Параллельное соединение конденсаторов
Шаблоны Joomla 3 здесь: http://www.joomla3x.ru/joomla3-templates.html

Параллельное соединение конденсаторов

Господа, как-то раз чудесным летним деньком я взял ноутбук и вышел из дома на дачный участок. Там, усевшись в кресле-качалке в тени яблонь, я и решил написать данную статью. Ветерок шумел в ветвях деревьев, раскачивая их из стороны в сторону, и в воздухе была та самая атмосфера, благоприятствующая течению мыслей, которая так порой необходима…

Впрочем, хватит лирики, пора переходить непосредственно к существу обозначенного в заголовке статьи вопроса.

Итак, параллельное соединение конденсаторов… Что вообще такое параллельное соединение? Те, кто читал мои прошлые статьи, безусловно, помнят значение этого определения. Оно нам встречалось, когда мы говорили про параллельное соединение резисторов. В случае конденсаторов определение будет иметь абсолютно такой же вид. Итак, параллельное соединение конденсаторов – это такое соединение, когда одни концы всех конденсаторов соединены в один узел, а другие – в другой.

Конечно, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать, поэтому на рисунке 1 я привел изображение трех конденсаторов, которые соединены параллельно. Пусть емкость первого равна С1, второго – С2, а третьего – С3.

Рисунок 1 – Параллельное соединение конденсаторов

В данной статье мы разберем, по каким законам изменяются токи, напряжения и сопротивления переменному току при параллельном соединении конденсаторов, а также какова будет суммарная емкость такой конструкции. Ну и, само собой, поговорим, зачем вообще такое соединение может быть нужно.

Предлагаю начать с напряжения, ибо с ним здесь все предельно ясно. Господа, должно быть совершенно очевидно, что при параллельном соединении конденсаторов напряжения на них равны между собой. То есть напряжение на первом конденсаторе точно такое же, как на втором и на третьем

Почему, собственно, это так? Да очень просто! Напряжение на конденсаторе считается как разность потенциалов между двумя ножками конденсатора. А при параллельном соединении «левые» ножки всех конденсаторов сходятся в один узел, а «правые» – в другой. Таким образом, «левые» ножки всех конденсаторов имеют один потенциал, а «правые» другой. То есть разность потенциалов между «левой» и «правой» ногами будет одинаковая для любого конденсатора, а это как раз и значит, что на всех конденсаторах одно и то же напряжение. Чуть более строгий вывод этого утверждения вы можете глянуть вот в этой статье. В ней мы приводили его для параллельного соединения резисторов, но и здесь он будет звучать абсолютно так же.

Итак, мы выяснили, что напряжение на всех параллельно соединенных конденсаторах одно и то же. Это, кстати, верно для любого вида напряжения – как для постоянного, так и для переменного. Вы можете присоединить к трем параллельно включенным конденсаторам батарейку на 1,5 В. И на всех них будет постоянные 1,5 В. А можете присоединить к ним генератор синусоидального напряжения с частотой 50 Гц и амплитудой 310 В. И на каждом конденсатор будет синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц и амплитудой 310 В. Важно помнить, что у параллельно соединенных конденсаторов одной и той же будет не только амплитуда, но и частота, и фаза напряжения.

И если с напряжением все вот так вот просто, то с током ситуация посложнее. Когда мы говорим про ток через конденсатор, то обычно имеем ввиду переменный ток. Вы ведь помните, что постоянные токи через конденсаторы не текут? Конденсатор для постоянного тока – это все равно, что разрыв цепи (на деле есть некоторое сопротивление утечки конденсатора, но им обычно пренебрегают, потому что оно очень велико). Переменные же токи вполне себе текут через конденсаторы, причем могут иметь при этом весьма и весьма большие амплитуды. Очевидно, что эти переменные токи вызываются некоторым переменными напряжениями, приложенными к конденсаторам. Итак, пусть у нас по-прежнему имеется три параллельно соединенных конденсатора с емкостями С1, С2 и С3. К ним приложено некоторое переменное напряжение с комплексной амплитудой . Из-за этого приложенного напряжения через конденсаторы будут течь некоторые переменные токи с комплексными амплитудами . Для наглядности давайте нарисуем картинку, на которой будут все фигурировать все эти величины. Она представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Ищем токи через конденсаторы

Прежде всего надо понять, как связаны токи с суммарным током источника. А связаны они, господа, все по тому же самому первому закону Кирхгофа, с которым мы уже знакомились в отдельной статье. Да, тогда мы его рассматривали в контексте постоянного тока. Но, оказывается, первый закон Кирхгофа остается верным и в случае переменного тока! Просто в этом случае надо использовать комплексные амплитуды токов. Итак, суммарный ток трех параллельно соединенных конденсаторов связан с общим током вот так

