Рис. 10. Внешний вид конденсаторов; а ~ керамические конденсаторы; 6 ~ керамический дисковый подстроечный конденсатор; в - пленочные конденсаторы; г алюминиевые электролитические конденсаторы; д ~ танталовые электролитические конденсаторы для печатных схем.

В основном промышленностью выпускаются конденсаторы со значениями емкостей, соответствующими шкалам Е6 и Е12 (см. приложение 2).

Познакомимся теперь с конструкцией конденсаторов (рис. 10) У керамических конденсаторов диэлектрик состоит из керамической массы, обладающей малыми потерями. Функции конденсаторных пластин выполняют нанесенные термическим способом на керамику серебряные покрытия. Для защиты от внешних воздействий конденсатор покрывается снаружи лаком. По внешнему оформлению различают трубчатые и дисковые конденсаторы. На конденсаторах имеется маркировка, включающая в себя номинальное значение емкости, допустимые отклонения от него и рабочее-напряжение *.

Для получения регулируемых значений емкостей существуют п о Д' строечные конденсаторы. Как правило, пользуются шайбовыми подстроечными конденсаторами с однократной установкой определенной емкости при настройке. Они состоят из керамического статора, на котором вращается (также керамический) ротор. Функции конденсаторных пластин вьшолняют нанесенные на статор и ротор серебряные покрытия. Путем поворота роторной шайбы с фиксирующим подстроечньгм

*В обозначениях отечественных типовых малогабаритных конденсаторов указывается номинальная емкость и допускаемые отклонения. Буквой П обозначаются пикофарады, буквой Н - нанофарады и буквой М - микрофарады, причем буква одновременно выполняет ропь запятой. Номинальные емкости до 100 пФ выражаются в пикофарадах; от 100 до 1000 пФ - в сотых долях нанофарады; от 1000 пФ до 0,1 мкФ - в нанофарадах; от 0,1 до 1 мкФ - в сотых долях микрофарады; от 1 мкФ и выше - в микрофарадах. В конце ставится буква, обозначающая допуск: И для ± 5%, С для ± 10%. В для + 20%. Например, конденсатор с номинальной емкостью 1500 пФ и допустимым отклонением ± 10%> обозначается 1Н5С-

винтом можно менять значение емкости от начального до конечного. Номинальная емкость шайбового подстроечного конденсатора печатается на его корпусе.

С помощью керамических конденсаторов можно реализовать емкости в диапазоне от 0,2 пФ до 47 нФ. В случае необходимости получения более высоких значений емкостей следует обратиться к другим типам конденсаторов: пленочным, бумажным, металлобумажным и лакопленочным.

У всех этих конденсаторов диэлектрик изготовляется в виде ленты (плас-тиковой или бумажной). На обе ее стороны наносится металлизированное покрытие или металлическая фольга и затем лента свертывается в рулон.

Пленочные конденсаторы с полистиролом в качестве диэлектрика называют полистироловыми или стирофлексными. Их положительными свойствами являются: незначительные отклонения емкости от номинала, высокая стабильность значений емкости, низкий коэффициент потерь и высокая эксплуатационная надежность. Поли стироловые конденсаторы изготовляются на емкости, соответствующие шкалам Е6, Е12 и Е24, вплоть до 0,47 мкФ.

У бумажных конденсаторов диэлектриком служит про-литанная специальным составом бумага. Их электрические свойства не столь высоки, как у пленочных конденсаторов.

Следующим видом конденсаторов, широко применяемым в транзисторной технике, являются низковольтные электролитические конденсаторы. Различают алюминиевые.и танталовые электролитические конденсаторы. Первые представляют собой рулон из двух полосок алюминиевой фольги, разделенных слоем бумга:ж. На поверхности одной полоски фольги, так называемого анода, формируют тонкий оксидный слой, являющийся диэлектриком; этот электрод является одной обкладкой конденсатора. Другой обкладкой является электролит, которым пропитана разделяющая полоски фольги бумага, а вторая полоска фольги, называемая катодом, служит лишь выводом от электролита. Различают конструкций с гладким и травленым (шероховатым) анодом. Шероховатость анодной фольги увеличивает эффективную внешнюю поверхность, анода. При незначительных габаритах электролитические конденсаторы обладают емкостями от 0,5 до 5000 мкФ.

Для наших опытов будут нужны поляризованные конденсаторы, пригодные только для постоянного напряжения. Анодный вьгоод таких конденсаторов отменен знаком + . У неполяризованных конденсаторов полярность постоянного напряжения можно менять; для работы с переменным напряжением они непригодны. По внешнему виду электролитические конденсаторы весьма разнообразны. Очень важно обратить внимание на значение допустимого напряжения, помеченное на корпусе конден-. сатора. Это значение никогда не должно быть меньше cjMMbi постоянного напряжения и амплитудного значения переменного напряжения. При неправильной полярности включения или превышении допустимого напряжения электролитический конденсатор может выйти из строя.

