Конденсаторы имеют множество применений в электронных и электрических системах. Они настолько вездесущи, что редко бывает так, что в электрическом продукте нет хотя бы одного для какой-либо цели. Конденсаторы пропускают только сигналы переменного тока, когда они заряжены, блокируя сигналы постоянного тока. Основными компонентами фильтров являются конденсаторы. Конденсаторы способны соединять один сегмент схемы с другим. Конденсаторы используются устройствами динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) для представления двоичной информации в виде битов.
Конденсатор может хранить электрическую энергию, когда он подключен к своей зарядной цепи, и когда он отключен от своей зарядной цепи, он может рассеивать эту накопленную энергию, поэтому его можно использовать как временную батарею . Конденсаторы обычно используются в электронных устройствах для поддержания электропитания во время замены батарей. (Это предотвращает потерю информации в энергозависимой памяти.)
Обычные электростатические конденсаторы обеспечивают плотность энергии менее 360 джоулей на килограмм, в то время как конденсаторы, использующие развивающуюся технологию, могут обеспечить более 2,52 килоджоулей на килограмм. [1]
В автомобильных аудиосистемах большие конденсаторы накапливают энергию, которую усилитель может использовать по мере необходимости.
Источник бесперебойного питания (ИБП) может быть оснащен необслуживаемыми конденсаторами для продления срока службы . [2]
Группы больших, специально сконструированных, малоиндуктивных высоковольтных конденсаторов ( конденсаторные батареи ) используются для подачи огромных импульсов тока для многих импульсных приложений мощности. К ним относятся электромагнитное формирование , генераторы Маркса , импульсные лазеры (особенно TEA-лазеры ), сети формирования импульсов , исследования термоядерного синтеза и ускорители частиц .
Большие конденсаторные батареи (резервуары) используются в качестве источников энергии для взрывающихся мостовых детонаторов или ударных детонаторов в ядерном оружии и другом специализированном оружии. Ведутся экспериментальные работы по использованию батарей конденсаторов в качестве источников энергии для электромагнитной брони и электромагнитных рельсовых или койлганов .
Накопительные конденсаторы используются в источниках питания, где они сглаживают выходной сигнал однополупериодного или однополупериодного выпрямителя. Они также могут использоваться в схемах подкачки заряда в качестве элемента накопления энергии при генерации более высоких напряжений, чем входное напряжение.
Конденсаторы подключаются параллельно к цепям питания постоянного тока большинства электронных устройств для сглаживания колебаний тока для сигнальных или управляющих цепей. Например, аудиооборудование использует несколько конденсаторов таким образом, чтобы шунтировать гул линии питания до того, как он попадет в сигнальную цепь. Конденсаторы действуют как локальный резерв для источника питания постоянного тока и обходят переменные токи от источника питания. Это используется в автомобильных аудиоприложениях, когда конденсатор жесткости компенсирует индуктивность и сопротивление проводов к свинцово-кислотному автомобильному аккумулятору.
В распределении электроэнергии конденсаторы используются для коррекции коэффициента мощности. Такие конденсаторы часто поставляются в виде трех конденсаторов, соединенных как трехфазная электрическая нагрузка. Обычно значения этих конденсаторов указываются не в фарадах, а как реактивная мощность в вольт-амперах реактивных (ВАр). Цель состоит в том, чтобы противодействовать индуктивной нагрузке от таких устройств, как асинхронные двигатели, электродвигатели и линии электропередачи, чтобы нагрузка выглядела в основном резистивной. Отдельные двигательные или ламповые нагрузки могут иметь конденсаторы для коррекции коэффициента мощности, или более крупные наборы конденсаторов (обычно с автоматическими коммутационными устройствами) могут быть установлены в центре нагрузки внутри здания или на большой коммунальной электрической подстанции. В системах передачи постоянного тока высокого напряжения конденсаторы коррекции коэффициента мощности могут иметь настраиваемые индукторы для подавления гармонических токов, которые в противном случае были бы введены в систему питания переменного тока.
