Последовательное и параллельное соединение конденсаторов
Соединение конденсаторов в электрической цепи может быть последовательным, параллельным и последовательно-пареллельным (смешанным).
Если провести аналогию между соединением конденсаторов и соединением резисторов , то стоит отметить, что формулы расчета общей емкости и общего сопротивления идентичны, только между разными типами соединений:
Формула Cобщ при параллельном соединении конденсаторов = формула Rобщ при последовательном соединении резисторов.
Формула Cобщ при последовательном соединении конденсаторов = формула Rобщ при параллельном соединении резисторов.
- Cобщ — общая емкость
- Rобщ — общее сопротивление
Параллельное соединение конденсаторов
Параллельное соединение конденсаторов — это соединение при котором конденсаторы соединяются собой обоими контактами. В результате к одной точке может быть присоединено несколько конденсаторов.
При параллельном соединении формируется один большой конденсатор с площадью обкладок, равной сумме площадей обкладок всех отдельных компонентов. Поскольку емкость конденсаторов прямо пропорциональна площади обкладок, общая емкость Собщ при параллельном соединении равняется сумме емкостей всех конденсаторов в цепи.
Параллельное соединение конденсаторов
Напряжение при параллельном соединении
На все параллельно соединенные конденсаторы падает одинаковое напряжение. Так происходит, потому что существует всего лишь две точки, между которыми может быть разность потенциалов (напряжение). Другими словами, можно сказать что при параллельном соединении все конденсаторы подключены к одному источнику напряжения.
Падение напряжения при параллельном соединении
Ток при параллельном соединении
Ток конденсатора во время переходного периода зависит от его емкости и изменения напряжения:
- ic — ток конденсатора
- C — Емкость конденсатора
- ΔVC/Δt – Скорость изменения напряжения
При параллельном соединении через каждый конденсатор потечет одельный ток, в зависимости от емкости конденсатора:
Ток при параллельном соединении
Последовательное соединение конденсаторов
Последовательное соединение конденсаторов – это соединение двух или более конденсаторов в форме цепи, в которой каждый отдельный конденсатор соединяется с другим отдельным конденсатором только в одной точке.
Последовательное соединение конденсаторов
Ток при последовательном соединении
Ток (iC), заряжающий последовательную цепь конденсаторов, будет одинаковым для всех конденсаторов, поскольку у него есть только один возможный путь прохождения:
Вследствие того что через все последовательно соединенные конденсаторы течет одинаковый ток, количество накопленого электрического заряда для каждого конденсатора будет одинаковым, независимо от его емкости. Так происходит, потому что электрический заряд, накапливаемый на обкладке любого конденсатора, должен прийти с обкладки примыкающего конденсатора.
Таким образом, последовательно соединенные конденсаторы имеют одинаковый электрический заряд:
Посмотрим на последовательную цепь из трех конденсаторов на рисунке выше. Правая обкладка первого конденсатора С1 соединяется с левой второго конденсатора С2, у которого правая обкладка соединяется с левой третьего конденсатора С3. Это означает, что в режиме постоянного тока конденсатор С2 электрически изолирован от общей цепи.
В итогое эффективная площадь обкладок уменьшается до площади обкладок самого маленького конденсатора. Это объясняется тем, что как только обкладки наименшей площади заполнятся электрическим зарядом, данный конденсатор перестанет пропускать ток. В результате ток прекратиться во всей цепи, и процесс зарядки остальных конденсаторов также прекратится.
При последовательном соединении общее расстояние между обкладками увеличивается до суммы расстояний между обкладками всех конденсаторов.
Таким образом, последовательная цепь формирует один большой конденсатор с площадью обкладок элемента с наименьшей емкостью, и расстоянием между обкладками, равному сумме всех расстояний в цепи.
Площадь и расстояние между обкладками при последовательном соединении
Падение напряжения и общая емкость при последовательном соединении
На каждый отдельный конденсатор в последовательной цепи падает разное напряжение. Поскольку емкость обратно пропрциональна напряжению (С = Q/V), то чем меньше емкость конденсатора, тем большее напряжение на него упадет.
Применим закон Кирхгофа для напряжения в последовательной цепи из трех конденсаторов:
Падение напряжения при последовательном соединении
Емкость конденсатора прямо пропорциональна его заряду и обратно пропорциональна его напряжению — C = Q/V. Как уже упоминалось выше, последовательно соединенные конденсаторы имеют одинаковый электрический заряд — Qобщ = Q1 = Q2 = Q3.