Низковольтные электролитические конденсаторы изготовляются для напряжений 3, 6, 10,15, 25, 35, 50 и 70 В.

Рис. 11. к исследованию переходных процессов в RC-ueim: а - схема; б - временные зависимости изменения напряжения при заряде и разряде.

Наиболее употребительны алюминиевые электролитические конденсаторы емкостью 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 50; 100; 200; 500; 1000; 2000 и 5000 мкФ при отклонении от номинала от-10 до+100%.

Танталовые электролитические конденсаторы являются шагом вперед по сравнению с алюминиевыми. Они представляют собой поляризованные конденсаторы с жидким или твердым электролитом. Их анод состоит из спекшегося танталового порошка, диэлектрик - из слоя танталпенток-сида, а катод - из диоксида марганца. Конденсаторы либо встраиваются в металлические запаянные стаканчики, либо заливаются пластмассой (тропический вариант). Значения допустимых напряжений такие же, как

у алюминиевых электролитических конденсаторов. В продаже имеются танталовые конденсаторы со значениями емкостей по шкале Е6. Отклонения от номиналов составляют ± 20%,

В отличие от резисторов при параллельном включении двух конденсаторов их общая емкость представляется суммой емкостей составляющих конденсаторов:

общ

поскольку при параллельном включении эффективная действующая поверхность пластин увеличивается. При последовательном же включении двух конденсаторов как бы увеличивается расстояние, между пластинами, так что общая емкость находится из соотношения

общ

1 1

откуда Собщ =

С, +С2

Пример. Нам требуется малогабаритный конденсатор емкостью С = 0,25 мкФ. Включив последовательно два алюминиевых конденсатора по 0,5 мкФ, получаем

-общ

0,5 мкФ - 0,5 мкФ 0,5 мкФ + 0,5 мкФ

= 0,25 мкФ.

Итак, мы познакомились со свойствами конденсатора, включенного в электрическую цепь. Исследуем теперь, как влияют ток и напряжение на конденсатор, включенный совместно с резистором.

В схеме, приведенной на-рис. И, я, конденсатор заряжается и разряжается через резистор. Напряжение на конденсаторе Uc будем контролировать с помощью вольтметра, включенного параллельно обкладкам конденсатора. Напряжение на резисторе Иц вычислим по формуле Уц =

= hapR или Ur =ipa3pft- При этом ЗарЯДНЫЙ 7зар и разрядный /разр

токи пропорциональны Щ, а значит, измеряя Пц, мы можем непосредственно судить и об изменениях указанных токов.

Построим таблицу для измерений четырех величин: t/cjap, (Удзар для заряда hVq разр,Ш разр для разряда. При разряде полярность включения измерительного прибора меняется на противоположную той, что была при з^яде. Значения напряжений будем считывать через каждые 10 с и результаты измерений заносить в таблицу. Получим следующие ряды значений:

По измеренным значениям построим графики (рис. 11,6), поясняющие полученные результаты. В процессе заряда ток протекает через резистор, который ограничивает его силу, т. е. число носителей, накапливаемых на обкладках конденсатора. Из опыта видно, что в начале заряда напряжение на пластинах конденсатора, пропорциональное числу накопленных на пластинах носителей заряда, растет довольно быстро. Чем сильнее заряжается конденсатор, тем меньше носителей заряда попадает в единицу времени на его пластины, т. е. тем сильнее падает зарядный ток, пока, наконец, при полностью заряженном конденсаторе он не станет равным нулю. Напряжение на пластинах заряженного конденсатора достигает значения напряжения источника питания.

При разряде конденсатора происходят аналогичные процессы. Заряды стекают с пластин конденсатора через резистор. При этом ток имеет

направление, противоположное зарядному. При заряде и разряде L, а значит, и Vq, и I, меняются по экспоненциальному закону. Важнейшей величиной в этом процессе является постоянная времени т. Она служит мерой скорости зарядного и разрядного процессов. За время, равное 0,7 г, напряжения IIq и I/r достигают примерно половины установившегося значения Vq. В процессе заряда за время, равное т^яр, Uq достигает значения

а при разряде эа время, равное Трягр, Uc достигает значения

Uc=lJo-е

где е = 2,7182 ... - основание натуральных логарифмов.

Постоянная времени вычисляется по формуле т = RC. В нашем опыте сопротивление R - одно.и то же как для заряда, так и для разряда (Тзар = - разр) Из соотношения т = RC видно, что зарядно-разрядные процессы будут протекать тем быстрее, чем меньше RhC.

Последовательное включение резистора и конденсатора называют RC-цепью. С КС-цепями мы будем встречаться во многих схемах цифровой техники.

