Требования снизить размеры радиодеталей при увеличении их технических характеристиках послужило причиной появления большого количества приборов, которые сегодня используются повсеместно. Это в полной мере коснулось и конденсаторов. Так называемые ионистры или суперконденсаторы являются элементами с большой емкостью (разброс данного показателя достаточно широк от 0,01 до 30 фарад) с напряжением зарядки от 3 до 30 вольт. При этом их размеры очень малы. А так как предмет нашего разговора – это ионистр своими руками, то необходимо в первую очередь разобраться с самим элементом, то есть, что он собой представляет.
Конструктивные особенности ионистра
По сути, это обычный конденсатор с большой емкостью. Но у ионистров большое сопротивление, потому что в основе элемента лежит электролит. Это первое. Второе – это небольшое напряжение зарядки. Все дело в том, что в этом суперконденсаторе обкладки располагаются очень близко друг к другу. Именно это и является причиной сниженного напряжения, но именно по этой причине и увеличивается емкость конденсатора.
Заводские ионистры изготавливаются из разных материалов. Обкладки обычно делаются из фольги, которые разграничивает сухое вещество сепарирующего действия. К примеру, активированный уголь (для больших обкладок), оксиды металлов, полимерные вещества, у которых высокая электрическая проводимость.
Собираем ионистр своими руками
Сборка ионистра своими руками – дело не самое простое, но в домашних условиях его сделать все же можно. Есть несколько конструкций, где присутствуют разные материалы. Предлагаем одну из них. Для этого вам понадобится:
- металлическая баночка от кофе (50 г);
- активированный уголь, который продается в аптеках, его можно заменить истолченными угольными электродами;
- два круга из медной пластины;
- вата.
В первую очередь необходимо приготовить электролит. Для этого сначала надо истолочь активированный уголь в порошок. Затем сделать солевой раствор, для чего в 100 г воды надо добавить 25 г соли, и все это хорошо перемешать. Далее, в раствор постепенно добавляется порошок активированного угля. Его количество определяет консистенция электролита, она должна быть плотностью, как замазка.
После чего готовый электролит наносится на медные круги (на одну из сторон). Обратите внимание, чем толще слой электролита, тем больше емкость ионистра. И еще один момент, толщина наносимого электролита на двух кругах должна быть одинаковая. Итак, электроды готовы, теперь их надо разграничить материалом, который бы пропускал электрический ток, но не пропускал угольный порошок. Для этого используется обычная вата, хотя вариантов и здесь немало. Толщина ватного слоя определяет диаметр металлической баночки от кофе, то есть, вся эта электродная конструкция должна в нее спокойно поместиться. Отсюда, в принципе, и придется подбирать размеры самих электродов (медных кругов).
Остается только сами электроды подключить к выводам. Все, ионистр, изготовленный своими руками, да еще в домашних условиях, готов. У такой конструкции не очень большая емкость – не выше 0,3 фарад, да и напряжение зарядки всего лишь один вольт, но это самый настоящий ионистр. 
Заключение по теме
Что можно еще в дополнении сказать об этом элементе. Если его сравнивать, к примеру, с аккумулятором никель-металлгидридного типа, то ионистр спокойно может держать запас электроэнергии до 10% от аккумуляторной мощности. К тому же спад напряжения у него происходит линейно, а не скачкообразно. Но уровень зарядки элемента зависит от технологического его назначения.
Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики, составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по весу и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке - суперконденсаторты.
Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.
Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы - Юпитера.
Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.
Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58-9В, имеющий массу 0,5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!
Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор - 86 400 Дж - в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода. Кроме того, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.
Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств, кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1-2 л на 100 км.
Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато. Так что если есть время и интерес, можно попробовать сделать ионистор самостоятельно. Но прежде чем дать конкретные советы, немного теории.
Из электрохимии известно: при погружении металла в воду на его поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, состоящий из разноименных электрических зарядов - ионов и электронов. Между ними действуют силы взаимного притяжения, но заряды не могут сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и металла. По сути своей двойной электрический слой не что иное, как конденсатор. Сосредоточенные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок. Расстояние между ними очень мало. А, как известно, емкость конденсатора при уменьшении расстояния между его обкладками возрастает. Поэтому, например, емкость обычной стальной спицы, погруженной в воду, достигает нескольких мФ.
