Принцип работы конденсатора в схеме. Для чего нужны конденсаторы

Споры о том, нужен конденсатор в автозвуке или нет, не утихают и не утихнут наверное никогда. 12 лет назад, когда я только начинал заниматься автозвуком, считалось, что это практически самая необходимая часть аудиосистемы, что без "накопителя" аккумулятор садится очень быстро, а с ним музыку на природе можно слушать минимум часа 2 и даже дольше, а потом машина без проблем заводится и можно ехать.

То есть считалось, что конденсатор - это что-то типа дополнительного аккумулятора. Сейчас, конечно всем известно, что это миф и емкость конденсатора на несколько порядков меньше емкости аккумулятора. В нынешнее время считается, что конденсатор вообще вещь не нужная, бесполезная и служит только для законного отъёма денег у населения, сейчас это самая распространенная точка зрения благодаря известным видеообзорам на ютубе. Между тем конденсатор включенный в цепи питания мощных аудиосистем как был простым банальным сглаживающим фильтром, так им и остался. Емкость, включенная параллельно нагрузке в принципе ничем другим быть и не может.
Нужен конденсатор в системе или не нужен, каждый решает для себя сам. Но чтобы это сделать необходимо понимать ту функцию, которую он выполняет в системе, а так же критерии подбора его емкости.

Функции конеденсатора

Итак, сначала о функции. Как уже говорилось выше, конденсатор выполняет роль сглаживающего фильтра в цепи питания усилителей, и как у любого фильтра питания у него одна задача - улучшить звучание системы. Если в питании есть какие-то помехи, они обязательно появятся на выходе усилителя, какой-бы он не был замечательный и какие бы эффективные методы борьбы с помехами не применялись в его схеме. Хочешь хороший звук - чисть питание, это аксиома. Применение емкостного фильтра - это самое простое, но эффективное решение в борьбе с помехами. Эффективность работы сглаживающего фильтра очень сильно зависит как и от емкости конденсатора, так и от мощности нагрузки - чем больше мощность системы, тем больше потребуется емкость, чтобы уменьшить пульсации напряжения питания до приемлемого уровня.
В этот момент обычно встает вопрос: какие пульсации? у нас в машине постоянное напряжение. Это не совсем так. Когда работает генератор, пульсации присутствуют в любом случае, это связано с принципом работы выпрямителя в генераторе. В генераторе установлен сглаживающий фильтр в виде конденсатора небольшой емкости, который эффективно справляется только с высокочастотными пульсациями и только на небольших нагрузках. При больших нагрузках, эффективность его работы очень сильно падает и помехи от генератора могут пройти по питанию и сильно подпортить звук. Если генератор не работает (двигатель выключен), то высокочастотных пульсаций нет, но появляются всеми нами "любимые" падения напряжение в системе - "просады". Появляются они в момент басовой атаки. Какой бы аккумулятор не стоял в машине и каким бы кабелем не подключались бы усилители, просады все равно есть - большие или совсем маленькие, которые вольтметр не успевает отловить, но они есть. Если вы слушаете ритмичную музыку, скажем с ритмом 4/4 - четыре четверти(4 бита в секунду), то просады так же появляются с интервалом 1/4 секунды, то есть в питании системы появляются пульсации с частотой 4 Гц и амплитудой где-то 0.5 - 1.5 В, у кого как. То есть система при больших громкостях и ритмичной музыке сама становится источником помех. Для того чтобы погасить эти довольно сильные и низкочастотные пульсации и применяют конденсатор большой емкости - "накопитель", "буферная емкость" и т.д., названий может быть очень моного. Если вы слушаете негров самых низких и страшных, то пульсации в питании возникают реже или вообще не возникают, потому, что эти ребята очень часто используют почти стационарные сигналы, когда басовый тон может звучать по несколько секунд не меняясь.

