Курс 3 • Урок 4 из 8 • 3 часа учебной нагрузки

Конденсаторы, заряд и разряд

Цель: После урока ученик должен понимать накопление заряда в конденсаторе, ёмкость, заряд/разряд, постоянную времени и основные применения.

3 часа теоретический разбор, рабочий пример, производственная ситуация, практический алгоритм, самопроверка и тест.

Объяснение темы

Конденсатор состоит из двух проводящих электродов с диэлектриком между ними и накапливает заряд. Ёмкость C измеряется в фарадах; Q = C×U.

Напряжение на конденсаторе не меняется мгновенно. При заряде через сопротивление оно растёт постепенно, при разряде падает. Для простой RC-цепи характерна постоянная времени τ = R×C.

Конденсаторы используются для фильтрации питания, развязки, временных цепей, передачи переменной составляющей и накопления энергии.

Подробный разбор

Ёмкость. Чем больше C, тем больше заряд при том же напряжении.

Заряд. Ток максимален в начале и уменьшается по мере роста U на конденсаторе.

Разряд. После отключения заряд уходит только через существующий путь.

τ. После одной τ при заряде достигается примерно 63% конечного напряжения.

Полярность. Электролиты требуют правильного направления.

Рабочее напряжение. Ёмкость не определяет максимально допустимое напряжение.

Как выглядит заряд RC-цепи:
Источник ── R ──┬── Uc(t)
                 C
                 │
                GND

Постоянная времени τ = R × C. За время примерно 1τ напряжение на конденсаторе при заряде достигает около 63% установившегося значения; примерно за 5τ процесс практически завершается.

Пример: R = 10 кОм, C = 100 мкФ → τ = 1 с. Значит заметное изменение происходит в масштабе секунд, а не микросекунд.

Практический пример

Пример. 100 мкФ через 10 кОм: τ = 1 с. Через примерно 5τ процесс практически установится.

Тот же принцип объясняет, почему после отключения питания конденсатор не обязан мгновенно стать разряженным.

Как применять в работе

Порядок работы:

  1. Определить функцию конденсатора по схеме.
  2. Сверить ёмкость, тип, напряжение и полярность.
  3. При необходимости рассчитать τ.
  4. Учитывать остаточный заряд.
  5. Устанавливать полярный компонент по маркировке.
  6. После монтажа проверить ориентацию.

Типичные ошибки

  • Считать отключённый конденсатор разряженным.
    Почему это ошибка: Заряд может сохраняться.
    Как правильно: Проверять состояние по безопасной процедуре.
  • Ставить электролит наоборот.
    Почему это ошибка: Возможны утечка, нагрев и разрушение.
    Как правильно: Сверять плюс/минус.
  • Выбирать только по ёмкости.
    Почему это ошибка: Есть рабочее напряжение, тип, ESR и другие параметры.
    Как правильно: Сверять все требования BOM.

Самопроверка

  1. Почему неверно считать конденсатор одинаковым элементом для постоянного и переменного режима?
  2. Как нужно действовать вместо того, чтобы считать конденсатор одинаковым элементом для постоянного и переменного режима?
  3. Что может произойти, если ставить электролитический конденсатор наоборот?
  4. Как нужно действовать вместо того, чтобы ставить электролитический конденсатор наоборот?
  5. Почему важно учитывать остаточный заряд?
  6. Как правильно учитывать остаточный заряд?

Что нужно запомнить

  • C измеряется в фарадах.
  • Q = C×U.
  • τ = R×C.
  • U на конденсаторе не меняется мгновенно.
  • Полярные конденсаторы требуют правильной ориентации.
  • После отключения может сохраняться заряд.
Проверка знаний

Вопросы по уроку

Нужно 75%
Загрузка вопросов…