Как подключить конденсатор в цепь: полная схема подключения, полярность и расчеты

Краткий ответ, прежде чем коснуться доски

Если конденсатор поляризован, положительный вывод должен подключаться к стороне с более высоким потенциалом цепи. Если он неполяризован, ориентация не имеет значения для полярности, но значения напряжения и емкости все равно определяют, будет ли работать схема. В однофазном двигателе переменного тока конденсатор включается во вспомогательную обмотку либо в качестве рабочего конденсатора, который остается под напряжением, либо в качестве пускового конденсатора, который выключается после достижения двигателем скорости. Три практических вопроса всегда одни и те же: каков тип схемы, какую работу выполняет конденсатор и каковы номинальные напряжения и емкости, напечатанные на детали.

Самая распространенная ошибка новичков — использование электролитического конденсатора в сети переменного тока. Эта деталь не рассчитана на обратное напряжение и быстро выйдет из строя. Вторая наиболее распространенная ошибка — игнорирование пульсаций тока или скачков напряжения в импульсном преобразователе. В приведенных ниже параграфах вы узнаете, как подключать конденсаторы последовательно, параллельно, смешанными группами, фильтрами постоянного тока и цепями двигателей переменного тока с реальными числами и примерами сценариев. Конденсатор переменного тока

Как определить полярность конденсатора перед подключением

Поляризованные конденсаторы обычно представляют собой алюминиевые электролитические или танталовые конденсаторы. Отрицательный провод отмечен цветной полосой, знаком минус или полосой на боковой стороне гильзы. В электролитических конденсаторах со сквозными отверстиями более длинный вывод обычно является положительным. На электролитических устройствах для поверхностного монтажа верхняя маркировка представляет собой сплошной черный или белый полукруг, указывающий на положительную клемму, тогда как другая половина корпуса может иметь углубление. На компонентах с радиальными выводами пластиковый корпус часто имеет знак минус рядом с одним выводом.

Для алюминиевых электролитических конденсаторов на напряжение выше 100 В банка иногда имеет ребристую верхнюю часть с отверстием для сброса давления. Это отверстие не является маркером полярности; он предназначен для защиты от внутреннего повреждения давлением. Не используйте вентиляционное отверстие в качестве указателя направления.

Как определить неполяризованный конденсатор

К неполяризованным конденсаторам относятся СВВ60, СВВ61, СВВ65, CBB80 и керамические конденсаторы. Они не имеют положительной или отрицательной маркировки. Если вы видите два одинаковых провода без полосы полярности, конденсатор можно подключать в любой ориентации. Однако ориентация по-прежнему имеет значение в физическом смысле: клеммы могут иметь разную форму, а в некоторых конденсаторах двигателей используются вставные пластины, которые вставляются в определенное гнездо. Всегда соблюдайте соответствие размера разъема и ширины лезвия.

Последовательное соединение конденсаторов с формулами и реальными примерами

При последовательном соединении конденсаторов общая емкость всегда равна меньше, чем самый маленький конденсатор в цепочке . Формула для двух конденсаторов:

C всего = (C1 × C2) / (C1 C2)

Для трех и более конденсаторов основная формула такова:

1/С всего = 1/С1 1/С2 1/С3

Причина кроется в физике заряда. В последовательной цепочке каждый конденсатор хранит одинаковое количество заряда Q. Напряжение на конденсаторе равно V = Q/C. Если последовательно соединить конденсаторы емкостью 10 мкФ и конденсатор 10 мкФ, общая емкость составит 5 мкФ, а не 20 мкФ. Номинальное напряжение пары составляет максимум 2 × номинальное напряжение одного конденсатора при условии балансировки напряжений с помощью уравнивающих резисторов.

Пример: последовательное соединение для шины более высокого напряжения.

