Как рассчитать емкость конденсатора для ...

Расчет емкости конденсатора

Первые прототипы электрических конденсаторов изобрели ещё в досоветский период. Тогда их использовали преимущественно для развлечения и псевдомедицинских целей. Но уже в те времена экспериментаторы определили понятие электрической ёмкости и научились её рассчитывать и прогнозировать, исходя из конструкции конденсатора.

Емкость конденсатора

Наиболее значимый параметр данного прибора – это его ёмкость. От нёё зависят его сфера применения, условия эксплуатации и назначение. Измеряется ёмкость в фарадах. В отечественной литературе данный параметр обозначается буквой «Ф», в зарубежной – «F». На самих электронных компонентах можно встретить такую буквенную кодировку: pF, nF или uF. Она указывают на то, что радиодеталь обладает ёмкостью, равной 10-12, 10-9 и 10-6 фарад. Рядом также будет маркировка цифрами, выполняющими роль множителя, т.е. 2,2uF = 2,2*10-6 фарад.

Дополнительная информация. Отрицательная степень десяти часто вызывает трудности даже у бывалых специалистов. Для удобного преобразования единиц измерения всегда можно использовать калькулятор конденсаторов онлайн. Также для того, чтобы вычислить ёмкость имеющейся детали, подойдёт цифровой мультиметр с соответствующим режимом измерения.

Сам конденсатор представляет собой пару металлических пластин. Их поперечные размеры должны быть намного больше, чем расстояние между ними. Посередине пластин помещён слой диэлектрика. Во время работы прибора на его выводы подаётся напряжение. В результате электроны пытаются прийти в движение, но не могут преодолеть диэлектрик, из-за чего между пластинами накапливается некоторый электрический заряд. Он измеряется в кулонах. Способность конденсатора накапливать электрический заряд называется его ёмкостью. Если рассматривать аналогию с сосудом для жидкости, то это его объём.

Конденсаторы с переменной емкостью

Изначально людям хватало описанных выше конденсаторов из пары пластин. Затем этот прибор получил своё развитие. Начали появляться устройства в виде шаров, дисков и цилиндров. Это было необходимо для того, чтобы повысить ёмкость конденсатора C, ведь она в первую очередь связана с площадью обкладок S и расстоянием между ними d. Это наглядно видно из формулы. По ней выполняется расчёт ёмкости конденсатора.

Эти нестандартные геометрические формы со временем перестали удовлетворять потребностям экспериментаторов. Поэтому были разработаны новые приборы с переменной ёмкостью. Они имеют подвижные пластины. Это позволяет легко менять площадь их взаимного пересечения, тем самым влияя на величину ёмкости конденсатора. Самый распространённый и всем знакомый пример данного электронного прибора – это колебательный контур в радио. Все люди хотя бы раз подстраивали приёмник. Именно эта «крутилка» есть переменный конденсатор. При ее вращении изменяется ёмкость, соответственно, резонансная частота колебательного контура радиоприёмника. Это, в свою очередь, настраивает радио на другую станцию.

Характеристики конденсатора

Помимо ёмкости, существуют другие параметры и характеристики конденсаторов. Наиболее важные из них такие:

номинальное напряжение;
тип конденсатора;
допустимое отклонение номинала;
эквивалентное последовательное сопротивление (ESR);
полярность;
и более десятка других менее важных характеристик.

Превышать рабочее напряжение конденсатора категорически нельзя. В идеале лучше подбирать ёмкость с запасом по вольтажу в 1,5-2 раза.

Электрические ёмкости изготавливаются из огромного перечня различных материалов: алюминий, тантал, керамика и очень многое другое. В результате имеется большое разнообразие этих приборов: электролитические, плёночные, «флажки», фарфоровые, полимерные и др.

В некоторых схемах важно применить точную ёмкость, в других – допустимо существенное отклонение этого параметра. Поэтому конденсаторы бывают с различными допустимыми погрешностями: от +/-20% вплоть до +/-0,05%.

ESR (equivalent series resistance) – сравнительно новое понятие. Оно указывает на внутреннее сопротивление конденсатора в контексте переменного и импульсного тока.

У электролитических конденсаторов есть полярность, т.е., подключая их, нужно учитывать где «+», а где «-». У большинства остальных накопителей заряда такого свойства нет.

