metal foil or metal film layer deposited on the surface of a dielectric film to make the plates, and a dielectric film of impregnated paper or plastic – these are rolled up to save space. To reduce the series resistance and inductance for long plates, the plates and dielectric are staggered so that connection is made at the common edge of the rolled-up plates, not at the ends of the foil or metalized film strips that comprise the plates.

The assembly is encased to prevent moisture entering the dielectric – early radio equipment used a cardboard tube sealed with wax. Modern paper or film dielectric capacitors are dipped in a hard thermoplastic. Large capacitors for high-voltage use may have the roll form compressed to fit into a rectangular metal case, with bolted terminals and bushings for connections. The dielectric in larger capacitors is often impregnated with a liquid to improve its properties.

Capacitors may have their connecting leads arranged in many configurations, for example axially or radially. "Axial" means that the leads are on a common axis, typically the axis of the capacitor's cylindrical body – the leads extend from opposite ends. Radial leads might more accurately be referred to as tandem; they are rarely actually aligned along radii of the body's circle, so the term is inexact, although universal. The leads (until bent) are usually in planes parallel to that of the flat body of the capacitor, and extend in the same direction; they are often parallel as manufactured. Small, cheap discoidal ceramic capacitors have existed since the 1930s, and remain in widespread use. Since the 1980s, surface mount packages for capacitors have been widely used. These packages are extremely small and lack connecting leads, allowing them to be soldered directly onto the surface ofprinted circuit boards. Surface mount components avoid undesirable high-frequency effects due to the leads and simplify automated assembly, although manual handling is made difficult due to their small size. Mechanically controlled variable capacitors allow the plate spacing to be adjusted, for example by rotating or sliding a set of movable plates into alignment with a set of stationary plates. Low cost variable capacitors squeeze together alternating layers of aluminum and plastic with a screw. Electrical control of capacitance is achievable with varactors (or varicaps), which are reverse-biasedsemiconductor diodes whose depletion region width varies with applied voltage. They are used in phase-locked loops, amongst other applications.

Конденсатор

Конденсатор является пассивным электронным компонентом , состоящий из пары проводников , разделенных диэлектрической (изолятор).Когда есть разность потенциалов (напряжения) через проводников, статические электрические поля развивается в диэлектрических который хранит энергию и производит механические силы между проводниками. Идеальный конденсатор характеризуется одной постоянной величине,емкость , измеряемая в фарад . Это отношение электрического заряда на каждый проводник к разности потенциалов между ними.

Конденсаторы широко используются в электронных схемах для блокировки постоянного тока , позволяя переменного тока для передачи, в фильтр сетей, для сглаживания выход питания , в резонансных контуров , что настройки радиостанций в частности частот и для многих других целей.

Наибольший эффект при наличии узких расстояние между большой площади проводника, следовательно, конденсатор проводники называют "тарелки", ссылаясь на ранних счет строительства. На практике диэлектрика между пластинами проходит небольшое количество ток утечки , а также имеет предел электрического поля, в результате чего напряжение пробоя , в то время как проводников и ведет ввести нежелательныхиндуктивности и сопротивления .

История

В октябре 1745 г. Эвальда Георга фон Клейста из Померании в Германии обнаружили, что заряд может храниться при подключении высокого напряжения электростатического генератора по проводам к объему воды в ручной стеклянную банку. Клейста стороны фон и воды выступал в качестве проводников и банку в качестве диэлектрика (хотя детали механизма были неправильно определены в то время). Фон Клейст найден, после удаления генератор, что прикосновение провода привели к болезненным искры. В письме к описанию эксперимента, он сказал: "Я бы не взять второй шок для королевства Франции." В следующем году голландский физик Питер ван Musschenbroek изобрел аналогичный конденсатор, который был назван лейденской банки , после Лейденский университет , где он работал.

Даниэль Гралах был первым объединить несколько банок параллельно в "батареи", чтобы увеличить емкость заряда. Бенджамин Франклинисследовал лейденской банки и "доказал", что обвинение было храниться на стекло, а не в воде, как другие взяли на себя . Кроме того, он ввел термин "батарея", (обозначая увеличение мощности с рядом аналогичных единиц, как и в батарею пушек ), впоследствии применяться ккластеров электрохимических ячеек . Лейден банки были позже сделанное покрытие внутри и снаружи банки с металлической фольгой, оставляя пространство в рот, чтобы предотвратить искрение между фольги. Самые ранние единицу емкости был "банку", что эквивалентно примерно 1 нанофарад

Лейден банки или более мощных устройств на плоских стеклянных пластин, чередующихся с фольгой проводники были использованы исключительно Вплоть до 1900 года, когда изобретение беспроводной ( радио ) создали спрос на стандартные конденсаторы и устойчивое движение к более высоким частотам требуется конденсаторы с низким индуктивности . Более компактную конструкцию, начал использоваться в гибких диэлектрических листов, таких как промасленной бумагой зажатый между листами из металлической фольги, проката или сложить в небольшой пакет.