Предположим, у вас есть два конденсатора емкостью 100 мкФ, каждый из которых рассчитан на напряжение 50 В. Если соединить их последовательно, общая емкость составит 50 мкФ, а общее номинальное напряжение составит примерно 100 В. Однако электролитические конденсаторы имеют разные токи утечки. Конденсатор с меньшим током утечки примет большее напряжение и может выйти из строя. На практике параллельно каждому конденсатору следует поставить резистор сопротивлением 220 кОм мощностью 1 Вт. Это заставляет деление напряжения оставаться примерно одинаковым, особенно если допуски конденсаторов составляют около ±20%.

Таким образом, безопасное последовательное соединение выглядит следующим образом: конденсатор C1 с резистором R1 параллельно, конденсатор C2 с резистором R2 параллельно, затем соедините две группы последовательно. Резисторы должны быть одинакового номинала, а их максимальная рассеиваемая мощность должна быть достаточной для рабочего напряжения.

Параллельное соединение конденсаторов без ошибки фильтрации

Параллельное соединение противоположно последовательному. Общая емкость представляет собой сумму всех конденсаторов. Формула проста:

C всего = C1 C2 C3

Каждый конденсатор видит одинаковое напряжение. Это означает, что вы должны выбирать конденсаторы, индивидуальное номинальное напряжение которых выше максимального напряжения в цепи. Использование двух конденсаторов емкостью 10 мкФ и напряжением 16 В параллельно дает 20 мкФ при напряжении 16 В. Это часто встречается в низковольтных источниках питания постоянного тока, где требуется лучшее подавление низкочастотных пульсаций.

Почему параллельные конденсаторы используются для развязки

В цифровых схемах керамический конденсатор емкостью 100 нФ будет фильтровать высокочастотный шум, а электролитический или танталовый конденсатор емкостью 10 мкФ поглощает низкочастотные переходные процессы нагрузки. Оба подключены параллельно между VCC и землей. Расположение имеет большее значение, чем значение емкости: держите замыкание на землю коротким и разместите небольшой конденсатор ближе к выводу питания микросхемы.

Если вы соедините параллельно два конденсатора с очень разным эквивалентным последовательным сопротивлением, ток разделится в соответствии с импедансом на частоте, которую вы пытаетесь фильтровать. Керамика с низким ESR может проводить больший высокочастотный ток, чем электролитическая. Это нормально и не является ошибкой. Но не смешивайте поляризованный электролит и поляризованный тантал без квалифицированной проверки конструкции, поскольку обратный переходный процесс может вызвать опасный отказ.

Как объединить последовательные и параллельные группы, когда вам нужно определенное значение

Вы начинаете с решения параллельного блока, а затем рассматриваете этот блок как одиночный конденсатор в последовательном или параллельном расчете. Смешанные сети появляются, когда вам нужно значение емкости, которого нет в качестве стандартной номинальной детали.

Практический пример комбинации

Представьте, что вам нужен конденсатор емкостью 4,7 мкФ, рассчитанный на 600 В постоянного тока, но у вас есть только четыре конденсатора емкостью 4,7 мкФ, рассчитанные на 300 В постоянного тока. Вы соединяете два конденсатора последовательно, чтобы получить 2,35 мкФ при напряжении 600 В. Затем соединяете две из этих последовательных групп параллельно. В результате получается 4,7 мкФ при 600 В. Этот метод используется в драйверах светодиодов средней мощности и промышленных источниках питания.

Как подключить конденсатор в цепь постоянного тока

Для источника постоянного тока подключите положительную клемму электролитического конденсатора к шине VCC. Подключите отрицательную клемму к земле или шине низкого плеча. Если схема представляет собой двухполупериодный выпрямленный источник питания, используйте электролитический элемент емкостью от 470 до 4700 мкФ на выходе и параллельно установите керамический элемент емкостью 100 нФ для обеспечения высокочастотного шума переключения.

Поведение при зарядке и постоянная времени RC

Постоянная времени τ (тау) равна R × C. После одной постоянной времени напряжение на конденсаторе составляет 63,2% напряжения питания. После пяти постоянных времени это 99,3%. Этот принцип используется для создания схем задержки, схем устранения дребезга и даже простых таймеров.