Подбор емкости конденсатора

Теперь о подборе емкости. Методику выбора сглаживающего конденсатора подробно можно изучить перейдя по этой ссылке - http://www.meanders.ru/sglazg_filters.shtml.
При выборе емкости конденсатора принято пользоваться эмпирическим правилом - 1Ф на 1 кВт потребляемой мощности. Из
методики, на которую я сослался ранее мы знаем, что сглаживающий фильтр работает эффективно, если выполняется неравенство: 1/(2pi*F*C)«R где
R - сопротивление нагрузки фильтра, в нашем случае некоторое обобщенное входное сопротивление всей нашей звуковой системы,
F - частота пульсаций, с которыми надо бороться, зависит от характера музыкального сигнала
C - емкость сглаживающего конденсатора. знак "«" означает "значительно меньше", понятие не совсем конкретное, означает что одна величина должна быть меньше другой примерно на порядок, если не ошибаюсь.
Обобщенное сопротивление R измерить конечно нельзя, но его можно оценить: если система потребляет 1 кВт, то источник "видит" её как нагрузку 0.15 Ом. Можно оценить сопротивление, если вам известен потребляемый ток.
Чтобы не парится с оценкой сопротивления и если известна мощность системы, можно преобразовать выражение к виду C»P/(2pi*F*U 2) где

U - напряжение бортовой сети
P - мощность системы. По последней формуле можно подобрать емкость конденсатора, который в мощной системе будет нивелировать негативное влияние "просадов" на качество звучания.
Например для системы мощностью 1 кВт (P=1000 Вт), при напряжении в бортовой сети 12В(U=12В), если мы слушаем музыку с ритмом четыре четверти (4 бита в секунду, F=4Гц), то для устранения негативного влияния на звук возникающих просадов нам нужен конденсатор с ёмкостью C»0,27Ф. Считается, что достаточно емкости 1Ф, но лично я считаю, что условию удовлетворяет 2.5-3Ф.

Выводы

Из всего можно выделить несколько моментов:
1. Конденсатор нужен для того, чтобы бороться с помехами, возникающими в результате "просадов" напряжения питания,
которые генерирует сама система в процессе работы. Конденсатор ни в коем случае не устраняет "просады" и не стабилизирует напряжение и не увеличивает емкость аккумулятора.
2. Если система воспроизводит стационарный сигнал, например синусоиду во время замера давления, то пульсаций напряжения питания не возникает, следовательно конденсатор в таких режимах бесполезен.
3. Если звуковую систему питает источник состоящий из очень мощного генератора и нескольких параллельно соединённых AGM-аккумуляторов, то такой источник имеет очень низкое выходное сопротивление, в следствии чего "просады" в системе могут быть ничтожно малы. В этих случаях применение конденсатора также не даст заметного результата.

Если заглянуть внутрь корпуса любого электроприбора, можно увидеть множество различных компонентов, применяемых в современной схемотехнике. Разобраться, как работают все эти соединенные в единую систему резисторы, транзисторы, диоды и микросхемы, довольно сложно. Однако для того чтобы понять, зачем нужен конденсатор в электрических цепях, достаточно знаний школьного курса физики.

Устройство конденсатора и его свойства

Конденсатор состоит из двух или более электродов – обкладок, между которыми помещен слой диэлектрика. Такая конструкция обладает способностью накапливать электрический заряд при подключении к источнику напряжения. В качестве диэлектрика могут использоваться воздух или твердые вещества: бумага, слюда, керамика, оксидные пленки.

Основная характеристика конденсатора – постоянная или переменная электрическая емкость, измеряемая в фарадах. Она зависит от площади обкладок, зазора между ними и вида диэлектрика. Емкость конденсатора определяет два важнейших его свойства: способность накапливать энергию и зависимость проводимости от частоты пропускаемого сигнала, благодаря которым этот компонент получил широкое применение в электрических цепях.

Накопление энергии

Если подключить плоский конденсатор к источнику постоянного напряжения, на одном из его электродов будут постепенно собираться отрицательные заряды, а на другом – положительные. Данный процесс, называемый зарядкой, показан на рисунке. Его длительность зависит от значений емкости и активного сопротивления элементов цепи.