По сути своей ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием приложенного напряжения образуется двойной электрический слой. Правда, применяя обычные плоские пластины, можно было бы получить емкость всего лишь в несколько десятков мФ. Для получения же свойственных ионисторам больших емкостей в них применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую поверхность пор при малых внешних размерах.
На эту роль были перепробованы в свое время губчатые металлы от титана до платины. Однако несравненно лучше всех оказался… обычный активированный уголь. Это древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым. Площадь поверхности пор 1 см3 такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость двойного электрического слоя на них - десяти фарад!
Самодельный ионистор На рисунке 1 изображена конструкция ионистора. Он состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом.
При зарядке ионистора в одной его половине на порах угля образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, в другой - с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают перетекать навстречу друг другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накопленный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет.
Чтобы этому помешать, между слоями активированного угля и вводится разделительный слой. Он может состоять из различных тонких пластиковых пленок, бумаги и даже ваты.
В любительских ионисторах электролитом служит 25%-ный раствор поваренной соли либо 27%-ный раствор КОН. (При меньших концентрациях не сформируется слой отрицательных ионов на положительном электроде.)
В качестве электродов применяют медные пластины с заранее припаянными к ним проводами. Их рабочие поверхности следует очистить от окислов. При этом желательно воспользоваться крупнозернистой шкуркой, оставляющей царапины. Эти царапины улучшат сцепление угля с медью. Для хорошего сцепления пластины должны быть обезжирены. Обезжиривание пластин производится в два этапа. Вначале их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают его струей воды. После этого прикасаться к ним пальцами не стоит.
Активированный уголь, купленный в аптеке, растирают в ступке и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают тщательно обезжиренные пластины.
При первом испытании пластины с прокладкой из бумаги кладут одна на другую, после этого попробуем его зарядить. Но здесь есть тонкость. При напряжении более 1 В начинается выделение газов Н2, О2. Они разрушают угольные электроды и не позволяют работать нашему устройству в режиме конденсатора-ионистора.
Поэтому мы должны заряжать его от источника с напряжением не выше 1 В. (Именно такое напряжение на каждую пару пластин рекомендовано для работы промышленных ионисторов.)
Подробности для любознательных
При напряжении более 1,2 В ионистор превращается в газовый аккумулятор. Это интересный прибор, тоже состоящий из активированного угля и двух электродов. Но конструктивно он выполнен иначе (см. рис. 2). Обычно берут два угольных стержня от старого гальванического элемента и обвязывают вокруг них марлевые мешочки с активированным углем. В качестве электролита употребляется раствор КОН. (Раствор поваренной соли применять не следует, поскольку при ее разложении выделяется хлор.)
Энергоемкость газового аккумулятора достигает 36 000 Дж/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, но в 2,5 раза меньше, чем у обычного свинцового аккумулятора. Однако газовый аккумулятор - это не просто аккумулятор, а очень своеобразный топливный элемент. При его зарядке на электродах выделяются газы - кислород и водород. Они «оседают» на поверхности активированного угля. При появлении же тока нагрузки происходит их соединение с образованием воды и электрического тока. Процесс этот, правда, без катализатора идет очень медленно. А катализатором, как выяснилось, может быть только платина… Поэтому, в отличие от ионистора, газовый аккумулятор большие токи давать не может.
Тем не менее, московский изобретатель А.Г. Пресняков (http://chemfiles.narod .r u/hit/gas_akk.htm) успешно применил для запуска мотора грузовика газовый аккумулятор. Его солидный вес - почти втрое больше обычного - в этом случае оказался терпим. Зато низкая стоимость и отсутствие таких вредных материалов, как кислота и свинец, казалось крайне привлекательным.
Газовый аккумулятор простейшей конструкции оказался склонен к полному саморазряду за 4-6 часов. Это и положило конец опытам. Кому же нужен автомобиль, который после ночной стоянки нельзя завести?