Конденсаторы, используемые для подавления нежелательных частот, иногда называют фильтрующими конденсаторами . Они распространены в электрическом и электронном оборудовании и охватывают ряд приложений, таких как:
Поскольку конденсаторы пропускают переменный ток, но блокируют сигналы постоянного тока (при зарядке до приложенного постоянного напряжения), их часто используют для разделения переменного и постоянного тока в сигнале. Этот метод известен как связь по переменному току или «емкостная связь». Здесь используется большое значение емкости, значение которой не нужно точно контролировать, но реактивное сопротивление которой мало на частоте сигнала.
Развязывающий конденсатор — это конденсатор, используемый для развязки одной части цепи от другой. Шум, вызванный другими элементами цепи, шунтируется через конденсатор, что снижает его влияние на остальную часть цепи. Чаще всего он используется между источником питания и землей. Для более высоких частот альтернативное название — обходной конденсатор , поскольку он используется для обхода источника питания или другого компонента цепи с высоким импедансом.
Фильтр верхних частот (ФВЧ) — это электронный фильтр, который пропускает сигналы с частотой выше определенной частоты среза и ослабляет сигналы с частотами ниже частоты среза. Величина ослабления для каждой частоты зависит от конструкции фильтра. Фильтр верхних частот обычно моделируется как линейная система, не зависящая от времени. Иногда его называют фильтром нижних частот или фильтром нижних частот.[1] Фильтры верхних частот имеют множество применений, например, блокирование постоянного тока от схем, чувствительных к ненулевым средним напряжениям или радиочастотным устройствам. Их также можно использовать вместе с фильтром нижних частот для создания полосового фильтра.
Фильтр нижних частот (ФНЧ) — это фильтр, который пропускает сигналы с частотой ниже выбранной частоты среза и ослабляет сигналы с частотами выше частоты среза. Точная частотная характеристика фильтра зависит от конструкции фильтра. Фильтр иногда называют фильтром верхних частот или фильтром верхних частот в аудиоприложениях. Фильтр нижних частот является дополнением к фильтру верхних частот.
Когда индуктивная цепь размыкается, ток через индуктивность быстро разрушается, создавая большое напряжение в разомкнутой цепи переключателя или реле. Если индуктивность достаточно велика, энергия будет генерировать электрическую искру , заставляя контактные точки окисляться, портиться или иногда свариваться вместе или разрушать твердотельный переключатель. Демпфирующий конденсатор на вновь открытой цепи создает путь для этого импульса, чтобы обойти контактные точки, тем самым сохраняя их срок службы; они обычно встречаются в системах зажигания с контактным прерывателем , например. Аналогично, в схемах меньшего масштаба искра может быть недостаточной, чтобы повредить переключатель, но все равно будет излучать нежелательные радиочастотные помехи (RFI), которые поглощает фильтрующий конденсатор. Демпфирующие конденсаторы обычно используются с резистором низкого номинала последовательно, чтобы рассеивать энергию и минимизировать RFI. Такие комбинации резистора и конденсатора доступны в одном корпусе.
Конденсаторы также используются параллельно для прерывания блоков высоковольтного выключателя с целью равномерного распределения напряжения между этими блоками. В этом случае их называют градуировочными конденсаторами.
На принципиальных схемах конденсатор, используемый в основном для хранения постоянного тока, часто изображается вертикально, при этом нижняя, более отрицательная пластина изображается в виде дуги. Прямая пластина указывает на положительный вывод устройства, если оно поляризовано (см. электролитический конденсатор ).
Керамические дисковые конденсаторы обычно используются в цепях демпфирования низковольтных двигателей из-за их низкой индуктивности и низкой стоимости.
Для работы с высоким пульсирующим током часто требуются электролиты с низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением) .
Конденсаторы сетевого фильтра обычно представляют собой инкапсулированные намотанные пластиковые пленочные конденсаторы, поскольку они обеспечивают высокое напряжение при низкой стоимости и могут быть сделаны самовосстанавливающимися и плавкими. Конденсаторы сетевого фильтра часто представляют собой керамические конденсаторы подавления радиочастотных и электромагнитных помех . Дополнительные требования безопасности для сетевой фильтрации следующие:
Электролитические конденсаторы обычно используются из-за высокой емкости при низкой стоимости и небольшом размере. Меньшие неэлектролитические конденсаторы могут быть подключены параллельно с ними, чтобы компенсировать плохую производительность электролитических конденсаторов на высоких частотах.