Разделив все выражение на Qобщ мы получим уравнение для общей емкости при последовательном соединении:
Из данного уравнения можно легко вывести формулу общей емкости для любого частного случая последовательного соединения.
Например, общая емкость для трех конденсаторов:
Общая емкость для двух конденсаторов:
Смешанное соединение конденсаторов
Если в цепи есть и последовательное и параллельное соединение, то такую цепь называют смешанной или последовательно-параллельной. Тем не менее, смешанное соединение может иметь как последовательный, так и параллельный характер.
Смешанное соединение конденсаторов
Общая емкость смешанного соединения конденсаторов
Чтобы посчитать общую емкость смешанного соединения конденсаторов, следуют такому же алгоритму, как и при расчете общего сопротивления смешанного соединения резисторов.
- Цепь разбивают на участки с только пареллельным или только последовательным соединением
- Вычисляют общую емкость для каждого отдельного участка.
- Вычисляют общую емкость для всей цепи смешанного соединения.
Так это будет выглядеть для схемы 2:
Преобразование смешанного соединения в параллельное
Зачем все это нужно?
Вполне справедливым может оказаться вопрос, для чего надо соединять конденсаторы последовательно, если общая емкость будет меньше? Скорее всего, первым что приходит в голову — это чтобы получить новый эквивалентный конденсатор с меньшей емкостью. Но в производстве микросхем вряд ли будут делать подобное, поскольку, во -первых, обычно нужно экономить место на печатной плате, а во-вторых, нет смысла тратить деньги на два компонента или больше, если можно купить один с требуемой емкостью.
Но если в параллельном или последовательном соединении конденсаторов еще есть хоть какая-то логика, то кому вообще нужно смешанное?
Дело в том, что емкостью, то есть способностью накапливать электрический заряд, обладает любое тело в природе, даже человеческое. Если мы говорим о электрической цепи, то все ее элементы на практике обладают емкостью, и их можно представить как конденсаторы. Часто такую емкость еще называют паразитической, потому как она создает разного рода помехи.
Например, у нас есть какая-то электронная цепь с множеством различных компонентов, которая принимает сигнал, обрабатывает его определенным образом и выдает на выход результат. Известно, что время задержки сигнала, в основном, зависит от паразитической емкости электронных компонентов схемы. Поскольку должно пройти время зарядки паразитической емкости, прежде чем она начнет пропускать сигнал. Если мы хотим узнать время задержки, нужно посчитать общую емкость всех компонентов, конвертировав их в цепь из конденсаторов.
Параллельное и последовательное соединение конденсаторов
Проиллюстрируем данные подключения на примере двух конденсаторов (рис. 1).
- последовательное соединение конденсаторов
Рис. 1. Последовательное соединение конденсаторов
Логическая зарядка конденсаторов происходит как показано на рис.1. Приходя из цепи, электрон останавливается на левой обкладке (пластине) конденсатора. При этом, благодаря своему электрическому полю (электризация через влияние), он выбивает другой электрон с правой обкладки, уходящий дальше в цепь (рис. 1.1). Этот образовавшийся электрон приходит на левую обкладку следующего конденсатора, соединённого последовательно. И всё повторяется снова. Таким образом, в результате «прохождения» через последовательную цепь конденсаторов «одного» электрона, мы получаем заряженную систему с одинаковыми по значению зарядами на каждом из конденсаторов (рис. 1.2).
Кроме того, напряжение на последовательно соединённой батареи конденсаторов есть сумма напряжений на каждом из элементов (аналог последовательного сопротивления проводников).
Рис. 2. Последовательное соединение конденсаторов
Часть задач школьной физики касается поиска общей электроёмкости участка цепи, логика такого поиска: найти такую электроёмкость, которым можно заменить цепь, чтобы параметры напряжения и заряда остались неизменными (рис. 2). Пусть заряд на обоих конденсаторах — (помним, что они одинаковы), электроёмкости — , и соответствующие напряжения — и .
- где
- — напряжение на первом конденсаторе,
- — электроёмкость первого конденсатора,
- — заряд конденсатора.
- где
- — напряжение на втором конденсаторе,
- — электроёмкость второго конденсатора,
- — заряд конденсатора.