И все же «большая техника» про газовые аккумуляторы не забыла. Мощные, легкие и надежные, они стоят на некоторых спутниках. Процесс в них идет под давлением около 100 атм, а в качестве поглотителя газов применяется губчатый никель, который при таких условиях работает как катализатор. Все устройство размещено в сверхлегком баллоне из углепластика. Получились аккумуляторы с энергоемкостью почти в 4 раза выше, чем у аккумуляторов свинцовых. Электромобиль мог бы на них пройти около 600 км. Но, к сожалению, пока они очень дороги.
Если вы заядлый радиолюбитель и любите собирать радиоприемники, то, наверное, могли заметить, что у поставщиков электронных компонентов ассортимент настроечных конденсаторов переменной емкости несколько поубавился. Было время, когда почти в каждом радиоприемнике имелся хотя бы один подстроечный конденсатор, но теперь с появлением варикапа и синтезатора частот такой конденсатор настройки антенного контура является редкостью. Они все еще производятся, но стоят не дешево, и они не будут появляться в вашем ящике для компонентов также быстро, как это было раньше.
К счастью, конденсатор переменной емкости представляет собой удивительно простое устройство. Причем вы можете сделать его самостоятельно, по крайней мере, конденсатор емкостью в несколько десятков пикофарад собирается из подручных материалов.
Для сборки самодельного конденсатора вам понадобятся болт, пара гаек, кусок медной проволоки с покрытием (длина 30 см, калибр AWG22, т.е. диаметр 0.64 мм) и маленький кусочек текстолита.
Для начала накрутите гайки на болт и нанесите на одну из граней каждой гайки олово, затем припаяйте данный болт с гайками к куску медного текстолита, как показано на рисунках ниже.
Болт желательно брать длиной 16 мм. Если такового под рукой не оказалось, то можно взять длиннее, но придется обрезать его до длины. Теперь обмотайте край болта медной проволокой. Сделайте 12 колец, после двенадцатого оборота отрежьте лишние концы проволоки, оставив примерно по 12-15 мм с каждой стороны.
На рисунке ниже показан предпоследний шаг. На этом этапе нужно сделать меленькую пластмассовую прокладку и поместить ее между гайками. Это необходимо для надежной фиксации конструкции при вращении болта во время настройки такого самодельного конденсатора. Кусок такой пластмассы может быть от чего угодно и любого типа пластика. В данном случае использовался кусок пластиковой трубы.
На заключительном этапе нужно просто согнуть внешний конец провода катушки по направлению к внутреннему концу, затем срежьте излишки. Далее возьмите нож или другое лезвие и снимите эмаль с конца провода. В конечном итоге возьмите отрезанный кусок провода, зачистите его весь и припаяйте его к куску текстолита между двумя гайками. Сделайте так, чтобы оба конца катушки имели длину около 12-15 мм. Теперь вы можете подключать этими концами ваш самодельный настроечный конденсатор переменной емкости к вашему радиоприемнику.
Конденсатор - детям не игрушка
(Архив пионерской мудрости)
Страшная история из нефильма ужасов
«Заряженный высоковольтный конденсатор можно отнести к источнику постоянного тока. Считается, что постоянный ток менее опасен, чем переменный. Исходя из своего опыта, могу не согласиться. Если Вы «подключаетесь» к бытовой электросети, то Вы будете дергаться. Хотя частота тока в розетке равна 50 Гц, и человек не успеет отреагировать на столь быстрое событие, тем не менее, у Вас будет шанс в процессе конвульсий самостоятельно освободиться от действия электрического тока. Ведь напряжение в розетке 50 раз в секунду равно нулю. Если Вы «подключаетесь» к мощному источнику постоянного тока, то тут без вариантов. Ваши мышцы сильно сократятся, и никакой силы воли не хватит, чтобы расслабить их. Вы будете словно приклеенный к источнику постоянного тока. При этом Ваша тушка будет нагреваться, медленно превращаясь в уголь. Жуть!