Дополнительная информация. О высоком уровне ESR конденсаторов в лампочке со светодиодами можно судить по её мерцанию. LED светильник с исправными ёмкостями должен давать сплошной свет.

Соединение конденсаторов

Часто самого по себе конденсатора недостаточно. Поэтому такие электронные компоненты приходится объединять в группы, так называемые батареи. При таком подключении множество ёмкостей соединяются друг с другом для получения новой, обладающей другими характеристиками.

Выделяют 2 основных способа соединения деталей:

последовательный;
параллельный.

Последовательное соединение ёмкостей

При этом виде соединения множество деталей выстраивается в длинную цепь (от двух штук и более). Чаще всего на практике применяются комбинации из 2-5 деталей. Каждая предшествующая соединяется с последующей. В результате получается длинная цепочка, напоминающая вагоны в железнодорожном составе.

Последовательное соединение конденсаторов снижает их общую ёмкость. Вызвано это тем, что увеличивается толщина диэлектрика между обкладками прибора, а площадь их пересечения при этом остаётся неизменной (см. формулу выше). Как рассчитать суммарную ёмкость конденсатора при последовательном подключении, можно узнать из формулы ниже.

На деле такое подключение используется для получения нового значения ёмкости, но такой конденсатор просто не выпускается промышленностью. Например, имея два элемента номиналом 10 uF каждый и соединив их последовательно, можно получить общую ёмкость в 5 uF.

Другая особенность последовательного соединения – это увеличение общего напряжения. Если взять 2 ёмкости на 200 В каждую и подключить их описываемым способом, то итоговое напряжение батареи составит 200 + 200 = 400 вольт.

Параллельное соединение

При параллельном соединении деталей все левые (условно) выводы ёмкостей объединяются в один. С правыми – так же. Если конденсаторы электролитические, то все плюсы подключаются вместе, так же, как и все минусы. В итоге получается большая сборка деталей, имеющая всего два вывода.

Данное соединение подразумевает уже сложение ёмкостей, так как увеличивается общая площадь взаимодействующих обкладок. При этом максимальное напряжение, которое можно приложить к этой батареи, не превышает значения самого низковольтного элемента. Расчёт конденсатора, а именно его ёмкости, в таком случае производится по следующему выражению.

Метод применяется, когда из множества элементов с низкой ёмкостью нужно получить один, но с большой. Пример использования такого подключения можно найти во фрагменте схемы одного из популярных сварочных инверторов. Она приведена ниже. Из изображения видно, что параллельно применяются 6 электролитических конденсаторов, которые стоят сразу после диодного выпрямителя. Каждый из них на 400 В 470 uF. В результате суммарная ёмкость полученной батареи составляет 470 * 6 = 2820 микрофарад. Приведённое вычисление всегда можно выполнить в специализированном интернет калькуляторе. Пиковое напряжение, которое приложено к этой сборке, не должно превышать 400 вольт. Это значение взято с запасом примерно в 30 %, ведь на деле в данном узле сварочного аппарата действующий вольтаж составляет 300 В.

Дополнительная информация. Конденсаторы на входе мощных устройств часто используются в роли фильтров от помех и узлов для компенсации реактивной мощности. Подобные меры позволяют повысить качество напряжения сети и защитить оборудование от кратковременных скачков напряжения.

Подбор конденсатора для электродвигателя

Для питания двигателя на 380 В от однофазной сети 220 В к нему потребуется подобрать рабочий конденсатор. Если мощность двигателя превышает примерно 1,5 кВт, то потребуется пусковая ёмкость.

Важно! Такие схемы скорее пригодны для включения моторов с низкой механической нагрузкой на валу (например, вентиляторов). Для более серьёзных агрегатов лучше использовать полноценную трёхфазную сеть.

Сам по себе подбор рабочего конденсатора весьма сложен. Упрощённо мощно считать, что его ёмкость Cр должна составлять 70 uF на каждый 1 кВт двигателя. Т.е., если мощность двигателя составляет 400 Вт, то потребуется конденсатор на 28 uF.

Ёмкость для запуска мотора Cп должна быть примерно в 2,75 больше, чем рабочая. При этом по достижении двигателем холостого хода пусковой конденсатор должен обязательно исключаться из цепи контактами В2.

Практика показывает, что вычислять ёмкости – не такое сложное дело. Эти знания требуются людям, чья профессия так или иначе связана с электричеством, особенно электронщикам. Поэтому специалистам нужно твёрдо знать, как и какой конденсатор подбирается для конкретных целей.