Если вы подключаете конденсатор непосредственно к источнику постоянного тока, зарядный ток ограничивается только сопротивлением источника и ESR конденсатора. Это может быть огромным в течение нескольких микросекунд. Во многих источниках питания для ограничения тока последовательно вставляют небольшой резистор или пусковой термистор.

Как подключить конденсатор в цепи двигателя переменного тока

В большинстве бытовых и промышленных двигателей переменного тока используется конденсатор для создания фазового сдвига во вспомогательной обмотке. Этот фазовый сдвиг создает вращающееся магнитное поле, поэтому двигатель может запуститься и работать в определенном направлении. Соединение всегда осуществляется через линию переменного тока или через одну секцию обмотки, в зависимости от того, является ли это пусковым конденсатором или рабочим конденсатором.

Проложите конденсаторную проводку для двигателя с постоянным разделенным конденсатором.

В двигателе PSC рабочий конденсатор включен последовательно со вспомогательной обмоткой. Затем эта ветвь подключается параллельно основной обмотке. Двигатель подключен к источнику питания. Конденсатор остается в цепи, пока двигатель работает. Типичными здесь являются конденсаторы СВВ60 и CBB61. В двигателе стиральной машины на 220 В может использоваться рабочий конденсатор емкостью от 4 до 6 мкФ. Двигатель водяного насоса может использовать блок емкостью от 10 до 15 мкФ.

Запустите подключение конденсатора с помощью центробежного выключателя.

Пусковой конденсатор имеет большую емкость, обычно от 20 мкФ до 300 мкФ. В период пуска он подключается параллельно ветви рабочего конденсатора. Центробежный переключатель или потенциальное реле размыкаются после того, как двигатель достигает примерно 75% полной скорости, выбрасывая пусковой конденсатор. Если переключатель залипнет, конденсатор может перегреться.

В двигателях компрессоров кондиционеров очень распространены конденсаторы CBB65. Блок CBB65 на 450 В переменного тока с номиналом 30 мкФ часто используется в компрессоре на 220 В. Корпус изготовлен из алюминия и может включать резистор, помогающий разрядить остаточный заряд после отключения питания.

Физические методы подключения: пайка, клеммные колодки и методы разъемов.

Электрический символ — это только половина дела. Качество механического соединения определяет, прослужит ли конденсатор. Для конденсаторов свинцового типа снимите примерно 5 мм изоляции с каждого провода, вставьте проводник в провод, нагрейте его в течение двух-трех секунд паяльником мощностью 25–40 Вт и дайте соединению остыть, не двигаясь. Холодное соединение может вызвать искрение и периодические неисправности, которые очень трудно отследить.

Вставные конденсаторы и розетки

Конденсаторы с клеммами 4,8 мм или 6,3 мм часто закрепляются в кронштейне и подключаются к ответным гнездовым разъемам. Разъем должен быть рассчитан на температуру 105°C или выше, поскольку двигатель внутри может быть горячим. Используйте кабельную муфту для защиты от вибрации и удерживающий зажим, чтобы вилка не выскользнула во время циклов запуска и остановки двигателя.

Электропроводка в оборудовании, подверженном вибрации.

В водяном насосе или компрессоре холодильника конденсатор не должен висеть свободно. Закрепите его ремешком или кронштейном к жесткой раме. Укоротите выводы или ножевые провода и добавьте разгрузку от натяжения в точке ввода кабеля. Если конденсатор перемещается относительно своих выводов, соединение в конечном итоге устанет и сломается.

Допуск по напряжению, номинальная температура и риск покупки

Эмпирическое правило выбора рабочего напряжения заключается в использовании как минимум В 1,25–1,5 раза превышает максимальное напряжение системы. . Поэтому для двигателя переменного тока на 220 В по умолчанию выбираются конденсаторы на 450 В. Запас поглощает броски напряжения, колебания нагрузки трансформатора и скачки напряжения в сети.