Наличие диэлектрика между обкладками препятствует протеканию заряженных частиц внутри устройства. Но в самой цепи в это время электрический ток будет существовать до тех пор, пока напряжения на конденсаторе и источнике не станут равны. Теперь, если отключить элемент питания от емкости, она сама будет являться своеобразной батарейкой, способной отдавать энергию в случае подсоединения нагрузки.

Зависимость сопротивления от частоты тока

Подключенный к цепи переменного тока конденсатор будет периодически перезаряжаться в соответствии с изменением полярности питающего напряжения. Таким образом, рассматриваемый электронный компонент, наряду с резисторами и катушками индуктивности, создает сопротивление Rс=1/(2πfC), где f – частота, С – емкость.

Как видно из представленной зависимости, конденсатор обладает высокой проводимостью по отношению к высокочастотным сигналам и слабо проводит низкочастотные. Сопротивление емкостного элемента в цепи постоянного тока будет бесконечно большим, что эквивалентно ее разрыву.

Изучив эти свойства, можно рассмотреть, зачем нужен конденсатор и где он используется.

Где применяются конденсаторы?

• Фильтры – устройства в радиоэлектронных, энергетических, акустических и других системах, предназначенные для пропускания сигналов в определенных диапазонах частот. Например, в обычном зарядном устройстве для мобильного телефона применяются конденсаторы для сглаживания напряжения за счет подавления высокочастотных составляющих.
• Колебательные контуры электронной аппаратуры. Их работа основана на том, что при включении конденсаторов в совокупности с катушкой индуктивности в цепи возникают периодические напряжения и токи.
• Формирователи импульсов, таймеры, аналоговые вычислительные устройства. В работе этих систем используется зависимость времени заряда конденсатора от величины емкости.
• Выпрямители с умножением напряжения, применяемые в том числе в рентгенотехнических установках, лазерах, ускорителях заряженных частиц. Здесь важнейшую роль играет свойство емкостного компонента накапливать энергию, сохранять и отдавать ее.

Конечно, это только самые распространенные устройства, где используются конденсаторы. Без них не обойдется ни одна сложная бытовая, автомобильная, промышленная, телекоммуникационная, силовая электронная аппаратура.

31 пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ 2014

Зачем нужен конденсатор?

Единственная цель применения конденсаторов в автомобильных аудиосистемах - это борьба с просадками напряжения, т.е. стабилизация напряжения.

Просадки напряжения убили звук? Заряжай конденсатор!

Рис. 1. Конденсаторы - снаряды с электроэнергией.

Что плохого в просадках напряжения?

Наилучшее качество звучания и максимальную мощность усилители звука демонстрируют при стабильном напряжении 13,5 - 14 В. Но на практике, без применения конденсаторов, напряжение в системе питания далеко от идеала, а главное, совершенно не стабильно и проседает чуть ли не в такт музыке. При этом у любого усилителя звука значительно снижается эффективность работы, качество звучания и мощность.

Эффективности работы, т.е. уровень мощности и звуковых искажений любого усилителя звука напрямую зависит от напряжения на питающих клеммах.

Почему появляются просадки напряжения?

Во-первых , штатный автомобильный аккумулятор не способен отдавать большие токи достаточно быстро из-за своего большого внутреннего сопротивления (от 30мОм). В результате, вместо 13,5 - 14 В даже при работающем двигателе, особенно в моменты пиковой мощности, например, ударов по барабанам или другого басового импульса, напряжение может проседать на несколько вольт. Такое падение напряжения однозначно приводит к значительному снижению мощности и появлению звуковых искажений, ощутимых на слух даже неопытному слушателю.

Во-вторых , значительная удаленность аккумулятора от усилителей требует применения довольно длинных силовых кабелей. Любой кабель, даже если он сделан из меди и самого подходящего сечения имеет свое, пусть и небольшое сопротивление. Чем длиннее кабель, тем больше его сопротивление, тем больше он препятствует мгновенной передаче больших токов.