Раннее конденсаторы также были известны как конденсаторы , термин, который до сих пор иногда используется и сегодня. Этот термин был впервые использован для этой цели Алессандро Вольта в 1782 году, со ссылкой на устройство способность хранить более высокая плотность электрического заряда, чем нормальные изолированных проводника.

Принцип действия

Конденсатор состоит из двух проводников , разделенных непроводящие области называется диэлектрической среды , хотя это может быть вакуума или полупроводника области обеднения химически идентичные проводников.Конденсатор предполагается быть самодостаточным и изолированным, не чистый электрический заряд и не оказывает влияния от любого внешнего электрического поля. Таким образом проводники имеют равные и противоположные заряды на их поверхности сталкиваются, и диэлектрические развивается электрического поля. В СИ единиц, емкость одного фарад означает, что один кулоновского заряда на каждый проводник причины напряжения одного вольта через устройство.

Конденсатор типа

Практические конденсаторов являются коммерчески доступными в различных формах. Тип внутреннего диэлектрика, структура пластин и устройства упаковки всех сильно влияют на характеристики конденсатора, и ее приложениям.

Значения доступный диапазон от очень низкого (пикофарада диапазоне, в то время сколь угодно малых значений, в принципе, возможно, бродячих (паразитарные) емкости в любой схемы является ограничивающим фактором) до примерно 5 кр суперконденсаторов .

Выше примерно 1 мкФ электролитические конденсаторы обычно используются из-за их малого размера и низкой стоимости по сравнению с другими технологиями, если только их относительно бедных стабильности, жизни и поляризованный характер делают их непригодными. Очень высокий потенциал использования суперконденсаторов пористого углеродного материала электрода.

Большинство типов конденсаторов включают диэлектрической прокладкой, что увеличивает их емкость. Эти диэлектриков чаще всего изоляторов.Однако, низкая емкость устройств доступны с вакуумом между пластинами, что позволяет чрезвычайно высоким напряжением и малыми потерями.Переменный конденсатор с пластинами открыты для атмосферы обычно использовались в настройке схемы радио. Позже конструкций использовать полимер фольги диэлектрика между подвижных и неподвижных пластин, без существенных воздушным пространством между ними.

В целях максимального заряда конденсатора, что может держать, диэлектрического материала необходимо иметь высокую проницаемость это возможно, а также имеющие в качестве высокого напряжения пробоя насколько это возможно.

Несколько твердых диэлектриков доступны, в том числе бумага , пластик , стекло , слюда и керамических материалов. Бумага была широко используется в более старых устройств и предложения относительно высокого напряжения производительности. Тем не менее, чувствительны к воде поглощения, и в значительной степени заменить пластиковые пленочные конденсаторы. Пластмассы предлагают лучшую стабильность и старения представление, которое делает их полезными в таймер схемы, хотя они могут быть ограничены низкой рабочей температуры и частоты.Керамические конденсаторы, как правило, небольшой, дешевый и полезный для высокочастотных устройств, хотя их емкость сильно меняется с напряжением и они стареют плохо. Они в широком смысле классифицируется как класс 1 диэлектриков , которые имеют предсказуемые изменения емкости при температуре или класса 2 диэлектриков , которые могут работать при более высоком напряжении. Стекла и слюды конденсаторы чрезвычайно надежной, стабильной и устойчивой к высоким температурам и напряжения, но слишком дороги для большинства популярных приложений. Электролитических конденсаторов исуперконденсаторов используются для хранения малых и больших количеств энергии, соответственно, керамические конденсаторы часто используются в резонаторах , и паразитной емкости происходит в цепях, где простой-диэлектрик-проводник структуры проводника образуются самопроизвольно от конфигурации разметка .

Электролитические конденсаторы использования алюминиевых или танталовых пластин с оксидом слой диэлектрика. Второй электрод находится в жидком состоянии электролита , подключенный к цепи другой фольги пластины. Электролитические конденсаторы предлагают очень высокой емкостью, но страдают от плохого допусков, высокая нестабильность, постепенная потеря емкости особенно при воздействии тепла и высоким током утечки. Низкое качество конденсаторов может течь электролита, который вреден для печатных плат. Проводимость электролита падает при низких температурах, что увеличивает эквивалентное последовательное сопротивление. Хотя широко используется для питания кондиционирования сила, плохая-частотных характеристик высокого делают их непригодными для многих приложений. Электролитические конденсаторы будут самостоятельно ухудшить, если не используется в течение периода (около года), а при полной мощности применяется возможно короткое замыкание, постоянно повреждение конденсатора и обычно дует предохранитель или вызывающих искрение в выпрямителя труб. Они могут быть восстановлены перед использованием (и повреждений) посредством постепенного рабочее напряжение, часто делается на античныхмеханотронное оборудования в течение 30 минут с помощью переменного трансформатора к сети переменного тока. К сожалению, использование этой техники может быть менее удовлетворительным для некоторых полупроводниковых устройств, которые могут быть повреждены при работе ниже своего нормального диапазона мощности, требуя, чтобы электрической сети быть изолированы от потребления схемы. Такие средства не могут быть применимы к современной промышленной частоты высокого поставок, как эти продукты полного выходного напряжения даже при ограниченной вход.