Допуск по емкости имеет большее значение, чем вы думаете

Они маркируются буквенным кодом: J ±5%, K ±10%, M ±20%. В цепях работы двигателя практически безопасным пределом является конденсатор ±5%. ±10% все еще может работать для многих вентиляторов и небольших двигателей. Если вы купите дешевый конденсатор с маркировкой только 10 мкФ без допусков, на самом деле он может быть 8 мкФ или 12 мкФ. Эта разница может привести к перегреву двигателя или его невозможности запуска.

То же самое относится и к температурному классу. Стандартного конденсатора, рассчитанного на температуру 85°C, может быть недостаточно в герметичном моторном отсеке. Варианты с температурой 105°C часто требуются, когда корпус двигателя нагревается. Для длительного срока службы в насосных установках на открытом воздухе выбирайте конденсатор, рассчитанный на высокую температуру окружающей среды и рассчитанный на более длительный расчетный срок службы.

Простые расчеты и примеры выбора, которые можно использовать перед подключением

Вы всегда можете начать с тока нагрузки двигателя. Для однофазного двигателя, потребляющего ток 2 А от сети 220 В, емкость рабочего конденсатора часто находится в пределах от 3 до 8 мкФ, в зависимости от количества полюсов и конструкции обмотки. Это не точная формула для каждого двигателя; точное значение назначается разработчиком двигателя. Но если вы заменяете конденсатор, самый безопасный совет — прочитать старую деталь и выбрать ту же емкость и номинал напряжения.

Для схемы задержки постоянного тока расчет является прямым. Предположим, вам нужна 5-секундная задержка с резистором 10 кОм. Формула дает C = τ/R = 5/10000 = 0,0005 Ф, или 500 мкФ. На практике вы можете использовать электролитический элемент емкостью 470 мкФ или 1000 мкФ и проверить фактическую синхронизацию. Пороговое напряжение таймера зависит от используемой вами микросхемы или транзистора. Для таймера NE555 порог составляет около 2/3 VCC, поэтому формула немного меняется.

Проверка разряда и остаточного напряжения

Прежде чем трогать или переделывать конденсатор, напряжение на его выводах необходимо измерить мультиметром. Между клеммами можно подключить простой резистор сопротивлением 10 кОм на пять постоянных времени. Для конденсатора емкостью 100 мкФ время разряда через 10 кОм составляет около 5 секунд. Но если вы имеете дело с большими промышленными конденсаторами с номиналом 400 В или выше, используйте специальный разрядный инструмент с соответствующей номинальной мощностью резистора.

Распространенные ошибки проводки, которые портят конденсаторы и двигатели

Список ниже основан на опыте сервисного центра. Любого из этих действий достаточно, чтобы через несколько дней конденсатор вышел из строя.

1. Использование электролитического конденсатора в сети переменного тока. Полярность меняется 50 или 60 раз в секунду, вызывая внутренний нагрев и возможную утечку или вентиляцию.
2. Подключение пускового конденсатора со слишком низким номинальным напряжением. Во время запуска двигатель может потреблять более 250 В в системе с напряжением 220 В, поэтому часть, находящаяся под напряжением 250 В, может быть повреждена.
3. Игнорирование контакта переключателя. В цепях пусковых конденсаторов центробежный переключатель должен размыкаться после запуска. Приваренный контакт оставит конденсатор постоянно в цепи.
4. Установка в неправильный кронштейн с отверстиями слишком большого размера может привести к вибрации конденсатора и поломке его вывода.
5. Выбор конденсатора основан только на физическом размере. Два конденсатора могут выглядеть одинаково, но иметь разное напряжение, температуру и срок службы.
6. Оставить запасной конденсатор, заниженный по пульсациям тока в импульсном источнике питания. Результирующее повышение температуры резко сокращает жизнь.