В-третьих , в электрической цепи присутствует множество соединительных элементов: держателей предохранителей, разветвителей питания, клемм и др. Каждый из этих элементов соединяет разные металлы, создавая так называемое переходное сопротивление. Конечно, качественные латунные соединительные элементы незначительно влияют на общие просадки напряжения. Однако, как правило, в погоне за ценой многие используют соединительные элементы из низкокачественных сплавов на основе цинка. Это приводит к энергетическим потерям на данных участках цепи.

Как конденсатор решает эту проблему?

Конденсатор или накопитель - это источник питания, который обладает мгновенной скоростью отдачи электроэнергии. Когда штатный аккумулятор и кабели “не успевают предоставить” очередную порцию энергии, усилитель мгновенно получает ее от конденсатора. Отдав частично или полностью свой заряд, конденсатор также мгновенно заряжается. Таким образом, конденсатор стабилизирует напряжение в системе питания.

Проведем аналогию. Представим, что электрический ток - это вода. Для максимально эффективной работы усилителям звука нужно много энергии, т.е. воды. Тогда штатный аккумулятор - это большая бутылка с узким горлышком. Через горлышко не может вылиться много воды сразу, которую требуют усилители звука для обработки мощного широкополосного сигнала или басового импульса. В таком случае, конденсатор - это ведро. Ведром можно быстро черпать и выливать большое количество воды. Таким образом и конденсатор мгновенно отдает и получает снова свой заряд, стабилизируя напряжение на питающих кабелях усилителя.

Рис. 2. Конденсаторы и штатный АКБ как ведро и бутылка.

Конденсатор конденсатору - рознь!

Подавляющее большинство автомобильных аудиосистем просто не может раскрыть свой потенциал ввиду отсутствия конденсаторов в системе питания. Однако, почему же так много споров и мифов по поводу необходимости их применения? К большому сожалению, значительное множество компаний производят низкокачественные конденсаторы, которые не имеют заявленных емкостей и тем более низкого сопротивления. Такие конденсаторы не снижают просадки напряжения, зато имеют красивую упаковку и низкую цену. Доступный товар всегда становится массовым. Отсюда и армия недовольных, считающих, что от конденсаторов нет толку. Подробнее о "пустышках", затмивших рынок caraudio, читайте в статье

Самый простой способ включения трехфазного электродвигателя в однофазную сеть, это с помощью одного фазосдвигающего конденсатора. В качестве такого конденсатора нужно использовать только неполярные конденсаторы, а не полевые (электролитические).

Фазосдвигающий конденсатор.

При подключении трехфазного электродвигателя к трехфазной сети пуск обеспечивается за счет переменного магнитного поля. А при подключении двигателя к однофазной сети достаточный сдвиг магнитного поля не создается, поэтому нужно использовать фазосдвигающий конденсатор.

Емкость фазосдвигающего конденсатора нужно рассчитать так:

• для соединения «треугольником» : Сф=4800 I/U;
• для соединения «звездой» : Сф=2800 I/U.

Об этих типах соединения можно подробнее ознакомиться :

В этих формулах: Сф – емкость фазосдвигающего конденсатора, мкФ; I– номинальный ток, А; U– напряжение сети, В.

В этой формуле такие сокращения: P – мощность электродвигателя, обязательно в кВт; cosф – коэффициент мощности; n – КПД двигателя.

Коэффициент мощности или смещения тока к напряжению, а также КПД электродвигателя указывается в паспорте или в табличке (шильдике) на двигателе. Значения эти двух показателей часто бывают одинаковыми и чаще всего равны 0,8-0,9.

Грубо можно определить емкость фазосдвигающего конденсатора так: Сф=70 P. Получается так, что на каждые 100 Вт нужно по 7мкФ емкости конденсатора, но это не точно.

В конечном итоге правильность определения емкости конденсатора покажет работа электродвигателя. Если двигатель не будет запускаться, значит, емкости мало. В случае, когда двигатель при работе сильно нагревается, значит, емкости много.

Рабочий конденсатор.

Найденной по предложенным формулам емкости фазосдвигающего конденсатора достаточно только для пуска трехфазного электродвигателя, не нагруженного. То есть, когда на валу двигателя нет никаких механических передач.