Компьютеры используют большое количество фильтрующих конденсаторов, что делает размер важным фактором. Твердые танталовые и влажные танталовые конденсаторы предлагают одни из лучших показателей CV (емкость/напряжение) в некоторых из наиболее объемно эффективных корпусов. Высокие токи и низкие напряжения также делают важным низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Твердые танталовые конденсаторы предлагают версии с низким ESR, которые часто могут соответствовать требованиям ESR, но они не являются вариантом с самым низким ESR среди всех конденсаторов. Твердые танталовые конденсаторы имеют дополнительную проблему, которую необходимо решить на этапе проектирования. Твердые танталовые конденсаторы должны иметь пониженное напряжение во всех приложениях. Рекомендуется снижение напряжения на 50%, и это общепринятый отраслевой стандарт; например, твердый танталовый конденсатор на 50 В никогда не должен подвергаться фактическому напряжению приложения выше 25 В. Твердые танталовые конденсаторы являются очень надежными компонентами, если соблюдать надлежащую осторожность и все рекомендации по проектированию тщательно соблюдаются. К сожалению, механизм отказа твердотельного танталового конденсатора — короткое замыкание, которое приведет к сильному возгоранию и дымлению на печатной плате, способному повредить другие компоненты в непосредственной близости, а также полностью разрушить конденсатор. К счастью, большинство отказов твердотельных танталовых конденсаторов будут немедленными и очень очевидными. После применения производительность твердотельного танталового конденсатора со временем улучшится, а вероятность отказа из-за неправильного изготовления компонента уменьшится. Влажные танталы — это тип электролитического конденсатора, использующий танталовую таблетку в электролитическом материале, запечатанном в герметичный корпус. Этот тип танталового конденсатора не требует такого же снижения номинальных характеристик, как твердый тантал, и его механизм выхода из строя открыт. Для влажных танталов рекомендуется кривая снижения напряжения от 10% до 20% при работе от 85°C до 125°C. Влажные танталы обычно не называют просто «электролитами», потому что обычно «электролитический» относится к алюминиевым электролитам.
В однофазных двигателях с короткозамкнутым ротором первичная обмотка внутри корпуса двигателя не способна запустить вращательное движение ротора, но способна его поддерживать. Для запуска двигателя вторичная обмотка используется последовательно с неполяризованным пусковым конденсатором , чтобы ввести задержку в синусоидальном токе через пусковую обмотку. Когда вторичная обмотка расположена под углом по отношению к первичной обмотке, создается вращающееся электрическое поле. Сила вращающегося поля не постоянна, но достаточна для запуска вращения ротора. Когда ротор приближается к рабочей скорости, центробежный выключатель (или чувствительное к току реле последовательно с основной обмоткой) отключает конденсатор. Пусковой конденсатор обычно устанавливается сбоку корпуса двигателя. Такие двигатели называются двигателями с конденсаторным пуском и имеют относительно высокий пусковой крутящий момент.
Существуют также асинхронные двигатели с конденсаторным управлением, которые имеют постоянно подключенный фазосдвигающий конденсатор последовательно со второй обмоткой. Двигатель во многом похож на двухфазный асинхронный двигатель.
Пусковые конденсаторы двигателей обычно представляют собой неполяризованные электролитические конденсаторы, тогда как рабочие конденсаторы представляют собой обычные бумажные или пленочные диэлектрики .
Энергия, запасенная в конденсаторе, может использоваться для представления информации, либо в двоичной форме, как в DRAM , либо в аналоговой форме, как в аналоговых выборочных фильтрах и приборах с зарядовой связью CCD. Конденсаторы могут использоваться в аналоговых схемах в качестве компонентов интеграторов или более сложных фильтров, а также в стабилизирующих петлях отрицательной обратной связи . Схемы обработки сигналов также используют конденсаторы для интегрирования токового сигнала.
Конденсаторы и индукторы применяются вместе в настроенных схемах для выбора информации в определенных частотных диапазонах. Например, радиоприемники используют переменные конденсаторы для настройки частоты станции. Динамики используют пассивные аналоговые кроссоверы , а аналоговые эквалайзеры используют конденсаторы для выбора различных звуковых диапазонов.