Видео

Расчет емкости конденсатора

Емкость C есть способность конденсатора принять (накопить и удержать) количество электричества Q в ампер-секундах или заряд Q в кулонах. Если сообщить какому-либо телу, например шару, электрический заряд (количество электричества) Q, то электроскоп, включенный между этим телом и землей, покажет напряжение U (рис. 1). Это напряжение пропорционально заряду и зависит также от формы и размеров тела.

Зависимость между зарядом Q и напряжением U выражается формулой Q=C∙U.

Постоянная пропорциональности C называется емкостью тела. В случае, если тело имеет форму шара, емкость тела пропорциональна радиусу шара r.

Единицей измерения емкости является фарада (Ф).

Емкостью 1 Ф обладает тело, когда при заряде 1 к между ним и землей получается напряжение 1 В. Фарада – очень большая единица измерения, а потому на практике используют более мелкие единицы: микрофарады (мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ).

Эти единицы связаны следующими соотношениями: 1 Ф =10^6 мкФ; 1 мкФ =10^6 пФ; 1 нФ =10^3 пФ.

Емкость шара радиусом 1 см равна 1,1 пФ.

Накапливать заряд может не только изолированное тело, но и специальное устройство, называемое конденсатором. Конденсатор состоит из двух или более пластин (обкладок), которые разделены диэлектриком (изоляцией).

На рис. 2 показана схема с источником постоянного тока, включенным на конденсатор. При включении на правой пластине конденсатора образуется положительный заряд +Q, а на левой пластине отрицательный заряд –Q. Во время заряда конденсатора по цепи протекает ток, который после окончания заряда прекращается; тогда напряжение на конденсаторе будет равно э. д. с. источника U. Заряд на обкладке конденсатора, напряжение и емкость связаны соотношением Q=C∙U. В диэлектрике конденсатора при этом образуется электростатическое поле.

Емкость конденсатора с диэлектриком из воздуха можно подсчитать по формуле C=S/(4∙π∙d)∙1,11, пФ, где S – площадь одной обкладки, см2; d – расстояние между обкладками, см; C – емкость конденсатора, пФ.

Емкость конденсатора, состоящего из n пластин (рис. 3), равна: C=(n-1)∙ S/(4∙π∙d)∙1,11, пФ.

Если пространство между пластинами заполнить другим диэлектриком – например бумагой, емкость конденсатора увеличится в ε раз. При применении бумажной изоляции емкость увеличится в 3 раза, при слюдяной изоляции – в 5–8 раз, при стеклянной – в 7 раз и т. д. Величина ε называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Общая формула для определения емкости конденсатора с диэлектрической проницаемостью ε (эпсилон) имеет вид: C=ε∙S/(4∙π∙d)∙1,11, пФ.

Эта формула удобна для расчетов небольших переменных конденсаторов для радиоприемников. Эта же формула может быть представлена в виде: C=(ε_0∙ε∙S)/d, где ε_0 – диэлектрическая постоянная, или диэлектрическая проницаемость, вакуума (ε_0=8,859∙10^(-12) Ф/м); ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

В этой формуле размеры подставляются в метрах, а емкость получается в фарадах.

1. Какую емкость имеет планета Земля, радиус которой r=6378 км?

Так как емкость шара радиусом 1 см равна 1,11 пФ, то емкость Земли равна: C=637,8∙10^6∙1,11=707,95∙10^6 пФ =708 мкФ. (Емкость шара, равного по величине нашей планете, сравнительно невелика. Такую емкость имеют небольшие по размерам электролитические конденсаторы).

2. Определить емкость конденсатора, состоящего из двух пластин, каждая из которых имеет площадь S=120 см 2 .

Пластины разделены слоем воздуха толщиной d=0,5 см, C=S/(4∙π∙d)∙1,11= (120∙1,11)/(4∙π∙0,5)=21,20 пФ.

3. Определить емкость конденсатора с данными, указанными в предыдущем примере, если пространство между пластинами будет заполнено парафинированной бумагой с диэлектрической проницаемостью ε=4, стеклом (ε=7), электротехническим картоном (ε=2), слюдой (ε=8).

Конденсатор с парафинированной бумагой имеет емкость C=ε∙(S∙1,11)/(4∙π∙d)=4∙21,2=84,8 пФ.