При выходе из строя конденсатора типичными видимыми признаками являются вздутая верхняя часть, вытекший электролит, сломанная пластиковая лицевая панель или расплавленная гильза. В цепи двигателя типичным видом отказа является то, что двигатель гудит, но не вращается, а затем срабатывает автоматический выключатель.

Питание конденсатора: что на самом деле происходит в первую секунду

Когда вы подключаете конденсатор к источнику постоянного тока, напряжение не может мгновенно подскочить. В момент замыкания переключателя конденсатор действует как короткое замыкание. Ток равен V_supply, разделенному на сопротивление резистора или источника. Тогда напряжение формируется согласно уравнению V(t) = V_supply × (1 − e^(−t/RC)). Если конденсатор емкостью 100 мкФ подключить к источнику питания 12 В через резистор сопротивлением 1 кОм, постоянная времени составит 0,1 секунды. За 0,1 секунды конденсатор достигает напряжения около 7,58 В. За 0,5 секунды оно достигает почти 11,92 В.

Почему конденсатор нельзя без осторожности подключать напрямую к идеальному источнику

Идеальный источник напряжения имеет нулевое сопротивление. Идеальный конденсатор имеет нулевое сопротивление. Если соединить их напрямую, математический ток будет бесконечен. В реальном мире ток ограничивают сопротивление провода шины, ESR конденсатора и полное сопротивление источника. Но в лаборатории гигантский электролитический конденсатор может сварить выводы или повредить тестовый источник питания. Всегда подключайте небольшой ограничитель тока или резистор последовательно, когда экспериментируете с большими батареями.

Часто задаваемые вопросы по подключению конденсаторов в схемах

Как узнать, поляризован ли конденсатор?

Ищите знак минус, цветную полосу, стрелку или более длинный провод. Если ни один из них отсутствует, считайте конденсатор неполяризованным, если в номере детали не указано иное. Электролитические конденсаторы почти всегда поляризованы, а керамические и пленочные — неполяризованы.

Что произойдет, если подключить конденсатор с обратной полярностью?

В поляризованном электролитическом конденсаторе обратное напряжение вызывает разрушение оксидного слоя, выделяя газ и тепло. Конденсатор может вздуться, выпустить дым или даже разорваться. Отказ часто происходит в течение миллисекунд, если напряжение достаточно высокое. Подключение электролитика 220 В к сети переменного тока почти то же самое, что проверка обратной полярности, поскольку форма сигнала меняет направление каждые полпериода.

Могу ли я подключить конденсатор напрямую к источнику питания?

Да, но с пределом сопротивления. Прямое подключение означает, что зарядный ток определяется только паразитным сопротивлением. Это может быть приемлемо для слаботочных испытаний с небольшим источником, но никогда не рекомендуется для технического обслуживания или промышленного обслуживания. Используйте резистор, ограничитель бросков тока или дроссель, чтобы смягчить скорость заряда.

Добавляются ли конденсаторы последовательно как резисторы?

Нет. Резисторы, включенные последовательно, складываются напрямую, а конденсаторы, включенные последовательно, подчиняются правилу взаимности. Общая емкость всегда ниже наименьшего индивидуального значения. Резисторы добавляются, чтобы получить большее значение R; Конденсаторы добавляются, чтобы получить меньший C.

Как выбрать номинал конденсатора для двигателя?

Самый простой способ — скопировать номинал исходного конденсатора. Для однофазного двигателя на 220 В рабочий конденсатор часто имеет емкость от 1,5 до 15 мкФ, а пусковой конденсатор обычно составляет от 20 до 100 мкФ. Точное значение зависит от конструкции обмотки двигателя и характеристик момента нагрузки. Если у вас возникли проблемы с запуском, увеличьте пусковую емкость; Если двигатель перегревается во время работы, уменьшите рабочую емкость или проверьте напряжение.

Можно ли заменить конденсатор 5 мкФ на 6 мкФ?