Поражающее действие заряженного высоковольтного конденсатора несколько иное и зависит от конкретных условий. Однако в любом случае приятных ощущений от прикосновения к электродам заряженного конденсатора у Вас точно не будет. Однозначно! Обуглиться не успеете, но шары на лоб полезут. Чик…и ты уже на небесах! В особо тяжких случаях при чудовищно большом заряде (не будем говорить о цифрах) конденсатор разорвет Вас как тузик грелку. Шары будут в одном углу комнаты, а лоб - в другом углу комнаты.
Короче говоря, будьте бздительны
! При работе с высоковольтной техникой лучше перебздеть, чем недобздеть.»
Конденсатор является одним из главных элементов в блоке питания импульсных лазеров. Высоковольтный конденсатор используется для питания импульсных ламп-вспышек, а также для накачки импульсных газоразрядных лазеров. Параметры конденсатора выбираются в зависимости от конкретного типа лазера. Определяющими являются такие величины как емкость, рабочее напряжение, волновое сопротивление и собственная индуктивность конденсатора. От емкости и рабочего напряжения конденсатора зависит энергия накачки. Энергия конденсатора рассчитывается по простой формуле
Е = СU 2 /2, где Е - энергия конденсатора
С - емкость конденсатора
U - напряжение зарядки конденсатора
От волнового сопротивления зависит величина тока, который будет проходить при разряде конденсатора через малую нагрузку. Чем меньше в олновое сопротивление конденсатора, тем выше ток. В олновое сопротивление рассчитывается по формуле
ρ к = √(L к /C к), где ρ к - в волновое сопротивление конденсатора
L к - индуктивность конденсатора
C к - емкость конденсатора
От собственной индуктивности конденсатора зависит быстрота передачи энергии конденсатора в нагрузку. Чем меньше индуктивность конденсатора, тем выше крутизна фронта импульса накачки. Откуда в конденсаторе индуктивность? Дело в том, что обкладки конденсатора представляют собой проводник тока, а проводник, через который протекает ток, имеет индуктивность. Даже если конденсатор состоит лишь из двух обкладок, реальная схема конденсатора соответствует рисунку ниже.
Это классический колебательный контур с активным сопротивлением R, которое зависит от диэлектрика между обкладками конденсатора и удельного сопротивления всех токоведущих элементов конденсатора. Таким образом, заряд и разряд конденсатора происходит не мгновенно, а имеет колебательный характер. Частота колебаний определяется формулой Томпсона, из которой и вычисляется собственная индуктивность конденсатора.
Где L к - собственная индуктивность конденсатора
C к - емкость конденсатора
F p - основная резонансная частота
Разумеется, чем выше энергия конденсатора, тем больше мощность накачки. Однако с увеличением емкости конденсатора возрастает и время импульса накачки. Если длительность накачки не имеет принципиального значения, то для работы лазера подойдут высоковольтные электролитические конденсаторы. Такие конденсаторы можно использовать, например, для накачки рубинового или неодимового лазера. Конечно, проблематично раздобыть кондер, имеющий 1000 мкФ при рабочем напряжении 3 кВ. Но эта проблема легко решается, если использовать банк конденсаторов. При последовательном соединении отдельных конденсаторов суммарное напряжение зарядки возрастает, а емкость можно увеличить параллельным подключением конденсаторов. В радиотехнических магазинах можно купить электролитические конденсаторы, имеющие, например, 150 мкФ х 450 В.
Из таких конденсаторов можно составить банк на любую емкость и рабочее напряжение.
На рисунке ниже показан пример банка конденсаторов, эквивалентный одному конденсатору на 30 мкФ х 2 кВ.
Если длительность накачки должна быть как можно меньше, то для работы лазера электролитические конденсаторы уже не подходят, и нужно приобретать импульсные конденсаторы. К сожалению, в радиотехнических магазинах импульсные высоковольтные конденсаторы - товар редкий. В магазине «Чип и Дип» можно затариться высоковольтными конденсаторами фирмы «MURATA ».
Однако максимальное напряжение таких конденсаторов ограничено на уровне 15 кВ при емкости 1 нФ. Такие конденсаторы можно использовать для накачки самодельных азотных лазеров или лазеров на парах металлов.