Рассчитанный конденсатор будет обеспечивать работу электродвигателя и когда он выйдет на рабочие обороты, поэтому такой конденсатор еще называется рабочим.

Пусковой конденсатор.

Ранее было сказано, что ненагруженный электродвигатель, то есть небольшой вентилятор, шлифовальный станок можно запустить от одного фазосдвигающего конденсатора. А вот, запустить сверлильный станок, циркулярную пилу, водяной насос уже не получиться запустить от одного конденсатора.

Чтобы запустить нагруженный электродвигатель нужно к имеющемуся фазосдвигающему конденсатору кратковременно добавить емкости. А конкретно, нужно уже к подсоединенному рабочему конденсатору подключить параллельно еще один фазосдвигающий конденсатор. Но только на короткое время на 2 – 3 секунды. Потому что когда электродвигатель наберет высокие обороты, через обмотку, к торой подключены два фазосдвигающих конденсатора, будет протекать завышенный ток. Большой ток нагреет обмотку электродвигателя, и разрушит ее изоляцию.

Подключенный дополнительно и параллельно конденсатор к уже имеющемуся фазосдвигающему (рабочему) конденсатору называется пусковым.

Для слабонагруженных электродвигателей вентиляторов, циркулярных пил, сверлильных станков емкость пускового конденсатора выбирается равной емкости рабочего конденсатора.

Для нагруженных двигателей водяных насосов, циркулярных пил нужно выбирать емкость пускового конденсатора в два раза больше, чем у рабочего.

Очень удобно, для точного подбора нужных емкостей фазосдвигающих конденсаторов (рабочего и пускового) собрать батарею параллельно соединенных конденсаторов. Конденсаторы соединенные вместе нужно взять небольшими емкостями 2, 4, 10, 15 мкФ.

При выборе по напряжению любого конденсатора нужно пользоваться универсальным правилом. Напряжение, на которое конденсатор рассчитан должно быть в 1,5 раз выше того напряжения, куда он будет подключен.

Асинхронные двигатели получили широкое применение в промышленности. Но электрические агрегаты небольшой мощности с успехом могут быть использованы и в быту. Для его функционирования необходимо вращающееся магнитное поле.

Однако однофазные двигатели не будут вращаться без созданного сдвига фаз, который организуется при помощи дополнительной обмотки и фазосдвигающим элементом. В качестве последнего подойдут конденсаторы MAL2118 .

Конденсатор можно подключить различными методами. Существует три различные схемы:

• пусковая;
• рабочая;
• смешанная.

Стоит отметить, что наиболее распространённой схемой является первая (пусковая). Её отличительная особенность заключается в том, что конденсатор включается в сеть двигателя только на момент его старта.

Затем электрический агрегат самостоятельно поддерживает своё вращение. Подобная схема включения позволяет не только экономить средства на установке комплектации (провода меньшего сечения), но и экономить на электроэнергии.

Не нужно забывать о том, что существует весьма вероятная угроза перегрева, которая в большинстве случаев зависит от местности в которой используется двигатель. В качестве защиты рекомендуется установить термореле.

Означенная схема выгодна в первую очередь тем, что позволяет исправлять искажения магнитного поля, тем самым сокращая потери на вихревые токи и повышая коэффициент полезного действия.

Конденсатор остаётся включённым весь период работы двигателя. Однако и в этом методе есть ложка дёгтя. Включение с рабочим конденсатором значительно ухудшает пусковые характеристики асинхронной машины.

Именно по этой причине инженеры советуют прийти к компромиссу и использовать сразу две схемы, объединённые в одну.

Благодаря использованию сразу двух схем, пусковые характеристики будут средними (вполне приемлемыми с точки зрения использования ресурсов).

Помните! Перед тем, как выполнять включение при помощи конденсатора, необходимо в обязательно порядке при помощи мультиметра оценить работоспособность электрического элемента (даже если он абсолютно новый).

Александр Шенрок наглядно продемонстрирует методы пуска асинхронного двигателя при помощи конденсатора: