Я обычно, когда возникает необходимость что прояснить посредством гугла, выхожу не на поиск, а на картинки. Они более информативны, выводятся в ленте, а не постранично по 10 штук, и обнаружив интересную картинку, можно сразу выйти на связанный с ней текст.
Так и тут, работая над серией из пока 6 статей об электролитических выпрямителях и конденсаторах, наткнулся на картинку, которая вывела меня на 4-минутный ютубовский ролик, скорей клип "Неполярный конденсатор из двух полярных эллектролитических".
И возникли вопросы. Ролик популяризаторский, по содержанию такие полезно смотреть 6-классникам, которые не берут сразу быка за рога, пытаясь конструировать роботов, а пытаются постигнуть ранее основы электротехники, радиоэлектроники и автоматики. Так насколько поможет пытливым школьникам подобный клип, высвободит их от присущего современным ученикам клипового мышления и начнет систематически прививать системное?
Ведь мало быть специалистом для создания учебного пособия, что текстового, что аудио-, что видео. Материал должен быть подан методически правильно, не порождая ложных представлений, и уж тем более не содержать фактических ошибок.
Автором ролика испытаны 3 электролитических конденсатора 470 мкФ, 10 В. Один конденсатор включен в сеть переменного тока (напряжение не указывается), лишь для того, чтобы показать, что он пробивается. Все это в явном виде, конденсатор даже не упрятан под кастрюлю. А если кто повторит этот опыт с конденсатором на 20 мкФ, 350 В. или 2000 мкФ, 50 В, сунув его в сеть, опять-таки безо всяких предосторожностей? Подобный конденсатор заведомо более объемистый, и взрывоопасного материала в нем гораздо больше.
Далее собирается "правильная схема", верхняя по рисунку ниже (фрагмент клипа). Встречно-последовательно соединены 2 конденсатора, зашунтированных полупроводниковыми диодами.
К внешним выводам схемы подключено переменное напряжение, как говорится, 6,3 В. Скорей всего, от стандартного сетевого трансформатора лампового приемника или телевизора, где в цепях накала используется это напряжение. Но истинная величина напряжения вольтметром не измеряется, вместо этого подключается осциллограф.
Осциллограф навороченный, помимо формы напряжения, можно посмотреть и его числовые характеристики. Постоянная составляющая -0,2 В (сказывается несимметричность схемы, допуски на конденсаторы и диоды, в теории должен быть 0), пик/пик 21,2 В.
Объявляется, что амплитудное значение напряжения 10,5 В; не бьется с 21,2 В (недостает 0,1 В), и, что самое главное, если уж объявлено, что входное действующее напряжение 6,3 В, даже у 6-классника возникнет вопрос, отчего амплитуда не 6,3*1,41=8,9 В.
У меня из окна видна трансформаторная подстанция, напряжение в розетке стабильно 230 В, и через неполярный конденсатор в 235 мкФ при напряжении в 6,3 В протекает ток порядка 0,5 А, для телевизионного трансформатора это не нагрузка; следовательно, на обмотке 6,3 В напряжение холостого хода, да еще при отсутствии нагрузок на анодных обмотках, заведомо выше номинального 6,3 В. Но вопрос ведь возникает, хорошо, если 6-классник его сам разрешит или ему помогут.
Может быть, методически правильнее было бы вывести лишь график, без панели с оценкой параметров?
Далее следуют осциллограммы напряжений последовательно на левом и правом по схеме конденсаторах. Ниже картинка по левому конденсатору, по правому то-же самое, лишь пик/пик равен 11,4 В.
И вот тут фатальная ошибка. Объявляется, что амплитудное значение напряжения на левом (или правом) конденсаторе равно 5,5 В (т.е. считается, что раз значение пик/пик равно 10,8 В, то амплитуда вдвое меньше, порядка 5,4 В). Это ошибка уже не по физике процесса, а по технике безопасности.
Прибавляем к постоянному смещению 5,6 В половину значения пик/пик, получаем 5,6+10,8/2=11,0 В. Это и есть амплитудное значение напряжения на конденсаторе, рабочее напряжение постоянного тока электролитического конденсатора должно быть заведомо больше.
Очевидно, автор счел, что достаточно учесть амплитудное значение переменной составляющей на конденсаторе, не приняв в расчет постоянную составляющую. Но это противоречит самому определению амплитудного значения. Мало ли какая может быть форма у напряжения.