То есть общий ток фактически просто разделяется между тремя конденсаторами, тогда как суммарная его величина остается той же самой. Важно помнить еще одну важную вещь – частота тока и его фаза будет одна и та же для всех трех конденсаторов. Точно такая же частота и фаза будет и у суммарного тока I. Таким образом, различаться они будут только лишь амплитудой, которая будет у каждого конденсатора своя. Как же найти эти самые амплитуды токов? Очень просто! В статье про сопротивление конденсатора мы связали между собой ток через конденсатор и напряжение на конденсаторе через сопротивление конденсатора. Сопротивление конденсатора мы легко можем посчитать, зная его емкость и частоту протекающего через него тока (помним, что для разной частоты конденсатор имеет разное сопротивление) по общей формуле:

Воспользовавшись этой замечательной формулой, мы можем найти сопротивление каждого конденсаторы:

Комплексная амплитуда тока связана с комплексной амплитудой напряжения по закону Ома для сетей переменного тока (более подробно про это мы говорили в предыдущей статье):

Воспользовавшись этой формулой, мы легко находим ток через каждый из трех параллельно соединенных конденсаторов:

Общий ток в цепи, который втекает в узел А и вытекает потом из узла В, очевидно, равен

На всякий случай напомню еще раз, что это получилось на основании первого закона Кирхгофа. Заметьте, господа, один важный факт – чем больше емкость конденсатора, тем меньше его сопротивление и тем большая часть тока будет течь через него.

Давайте представим общий ток через три параллельно соединенных конденсатора как отношение приложенного к ним напряжения и некоторого эквивалентного общего сопротивления Zc (которое нам пока неизвестно, но которое мы потом найдем) трех параллельно включенных конденсаторов:

Сокращая левую и правую части на U, получаем

Таким образом, получаем важный вывод: при параллельном соединении конденсаторов обратное эквивалентное сопротивление равно сумме обратных сопротивлений отдельных конденсаторов. Если вы помните, то точно такой же вывод мы получили и при параллельном соединении резисторов.

А что происходит с емкостью? Какая будет общая емкость у системы из трех параллельно соединенных конденсаторов? Можно ли это как-то найти? Безусловно, можно! И, более того, мы почти это сделали. Давайте в нашу последнюю формулу подставим расшифровку сопротивлений конденсаторов. Тогда у нас получится примерна такая запись

После элементарных математических преобразований, доступных даже пятикласснику, получаем, что

Это наш очередной чрезвычайной важный вывод: суммарная емкость системы из нескольких параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

Итак, мы рассмотрели основные моменты, касающиеся параллельного соединения конденсаторов. Давайте в сжатой форме резюмируем их все:

  • Напряжение на всех трех параллельно соединенных конденсаторах одно и то же (по амплитуде, фазе и частоте);
  • Амплитуда тока в цепи, содержащей параллельно соединенные конденсаторы, равна сумме амплитуд токов через отдельные конденсаторы. Чем больше емкость конденсатора, тем больше амплитуда тока через него. Фазы и частоты токов на всех конденсаторов одни и те же;
  • При параллельном соединении конденсаторов обратное эквивалентное сопротивление равно сумме обратных сопротивлений отдельных конденсаторов;
  • Суммарная емкость параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей всех конденсаторов.

Господа, если вы запомните и поймете эти четыре пункта, то, можно сказать, статью я писал не зря.

А теперь давайте для закрепления материала попробуем решить какую-нибудь задачу на параллельное соединение конденсаторов. Потому что, весьма вероятно, если вы ничего не слышали раньше про параллельное соединение конденсаторов, то все написанное выше может восприниматься просто как набор абстрактных буковок, которые не очень понятно как применять на практике. Поэтому, на мой взгляд, наличие приближенных к практике задач является неотъемлемой частью образовательного процесса. Итак, задача.

Допустим, у нас есть три параллельно соединенных конденсаторов с емкостями С1=1 мкФ, С2=4,7 мкФ и С3=22 мкФ. К ним приложено переменное синусоидальное напряжение с амплитудой Umax=50 В и частотой f=1 кГц. Требуется определить

а) напряжение на каждом из конденсаторов;

б) ток через каждый конденсатор и суммарный ток в цепи;

в) сопротивление каждого конденсатора переменному току и общее сопротивление;

г) общую емкость такой системы.

Начнем с напряжения. Мы помним, что на всех конденсаторах напряжение у нас одно и то же – то есть синусоидальное с частотой f=1 кГц и амплитудой Umax=50 В. Предположим, что оно изменяется по синусоидальному закону. Тогда можно записать следующее

Вот мы и ответили на первый вопрос задачи. Осциллограмма напряжения на наших конденсаторах приведена на рисунке 3.


Рисунок 3 – Осциллограмма напряжения на конденсаторах

Дальше, пользуясь общими формулами для сопротивления конденсатора, посчитаем сопротивление каждого конденсатора току с частотой f=1 кГц:

Да, мы видим, что сопротивления у нас получились не только комплексные, но еще и со знаком минус. Однако вас это не должно смущать, господа. Это значит только то, что ток через конденсатор и напряжение на конденсаторе сдвинуты по фазе друг относительно друга, причем ток опережает напряжение. Да, мнимая единичка показывает тут только фазовый сдвиг и ничего больше. Для расчета амплитуды тока нам потребуется только модуль этого комплексного числа. Про все это говорилось уже в прошлых двух статьях (раз и два). Возможно, это не совсем очевидно и требуется какая-либо наглядная иллюстрация этого дела. Это можно сделать на тригонометрическом круге и, надеюсь, немного позже, я подготовлю отдельную статью, посвященную этому, либо вы можете сами придумать, как это показать наглядно, пользуясь данными из моей статьи про комплексные числа в электротехнике.
Теперь ничего не мешает найти обратное общее сопротивление:

Находим общее сопротивление трех наших параллельно соединенных конденсаторов

Следует помнить, что это сопротивление верно исключительно для частоты 1 кГц. Для других частот значение сопротивления, очевидно, будет другое.

Следующим шагом рассчитаем амплитуды токов через каждый конденсатор. В расчете будем использовать модули сопротивлений (отбросим мнимую единицу), помня при этом, что сдвиг фаз между током и напряжением будет 90 градусов (то есть, если напряжение у нас меняется по закону синуса, то ток будет меняться по закону косинуса). Можно вести расчет и с комплексными числами, используя комплексные амплитуды тока и напряжения, но, на мой взгляд, в данной задаче проще просто учесть потом фазовые соотношения. Итак, амплитуды токов равны

Суммарная амплитуда тока в цепи, очевидно, равна

Мы можем себе позволить вот так вот складывать амлитуды сигналов, потому что у всех токов через параллельно соединенные конденсаторы у нас одна и та же частота и фаза. В случае невыполнения этого требования вот так вот просто взять и сложить нельзя.

Теперь, помня про фазовые соотношения, нам никто не мешает записать законы изменения тока через каждый конденсатор

И суммарный ток в цепи

Осциллограммы токов через конденсаторы приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Осциллограммы токов через конденсаторы

Ну и в завершении задачи самое простое – найдем общую емкость системы как сумму емкостей:

Кстати, эту емкость вполне можно использовать для расчета суммарного сопротивления трех параллельно соединенных конденсаторов. В качестве упражнения читателю предлагается самому в этом убедиться .

В заключение хотелось бы выяснить один, возможно, самый важный вопрос: а зачем вообще нужно на практике соединять конденсаторы параллельно? Что это дает? Какие возможности нам открывает? Ниже по пунктам я обозначил основные моменты:

  • Параллельное соединение конденсаторов дает увеличение емкости системы. Пожалуй, это самый основной и главный пункт. Например, в нашей системе нужна емкость не менее 1000 мкФ, а в нашем распоряжении только конденсаторы на 220 мкФ. Что делать? Правильно, взять этих конденсаторов штук пять и получить требуемую емкость.
  • Конденсаторы часто используют для сглаживания пульсаций напряжения. Бывает, что в этом случае через конденсатор текут весьма значительные импульсные токи (например, в импульсных источниках питания). Каждый конденсатор может выдержать отнюдь не бесконечно большую величину импульсного тока. Таким образом, если величина импульсного тока в системе превышает максимально допустимый ток для данного типа конденсаторов, то их соединяют несколько штук параллельно. При этом ток распределяется между этими конденсаторами.
  • Существует такое понятие, как "резонанс конденсатора". Подробно о нем мы погорим позднее. Если быть кратким, то суть явления заключается в том, что на высоких частотах, начиная с некоторой резонансной частоты, из-за паразитных индуктивностей конденсатор перестает быть конденсатором и начинает вести себя как дроссель. У разных конденсаторов эта резонансная частота различна: у кого-то она больше, у кого-то меньше. Так вот, когда нужна фильтрация сигнала в широком диапазоне частот, применяют параллельное соединение конденсаторов с разными резонансными частотами. Например, соединяют параллельно конденсаторы с емкостью 0,1 мкФ, 10 нФ, 100 пФ, 22 пФ. Такое соединение даст эффективное подавление помех в широком диапазоне. Более подробно обсудим это интересное явление в другой раз.

Ну а мы на этом заканчиваем, господа. Спасибо за внимание и до новых встреч!

 

Вступайте в нашу группу Вконтакте

Вопросы и предложения админу: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.


You have no rights to post comments

ГРУППА ВК