Танталовые конденсаторы предлагают лучшие частоты и температуры характеристиками, чем алюминий, но выше диэлектрического поглощения и утечки. OS-CON (или OC-CON) конденсаторы полимеризованного органических полупроводниковых твердых электролитов типа, которые предлагают больше жизни на более высокую стоимость, чем стандартные электролитические конденсаторов.

Несколько других типов конденсаторов доступны для специальных приложениях. Суперконденсаторы хранить большое количество энергии. Суперконденсаторы из углеродистых аэрогеля , углеродные нанотрубки, или очень пористые материалы электродов предлагают чрезвычайно высокой емкости (до 5 кр с 2010 года ) и может быть использована в некоторых приложениях вместо аккумуляторов . Переменный ток конденсаторы предназначены специально для работы на линии ( сети) цепях переменного тока. Они широко используются в электрический двигатель схемы и часто предназначены для обработки больших токах, поэтому они, как правило, больших размеров. Они, как правило, прочная упакованы, часто в металлические ящики, которые могут быть легко заземленной / заземлен. Кроме того, они разработаны с постоянным током напряжением пробоя не менее пяти раз напряжения переменного тока максимум.

Сруктура

Расположение пластин и диэлектрических имеет много вариаций в зависимости от желаемого рейтинги конденсатора. При малых значениях емкости (мкФ и менее), керамические диски использования металлических покрытий, с проводом приводит связан с покрытием. Большие значения могут быть сделаны несколько пачки пластин и дисков. Значение конденсаторы большего обычно используют металлическую фольгу или пленку слой металла, нанесенного на поверхность диэлектрической пленки, чтобы пластины, и диэлектрическая пленка пропитанной бумаги или пластика - это подкатил к экономии места. Для уменьшения сопротивления и индуктивности долго пластин, пластин и диэлектрических расположены в шахматном порядке так, что соединение осуществляется на общих краю свернутой пластины, а не на концах фольгой или металлизированной полосы фильм, который включает пластин.

Ассамблея заключен, чтобы влага ввода диэлектрической - начале радио оборудования, используемого картона трубку запечатанных воском.Современные бумагой или пленкой диэлектрика конденсаторов, смоченной в жестком термопластика. Большие конденсаторы высокого напряжения использование может иметь рулонах сжатый, чтобы вписаться в прямоугольном корпусе металла, с болтами терминалов и втулки для соединения.Диэлектрика в больших конденсаторов часто пропитаны жидкостью для улучшения его свойств.

Конденсаторы могут иметь свои соединительные провода расположены во многих конфигурациях, например аксиально или радиально. "Осевой" означает, что приводит находятся на общей оси, как правило, оси конденсатора цилиндрического корпуса - приводит продлить с противоположных концов. Радиальные приводит могут более точно назвать тандеме, они редко бывают на самом деле выстроены вдоль радиуса окружности тела, так что этот термин неточен, хотя универсальным. Приводит (до Бент), как правило, в плоскости, параллельной плоское тело из конденсатора, и распространяются в одном направлении, они часто параллельно, как производятся.

Маленькие, дешевые дискообразные керамических конденсаторов существовали с 1930-х годов, и остаются в широкое использование. С 1980-х годов, для поверхностного монтажа пакеты для конденсаторов широко были использованы. Эти пакеты чрезвычайно малы и отсутствия соединительных проводов, что позволяет им быть припаяны непосредственно на поверхностипечатных плат . Поверхностного монтажа компонентов избежать нежелательных частот эффекты высокой из-за клиентов и упрощения автоматизированной сборки, хотя ручной обработки затруднено из-за их малого размера.

Механическим управлением конденсаторы переменной позволяет планки скорректировать, например, вращающихся или скользящих множество подвижных пластин в соответствие с множества стационарных плит. Низкая стоимость конденсаторов переменной сжать вместе чередующихся слоев алюминия и пластика с винтом . Электрическое управление емкости достижимо с варакторов (или варикапов), которые при обратном смещении полупроводниковых диодов которого обеднения ширина варьируется в зависимости от приложенного напряжения.Они используются в фазовой автоподстройки петель , среди других приложений.