Итак, если к конденсатору подключить источник постоянного напряжения, то через него потечет зарядный ток, который с течением времени уменьшается до нуля, т. е. заряженный конденсатор из-за диэлектрика между его пластинами ведет себя как бесконечно большое сопротивление. Если ключ в схеме, приведенной на рис. 11,я, переключать в быстром темпе то на заряд, то на разряд, в схеме потекут попеременно зарядный и разрядный токи. Это означает, что при включении конденсатора в цепь с переменным напряжением через него потечет переменный ток, причем тем больший, чем чаще происходит смена полярностей напряжения источника. А коль скоро через конденсатор протекает переменный ток, он должен обладать и сопротивлением переменному току. Подключив конденсатор к источнику прямоугольных импульсов напряжения (будем рассматривать их как особую форму переменного напряжения) , убедимся в результате опыта, что входное напряжение U, напряжение на конденсаторе Uc и ток I будут изображаться кривыми различной формы. Для техники в силу целого ряда обстоятельств большой интерес представляет напряжение, форма которого не меняется при включении в цепь конденсатора. Оказывается, что таким является напряжение, график которого имеет форму синусоиды. Оно так и называется синусоидальным напряжением, а иногда просто переменным напряжением. Именно такое напряжение (рис. 12) снимается с выхода универсального генератора. Мы будем встречаться с ним очень часто, поэтому поговорим о нем несколько подробнее.

Математическое выражение такого напряжения

и= Usma,

где и - мгновенное значение; U - максимальное значение, амплитуда; а - угол.

Рассматривая синусоиду, мы прежде всего обращаем внимание на ее периодический характер (рис. 13). В каждом периоде она имеет один максимум и один минимум. Периоды следуют друг за другом с большей или меньшей быстротой. Мерой этой быстроты является времязависимая величина - круговая частота со, связанная с углом а зависимостью а = cot. За время t = T точка пробегает по синусоиде целый период. Величина Т так и называется периодом повторения. Число периодов, повторяющихся в единицу времени, назьгоают частотой и выражают ее формулой/ =

За единицу измерения частоты принят герц (Гц), причем 1 Гц = 1-

Рис. 12. Осциллограмма синусоидального напряжения.

Lu и

Рис. 13. Графическое представление синусоидальных напряжения и тока.

Р Генератор

20 W 60 80 100 С,пФ

Рис. 14. Фазовый сдвиг между напряжением Vn током /.

Рис. 15. К определению емкостного сопротивления конденсатора при приложении синусоидального переменного напряжения: а - схема; б - .характеристики.

в электрических цепях кривые переменных напряжения и тока одинаковой частоты не совпадают во времени. Для оценки этого несовпадения служит величина фазового сдвига tp. С учетом его уравнение синусоидального напряжения приобретает вид

u=Usm(cot

Круговая частота выражается формулой

27Г

со = 2тт/ = ~.

Протекание переменного тока i через резистор приводит к нагреванию последнего. Затрачиваемую на зто мощность нельзя вычислять непосредственно по амплитудным значениям и 1т- Для таких расчетов, введено понятие об эффективной величине, в результате воздействия которой резистор нагревается так же, как при действии соответствующего постоянного тока или напряжения. Для эффективных величин напряжения и тока получены выражения

и - -- и 7 = -

Измерительные приборы для переменного напряжения и переменного тока проградуированы как раз в расчете на эффективные величины.

При исследовании коммутирующих процессов в ЙС-цепи можно заметить, что изменения тока и напряжения на конденсаторе не совпадают во времени. Приложив вместо постоянного напряжения(прямоугольных импульсов) синусоидальное переменное напряжение, мы видим, что на обоих элементах схемы й и С напряжение и ток сохраняют синусоидальную форму. Однако кривые тока и напряжения на конденсаторе оказываются сдвинутыми по фазе. При этом ток опережает напряжение на 90 (рис.14).

Подключим к генератору переменного напряжения конденсатор С = 47 нФ и измерим авометром протекающий через него ток (рис. 15,в). Амплитуду переменного напряжения генератора установим на максимум, так чтобы в результате этого на выходе оказалось ,1есимметричное переменное напряжение около 1,4 В. Меняя частоту генератора и измеряя при этом соответствующие значения тока, получим следующие результаты измерений:

Построив по полученным данным график, видим, что он представляет собой прямую линию (рис. 15,б). Это означает, что ток растет пропорционально частоте. Однако ток обратно пропорционален сопротивлению.

Следовательно, сопротивление конденсатора переменному току обратно

пропорционально частоте, и мы можем записать --.