Емкость конденсатора со стеклом C=7∙21,2=148,4 пФ.

Емкость конденсатора с картоном C=2∙21,2=42,3 пФ.

Емкость конденсатора со слюдой C=8∙21,2=169,6 пФ.

4. Какова емкость воздушного поворотного конденсатора для радиоприемника, состоящего из 20 пластин площадью 20 см2, если расстояние между пластинами 0,06 см (рис. 149)?

Конденсатор, изображенный на рис. 3, состоит из отдельных простейших конденсаторов с двумя обкладками, число которых равно n-1.

5. Бумажный конденсатор емкостью C=2 мкФ состоит из двух полос станиоля C и двух полос диэлектрика из парафинированной бумаги Б с диэлектрической проницаемостью ε=6. Толщина парафинированной бумаги d=0,1 мм. Сложенные полосы сворачиваются в рулон, от станиолевых обкладок делаются выводы. Определить длину станиолевой полосы конденсатора, если ее ширина 4 см (рис. 4).

Как рассчитать емкость пускового конденсатора?

100 Ватт мощности соответствуют примерно 7 мкФ емкости конденсатора.

Сколько нужно микрофарад на 4 киловатт?

На мотор 4 кВт. 3000 оборотов. Требуется пусковой конденсатор 700-800 мкф.

Как рассчитать емкость конденсатора?

Как рассчитать ёмкость конденсатора для запуска двигателя?

Cр=4800*P/(/(√3*U²*η*cosϕ). Расшифровка обозначений в формулах: Cр – емкость рабочего конденсатора в микрофарадах (мкф); Cп – емкость пускового конденсатора в мкф; I – ток в амперах (А); U – напряжение сети в вольтах (В); η – КПД двигателя, выраженный в процентах, деленных на 100; cosϕ – коэффициент мощности.

Сколько нужно Микрофарад?

Исходя из практики принимается следующее решение, при выборе пускового и рабочего конденсаторов исходить надо из следующего: на один киловатт мощности двигателя надо брать 200 мкф на пусковой конденсатор и 100 мкф на рабочий.

Сколько надо микрофарад на 1 квт?

1кВт=220мкф. Вам достаточно будет 100 мкф на работу и 200 мкф на запуск. Если нагрузка на двигатель будет незначительная, то в процессе работы можно уменьшить емкость рабочего конденсатора до 50 мкф.

Какой нужен рабочий конденсатор для двигателя 3 квт?

Для того, чтоб подключить трёхфазный двигатель к однофазной сети, необходимо установить рабочие конденсаторы. Ёмкость этих конденсаторов , обычно подбирается из расчёта 6,6микрофарад на 100 Ватт мощности двигателя.

Как можно увеличить общую емкость конденсаторов?

Для увеличения ёмкости конденсаторы соединяются параллельно. Для увеличения сопротивления резисторы соединяются последовательно. Вода через трубу с двумя валенками течёт хуже, чем через трубу с одним валенком.

Как найти мощность на конденсаторе?

Вообще мощность определяется по формуле: Q = I * U * sin φ.

Как правильно рассчитать Микрофарады?

k – специальный коэффициент, равный 4800 для подключения «треугольник» и 2800 для «звезды»;
Iф – номинальное значение тока статора, это значение обычно указывается на самом электродвигателе, если же оно затерто или неразборчиво, то его измеряют специальными клещами;

Какой конденсатор нужен для двигателя 1 5 квт?

Важно помнить о том, что рабочее напряжение конденсатора должно быть в 1,5 раза больше питания электродвигателя. Следовательно, при напряжении питания 220 вольт конденсатор должен быть на 400 вольт. Конденсаторы можно использовать следующего типа КБГ, МБГЧ, БГТ.

Как рассчитать емкость конденсатора для выпрямителя?

Чтобы посчитать емкость сглаживающего конденсатора можно использовать приближенную формулу: C=3200*Iн/Uн*Kп, Где Iн – ток нагрузки, Uн – напряжение нагрузки, Kн – коэффициент пульсаций.

Как подобрать конденсатор по мощности двигателя?

При подключении пускового конденсатора и дополнительной обмотки электродвигателя, емкость конденсатора рассчитывается по следующему принципу: 70 мкФ на 1000 Вт мощности двигателя; Общая ёмкость рабочего и пускового конденсаторов должна рассчитываться так: 1 мкФ на 100 Вт мощности.