Для накачки лазеров на красителях потребуется 100 - 1000 штук таких конденсаторов, соединенных параллельно. Учитывая стоимость одного такого кондера на уровне ~ 80 руб/шт, все удовольствие обойдется любителю минимум 8 000 руб. Так еще нужно спаять из кучи конденсаторов единый банк.
Через Интернет можно приобрести конденсаторы типа КВИ-3, которые также подходят для накачки лазеров, но их цена будет еще дороже (~ 200 руб/шт).
Также через Интернет приобретаются конденсаторы типа КПИМ, которые вполне подойдут для накачки лазера на красителе.
Эти конденсаторы имеют впечатляющие характеристики. Рабочее напряжение может быть в пределах 5 - 100 кВ при емкости конденсатора 0,1 - 240 мкФ. Но вот частота импульсов будет < 1Гц. По стоимости эти конденсаторы самые дорогие. Их цена за штуку начинается от 20 000 руб. За такие деньги можно купить готовый лазер, причем нехилой мощности и не заниматься творческим онанизмом.
Если же денег нет, а очень хочется, то приступаем к рукоблудию, а именно к изготовлению самодельного высоковольтного конденсатора.
Самодельный высоковольтный конденсатор
Схема конденсатора проста, но вот трудности реализации этой схемы в виде готовой конструкции возрастают с ростом рабочего напряжения конденсатора. Для начала разберем возможные варианты простого конденсатора из двух обкладок, разделенных воздухом. На рисунке 1 показаны пластины заряженного конденсатора. Если нужно изготовить конденсатор с низкой индуктивностью, то следует стремиться укорачивать все токоведущие элементы. Причем направление токов в обкладках конденсатора при разрядке должно быть противоположным, дабы снизить магнитное поле. Направление токов зависит от места подключения электродов конденсатора. Индуктивность конденсатора будет самой наименьшей, если электроды конденсатора соединены с обкладками по центру, как показано на рисунке 2.
Собственно по этой схеме изготавливаются коммерческие керамические конденсаторы. Только у высоковольтных конденсаторов обкладки имеют форму круга во избежание возникновения коронных разрядов. Возможные варианты подключения электродов к обкладкам конденсатора, а также направления токов при разрядке показаны на рисунке ниже.
Схема рисунка 3 соответствует минимальной индуктивности конденсатора. По этой схеме и нужно изготавливать конденсатор, если требуется короткий импульс накачки.
Емкость плоского конденсатора вычисляется по формуле:
Обкладками конденсатора
S - площадь обкладок конденсатора
D - толщина диэлектрика между обкладками конденсатора
Как видно из формулы, для повышения емкости конденсатора нужно уменьшать толщину диэлектрика и повышать площадь обкладок конденсатора. Уменьшать толщину диэлектрика можно до определенного предела, который зависит от диэлектрической прочности материала диэлектрика. Ниже этого предела произойдет пробой диэлектрика и конденсатор можно выбрасывать. Повышение площади обкладок приводит к увеличению размеров конденсатора. Для компактности конденсатора его обкладки либо сворачиваются в рулон (рулонная технология), либо собираются в пакет (пакетная технология).
Рулонная технология
Под рулонной технологией изготовления конденсатора понимается способ компоновки обкладок конденсатора, когда длинные полоски обкладок сворачиваются в рулон, тем самым, уменьшая размеры конденсатора. Схематически такой конденсатор является полосковой линией, показанной на рисунке ниже.
Для изготовления конденсатора понадобится полиэтиленовая пленка, пищевая алюминиевая фольга, полоски жести от консервной банки (например, «сгущенное молоко»), скотч-лента. Полиэтиленовую пленку можно купить на строительном рынке или в магазине «Хозтовары». Лучше брать самую толстую пленку (~200 мкм), хотя и пленка в 100 мкм тоже подойдет. Просто расход пленки будет больше. Главное, чтобы поверхность пленки не имела царапин и проколов. Полиэтиленовая пленка будет служить диэлектриком, разделяющим обкладки конденсатора, и от качества поверхности пленки зависит надежность работы конденсатора. Любая соринка или волосок на поверхности пленки будут источником коронного разряда, который в конечном итоге приводит к пробою пленки.