Сопротивление конденсатора переменному току, назьгоаемое реактивным, проявляется в результате постоянно следующих друг за другом процессов заряда и разряда. В отличие от омического сопротивления, называемого также активным, в котором электрическая энергия необратимо переходит в иную форму (тепловую), конденсатор накапливает электрическую энергию, которая не переходит в нем ни в какие другие формы, а сохраняется в виде энергии электрического поля.

Измерим теперь ток при частоте / = 2 кГц для различных значений емкостей. Получим такую последовательность результатов измерений:

График, построенный по этим значениям (рис. \5,б), также представляет собой прямую линию. Таким образом, мы приходим к выводу, что ток прямо пропорционален емкости конденсатора, тогда как реактивное сопротивление конденсатора Xq обратно пропорционально его емкости: 1

Xq---С учетом круговой частоты получаем из обеих зависимостей

С

следующее уравнение:

iTTfC

соС

По этой формуле можно рассчитать реактивное сопротивление конденсатора. Отметим главное свойство: реактивное сопротивление конденсатора тем меньше, чем больше значение его емкости и чем больше частота приложеншго переменного напряжения.

Пример. Рассчитаем реактивное сопротивление конденсатора с С = = 4,7 нФ для /i = 1 кГц (стандартный звуковой сигнал в радиовещании) и для /г - 27,12 МГц (частота передатчика дистанционного управления):

1 с- В В

-=33,8- 10-=33,8к0м;

2- 3,14- 10- 4,7- 10- А- с А

1 с- В

2- 3,14-27,12-10-4,7- Ю А- с

В

= 1,25-= 1,25 Ом.

Из сравнения обоих результатов видим, какое влияние оказывает частота приложенного напряжения на реактивное сопротивление. В УКВ-диапазо-не емкость 4,7 нФ представляет собой столь незначительное реактивное

сопротивление, что во многих случаях можно рассматривать его как короткое замьпсание по переменному току.

Что следует знать

о катушках индуктивности

Формы конструктивного исполнения катушек индуктивности весьма многообразны (рис. 16).

Простейшая катушка индуктивности - однослойная цилиндрическая. Выполненная из медной проволоки диаметром 0,7 - 1 мм, она настолько прочна и стабильна, что при малом числе витков может монтироваться прямо в схему, без каких бы то ни было креплений. В случае большого числа витков механическая стабильность обеспечивается намоткой однослойной катушки на пластиковлш полый каркас. Такая конструкция обладает тем преимуществом, что, благодаря ввинчивающемуся сердечнику, оказывается возможным менять в известных пределах электрический параметр катушки - индуктивность, определение которого будет дано ниже. Этой возможностью мы будем пользоваться в схемах, требующих настройки.

Схемные обозначения катушек приведены в табл. 3.

Познакомимся поближе с электрическими свойствами катушек. Если свойства конденсатора как элемента схемы проявляются в создании электрического поля, то свойства катушек - в формировании магнитного поля. В самом простейшем исполнении катушка представляет собой несколько витков проволоки. Если по такой катушке потечет электрический ток, то вокруг нее образуется магнитное поле, которое можно изобразить в виде силовых линий (рис. 17, с). Совокупность силовых линий, исходящих из катушки, назьгаают магнитным потоком Ф. Плотность магнитного потока зависит от силы протекающего по катушке тока /, числа витков катушки и свойств среды, в которой он распространяется. Например, железо обладает для магнитного потока весьма незначительным сопротивлением. Иными словами, железо - хороший магнитопровод. Поэтому для катушки, с помощью которой при заранее определенных силе тока и числе витков нужно сформировать сильное магнитное поле, необходимо предусмотреть замкнутый железный сердечник (см. рис. 17,6).

Ток всегда сопровождается магнитным полем. С другой стороны, любое изменение магнитного потока вызывает возникновение напряжения на зажимах катушки. Этот процесс описывается уравне-

нием IHI JaL Ч

Рис. 16. BHejuHHii вид катушек: о - катушка 1 без сердечника; б - катушка, намотанная на

каркасе; е - каркас с сердечником. .,- /i-.

iy=-yv-

<1Ф dt

где LI - наведенное напряжение катушки; N - число витков катушки; (1Ф

- . - изменение потока во времени.

Таблица 3. Схемные обозначения катушек

Наименование

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником

Катушка индуктивности, подстраиваемая сердечником из порошкового железа

Схемное обозначение

Если в катушке происходит изменение потока

, то в ее обмотке

наводится напряжение 11, противодействующее вызвавшему его изменению потока - отсюда и знак минус в уравнении. Для удобства расчетов преобразуем уравнение, выразив поток Ф через электрический ток I, число витков N, магнитную проницаемость материала, в котором распространяется поток, ц, площадь поперечного сечения катушки S и среднюю длину силовых линий /. Отбрасывая знак минус, получим

WjuS dl

Рис. 17. Магнитное поле катушки: о - без железного сердечника; б - с железным сердечником.