- где
- — напряжение полной цепи,
- — электроёмкость общего конденсатора,
- — заряд общего конденсатора.
Памятуя о том, что конденсаторы соединены последовательно, получаем:
Или в общем виде:
- где
- — электроёмкость последовательно соединённых конденсаторов,
- — сумма обратных емкостей.
Для цепи из двух последовательных соединений:
- параллельное соединение конденсаторов
Рис. 3. Параллельное соединение конденсаторов
Параллельное подключение конденсаторов представлено на рисунке 3. При внесении электрона в систему, у него есть выбор: пойти на верхний или нижний конденсатор. При большом количестве электронов заполнение обкладок конденсатора происходит прямо пропорционально электроёмкости конденсаторов.
Рис. 4. Параллельное соединение конденсаторов. Поиск полной электроёмкости
Опять попробуем решить задачу по поиску полной ёмкости конденсаторов (рис. 4). Помним, что при параллельном подключении напряжения на элементах одинаковы, тогда:
- где
- — заряд на первом конденсаторе,
- — электроёмкость первого конденсатора,
- — напряжение на первом конденсаторе.
- где
- — заряд на втором конденсаторе,
- — электроёмкость второго конденсатора,
- — напряжение на втором конденсаторе.
- где
- — заряд на общем конденсаторе,
- — электроёмкость полного конденсатора,
- — напряжение на общем конденсаторе.
С учётом того, что , получим:
Или в общем виде:
- где
- — электроёмкость параллельно соединённых конденсаторов,
- — сумма электроёмкостей последовательно соединённой цепи.
Вывод: в задачах, в которых присутствует цепь, необходимо рассмотреть, какое конкретно соединение рассматривается, а потом использовать соответствующую логику рассуждений:
- для последовательного соединения
- заряды всех конденсаторов одинаковы: .
- напряжение во всей цепи есть сумма напряжений на каждом из элементов: ,
- полная электроёмкость цепи конденсаторов, соединённых последовательно равна: .
- заряд системы конденсаторов есть сумма зарядов на каждом из них: ,
- напряжение на каждом из элементов одинаково: ,
- полная электроёмкость цепи конденсаторов, соединённых параллельно равна: .
Поделиться ссылкой:
Добавить комментарий Отменить ответ
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.
Параллельное и последовательное соединение конденсаторов
На рисунке показаны схемы параллельного и последовательного соединения конденсаторов:
При параллельном соединении конденсаторов их ёмкости складываются:
C = C1 + C2 + … + CN
Последовательное соединение
Для двух конденсаторов вычисление удобно проводить по формуле:
При последовательном соединении N конденсаторов одинакового номинала C1 результирующее значение ёмкости равно:
При вычислениях все номиналы необходимо указывать в одних и тех же единицах:
Ф, мФ, нФ или пФ.Расчёт с помощью формы
Последовательное и параллельное соединение конденсаторов
Последовательное и параллельное соединение конденсаторов применяют в зависимости от поставленной цели. При последовательном соединении конденсаторов уменьшается общая емкость и увеличивается общее напряжение конденсаторов.
Емкость набора при последовательном соединении конденсаторов будет вычисляться по формуле:1 = 1 + 1 + 1 + . C C1 C2 C3 А общее напряжение будет равняться сумме напряжений всех конденсаторов.
Например: мы имеем три конденсатора по 30 мкФ x 100 В каждый. При их последовательном соединении общий конденсатор будет иметь следующие данные: 10 мкФ x 300 В.При параллельном соединении общая емкость конденсаторов складывается, а допустимое напряжение всего набора будет равно напряжению конденсатора, имеющего самое низкое значение допустимого напряжения из всего набора.
C = C1 + C2 + C3 + C4 + .
Например: мы имеем три конденсатора 30 мкФ x 100 В, соединённые параллельно. Параметры всего набора конденсаторов в этом случае будут следующие: 90 мкФ x 100 В.
Соединение более двух конденсаторов последовательно редко встречается в реальных схемах. Хотя для увеличения общего напряжения такой набор может встретиться в высоковольтных источниках питания. А вот в низковольтных источниках довольно часто встречается параллельное соединение нескольких конденсаторов для сглаживания пульсаций после выпрямления при больших токах потребления.
Обратите внимание, формулы вычисления емкости последовательного и параллельного соединения конденсаторов в точности обратны формулам вычисления сопротивления при последовательном и параллельном соединении резисторов.