Можно, но мотор будет вести себя по-другому. Более высокая рабочая емкость увеличивает ток вспомогательной обмотки, что может привести к большему пусковому моменту, но также и к большему нагреву. Меньшая емкость снижает крутящий момент. У вентиляторов разница в 0,5 мкФ обычно не критична; в герметичном компрессоре это может повлиять на тепловую защиту.

Что означает номинальное напряжение на конденсаторе?

Это максимальное постоянное напряжение, которое должно быть приложено к его клеммам. Превышение этого значения в крайних случаях приводит к более быстрому старению диэлектрика и внутренних дуг. Для конденсаторов переменного тока номинал часто указывается как 450 В переменного тока; вы не можете использовать электролитический блок постоянного тока 450 В в одном и том же месте.

Должен ли я разрядить конденсатор перед его подключением?

Да. Даже если вы собираетесь снова подключить его к той же цепи, остаточный заряд может создать искру. Подключите резистор сопротивлением от 1 кОм до 10 кОм к клеммам на несколько секунд. Для высоковольтных конденсаторов используйте герметичный разрядник и проверьте мультиметром.

Почему мой конденсатор продолжает взрываться или вздуваться?

Наиболее распространенными причинами являются высокий пульсирующий ток, перенапряжение, перепутанная полярность или неисправность пускового выключателя. В двигателе также проверьте напряжение на конденсаторе во время работы двигателя. Если оно превышает номинальное значение, срок службы конденсатора сокращается.

В каких случаях конденсаторы следует соединять последовательно?

Используйте серию, когда вам нужно более высокое рабочее напряжение, чем может обеспечить одиночный конденсатор, или когда вам нужно гораздо меньшее значение емкости. В высоковольтных звеньях постоянного тока последовательное соединение является стандартным, но всегда добавляются балансировочные резисторы, чтобы токи утечки не поляризовали один конденсатор больше, чем другой.

Как подключить конденсатор к полуволновому выпрямителю?

Подключите конденсатор к выходу выпрямителя. Положительный вывод должен идти к анодной стороне выхода, которая является клеммой, а отрицательный провод — к катодной стороне, которая является землей. Добавьте небольшой пленочный конденсатор параллельно, чтобы уменьшить высокочастотный шум, и сделайте площадь контура небольшой для обеспечения электромагнитной совместимости.

На каком расстоянии от двигателя может находиться конденсатор?

Длинный провод увеличивает индуктивность и может вызвать скачок напряжения во время переключения. При использовании двигателей располагайте конденсатор как можно ближе к клеммной коробке двигателя. Для вентилятора или насоса типично расстояние менее одного метра; Помимо этого, значение имеют сечение провода и сопротивление провода.

Есть ли у конденсаторов срок годности до подключения?

Электролитические конденсаторы могут потерять емкость при хранении в течение многих лет без напряжения. Постепенное применение номинального напряжения, называемое риформингом, может восстановить оксидный слой. Пленочные конденсаторы, такие как CBB60/CBB61/CBB65, имеют гораздо более длительный срок хранения и, как правило, не требуют реформирования.

Важна ли сторона заземления конденсатора постоянного тока?

Да. В большинстве конструкций источников питания отрицательная клемма является общей землей. Если вы подключите положительную клемму к земле, а отрицательную клемму к стороне высокого напряжения, конденсатор будет смещён в обратном направлении и может выйти из строя. Перед подключением проверьте схему.

Последняя проверка перед подачей питания на цепь

Подключите поляризованный конденсатор правильно и соблюдайте ограничение по напряжению. Для цепей переменного тока или двигателя используйте неполяризованные конденсаторы двигателя и следуйте схеме подключения, напечатанной на старой детали. Для высоковольтных цепей постоянного тока или источников питания добавьте балансировочные резисторы и путь разряда. Для ремонта двигателя скопируйте емкость, напряжение, температуру и допуск. Подождите, пока остаточное напряжение упадет, и проверьте механическое крепление. Хорошее соединение – это не только схематический символ; речь идет о проводе, кронштейне, клемме и окружающей среде.