Для правого конденсатора соотношение еще хуже. 5,6+11,4/2=11,3 В. А так все бьется - разница между смещениями на конденсаторах 5,8-5,6=0,2 составляет 0,2 В, это постоянное напряжение приложено к обмотке трансформатора вследствие практической несимметрии схемы.
Оттого и не рекомендуется подключать к трансформаторам однополупериодные выпрямители - там перекосы еще больше, уже неустранимые, через обмотку течет постоянный ток, создавая неучтенный магнитный поток.
Ошибка еще и закрепляется утверждением, что "на каждом из конденсаторов будет лишь половина амплитудного напряжения". Но в каждой из многочисленных "инструкций" по запуску 3-фазного двигателя от 1-фазной сети подчеркивается, что рабочее напряжение каждого из электролитов должно быть не менее амплитудного напряжения сети, т.е. 220*1,41=310 В, с запасом для надежности (с учетом протекающего переменного тока и возможного нагрева) еще выше. А здесь половина, и баста.
Подсознательно учитывается факт последовательного соединения конденсаторов, и вывод был бы справедлив для неполярных конденсаторов, но в данной схеме каждый из конденсаторов за полупериод напряжения заряжается через диод (или через другой конденсатор, который в этот полупериод сам проводит ток, поскольку является по факту выпрямительным вентилем, см. нашу статью).
Ниже картинка из нашей статьи, где эта ошибка исключена, и все становится ясным.
Если синяя линия - напряжение на "левом" диоде, то напряжение на "правом" отобразится зеленой линией, их же сумма (включены ведь последовательно!) отобразится красной линией, это и есть приложенное напряжение. Явственно видно, что максимальные напряжения на конденсаторах достигают амплитудного напряжения приложенного переменного напряжения, 310 В для случая сети 220 В.
Далее, безо всяких рассуждений, прибором измеряется емкость последовательно соединенных конденсатор, с выводом результата.
Емкость равна 225,9 мкФ. При этом показания непрерывно, в незначительных пределах, порядка 1 мкФ, изменяются, сказывается нестабильность емкости. Оттого в схеме высококачественной аудиоаппаратуры и не рекомендуется использовать электролитические (и керамические) конденсаторы. Деление номинальной емкости 470 мкФ пополам дает 235 мкФ. Факт общеизвестный, ему мы дали объяснение в первой статье нашего цикла:
Через оба конденсатора, в силу их последовательного соединения, и запертости диодов большую часть времени, протекает одинаковый ток, этот же ток протекает во внешней цепи. Но переменное напряжение во внешней цепи вдвое выше переменной составляющей напряжения на каждом из конденсаторов, что означает, что реактивное сопротивление составного конденсатора вдвое выше реактивного сопротивления каждого из конденсаторов. Большему реактивному сопротивлению отвечает меньшая емкость, зависимость обратно-пропорциональная; тем самым, емкость составного конденсатора вдвое меньше емкости каждого из конденсаторов.
Обычное объяснение, что емкость уменьшается вдвое вследствие последовательного соединения конденсаторов, не работает; ведь при оценке амплитудного напряжения на конденсаторе оно может подвести.
Далее автор исследует схему встречно-последовательного соединения электролитических конденсаторов без диодов, и приходит к выводу, что результаты по напряжениям и емкостям идентичны, за небольшими отличиями. Так и должно быть в идеальном случае; поскольку электролитические конденсаторы являются выпрямительными вентилями, подключение к каждому из них параллельно еще одного вентиля ничего не меняет.
Но жаль, что автор не привел фактические данные по напряжениям, емкости и потерям схемы без диодов; отличия, тем более на таких низких напряжениях, могли быть значимые, и имело бы смысл их проанализировать.
По факту же, исходя из разных характеристик диодов и электролитов как вентильных элементов, появляется небольшая разница. Так, у электролитов выше напряжение отсечки (несколько вольт против нескольких десятых долей вольт у полупроводниковых диодов) и больше ток утечки, также у них выше допуски на параметры.
Ну и напоследок. Автор серии видеоклипов делает полезное дело, популяризируя базовые знания по электротехнике и электронике. Надеюсь, если ему попадется данная статья, личной обиды не будет. Меня же заинтересовал еще один его клип, о "глупом соединении конденсаторов". Обе приведенные там схемы не такие уж и глупые, разберем в другой статье.