Большинство конденсаторов разработаны для поддержания фиксированной физической структуры. Однако различные факторы могут изменить структуру конденсатора; полученное изменение емкости может быть использовано для обнаружения этих факторов.
Эффекты изменения характеристик диэлектрика также могут быть использованы для зондирования и измерения. Конденсаторы с открытым и пористым диэлектриком могут быть использованы для измерения влажности воздуха. Конденсаторы используются для точного измерения уровня топлива в самолетах ; по мере того, как топливо покрывает большую часть пары пластин, емкость цепи увеличивается.
Конденсатор с гибкой пластиной можно использовать для измерения деформации, давления или веса .
Промышленные датчики давления, используемые для управления технологическими процессами , используют чувствительные к давлению диафрагмы, которые образуют конденсаторную пластину колебательного контура. Конденсаторы используются в качестве датчика в конденсаторных микрофонах , где одна пластина перемещается давлением воздуха относительно фиксированного положения другой пластины. Некоторые акселерометры используют конденсаторы микроэлектромеханических систем (MEMS), вытравленные на чипе, для измерения величины и направления вектора ускорения. Они используются для обнаружения изменений ускорения, например, в качестве датчиков наклона или для обнаружения свободного падения, в качестве датчиков, запускающих срабатывание подушки безопасности , и во многих других приложениях. Некоторые датчики отпечатков пальцев используют конденсаторы.
Емкостные сенсорные переключатели теперь используются во многих потребительских электронных продуктах.
Конденсатор может обладать пружинными свойствами в цепи генератора. В примере на изображении конденсатор влияет на напряжение смещения на базе npn-транзистора. Значения сопротивления резисторов делителя напряжения и значение емкости конденсатора совместно управляют частотой колебаний.
Конденсаторы могут сохранять заряд в течение длительного времени после отключения питания от цепи; этот заряд может вызвать опасные или даже потенциально смертельные удары током или повредить подключенное оборудование. Например, даже такое, казалось бы, безобидное устройство, как одноразовая вспышка камеры, работающая от 1,5-вольтовой батарейки типа АА, содержит конденсатор, который может быть заряжен до более чем 300 вольт. Это легко может вызвать удар током. Процедуры обслуживания электронных устройств обычно включают инструкции по разрядке больших или высоковольтных конденсаторов. Конденсаторы также могут иметь встроенные разрядные резисторы для рассеивания накопленной энергии до безопасного уровня в течение нескольких секунд после отключения питания. Высоковольтные конденсаторы хранятся с закороченными клеммами в качестве защиты от потенциально опасных напряжений из-за диэлектрической абсорбции.
Некоторые старые большие масляные конденсаторы содержат полихлорированные бифенилы (ПХБ). Известно, что отходы ПХБ могут просачиваться в грунтовые воды под свалками. Конденсаторы, содержащие ПХБ, маркировались как содержащие «Аскарель» и несколько других торговых наименований. Конденсаторы, заполненные ПХБ, встречаются в очень старых (до 1975 года) балластах люминесцентных ламп и других устройствах.
Высоковольтные конденсаторы могут катастрофически выйти из строя, если подвергнутся напряжению или току, превышающему их номинал, или когда они достигнут своего обычного конца срока службы. Неисправности диэлектрических или металлических соединений могут привести к образованию дуги, которая испаряет диэлектрическую жидкость, что приводит к вздутию, разрыву или даже взрыву. Конденсаторы, используемые в радиочастотных или длительно сильных токах, могут перегреваться, особенно в центре рулонов конденсаторов. Конденсаторы, используемые в высокоэнергетических конденсаторных батареях, могут сильно взорваться, когда короткое замыкание в одном конденсаторе вызывает внезапный сброс энергии, накопленной в остальной части батареи, в неисправный блок. Высоковольтные вакуумные конденсаторы могут генерировать мягкое рентгеновское излучение даже во время нормальной работы. Правильная герметизация, плавление и профилактическое обслуживание могут помочь свести эти опасности к минимуму.
Высоковольтные конденсаторы могут выиграть от предварительной зарядки для ограничения пусковых токов при включении питания цепей постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Это продлит срок службы компонента и может снизить опасность высокого напряжения.