Прежде всего, нужно определиться с рабочим напряжением конденсатора. От этого зависит выбор толщины полиэтиленовой пленки. Диэлектрическая прочность полиэтилена находится в пределах 40 - 60 кВ/мм. Это значит, что при толщине пленки 100 мкм предельное рабочее напряжение конденсатора составит ~ 5 кВ.
При толщине пленки 200 мкм предельное рабочее напряжение конденсатора составит ~ 10 кВ. Для повышения рабочего напряжения нужно просто использовать несколько слоев пленки, наложенных один на другой.
Изготавливать конденсатор будем по схеме рисунка 3 (см. выше).
Каждая из обкладок конденсатора будет помещаться в свой конверт из полиэтиленовой пленки. Конверт представляет собой сложенную пополам полоску полиэтиленовой пленки произвольных размеров. Чем больше будет длина полоски, тем выше возможная емкость конденсатора. Ширина полоски делается несколько больше ширины обкладок конденсатора с тем, чтобы предотвратить возникновение разряда по воздуху между обкладками конденсатора.
Электроды конденсатора вырезаются из консервной жести в виде прямоугольной полоски шириной ~ 1 см. Длина жестяной полоски произвольная, но не меньше ширины полиэтиленовой пленки. Для предотвращения коронных разрядов концы жестяной полоски округляются напильником (рис.7 ниже). Для снижения активного сопротивления жестяная полоска обворачивается несколькими слоями алюминиевой фольги (рис.8 ниже).
Для предотвращения возникновения искрового разряда между электродами конденсатора полоска жести с одного конца обворачивается несколькими слоями полиэтиленовой пленки, которая фиксируется скотч-лентой (рис.9 ниже).
Обкладки конденсатора вырезаются в виде прямоугольной полоски из алюминиевой фольги. Размеры обкладки делаются такими, чтобы она была несколько меньше размеров полиэтиленового конверта. Концы алюминиевой полоски округляются ножницами с целью предотвращения возникновения коронного разряда.
Электрод фиксируется на обкладке скотч-лентой как показано на рисунке ниже.
Обкладка конденсатора помещается на полиэтиленовую пленку так, как показано на рисунке ниже.
Затем полиэтиленовая пленка складывается пополам, как показано на рисунке ниже.
Таким же способом подготавливается вторая обкладка конденсатора.
Теперь можно сворачивать полоски в рулон. Если полиэтиленовые полоски очень длинные, то сворачивать рулон проще на полу комнаты.
Один конверт полиэтиленовой пленки с обкладкой конденсатора расстилается на полу и сверху на него накладывается второй конверт с обкладкой конденсатора так, чтобы обе обкладки были параллельно друг другу (рисунок ниже).
Рулон сворачивается, начиная от электродов, как показано на рисунке ниже.
Поскольку алюминиевая фольга в полиэтиленовом конверте не закреплена, при сворачивании рулона нужно следить, чтобы обкладки конденсатора оставались параллельны друг другу и не вылезали за пределы полиэтиленовой пленки. Свернутый рулон как можно туже стягивается скотч-лентой, которая служит не только стяжкой, но и фиксирует рулон, предотвращая разматывание полиэтиленовой пленки.
Изготовленный конденсатор показан на рисунке ниже.
Для предотвращения пробоя по воздуху электроды конденсатора несколько отгибаются друг от друга. Но лучше при рабочих напряжениях конденсатора более 10 кВ между электродами конденсатора установить пластинку оргстекла толщиной 3 - 4 мм. Размеры пластинки выбираются исходя из рабочего напряжения конденсатора. Назначение оргстеклянной пластинки в том, чтобы снизить напряженность электрического поля между электродами конденсатора и тем самым предотвратить межэлектродный пробой по воздуху.
Емкость изготовленного конденсатора можно измерить цифровым LC - метром.
Пакетная технология
Под пакетной технологией изготовления конденсатора понимается способ компоновки обкладок конденсатора, когда короткие полоски обкладок накладываются друг на друга, образуя пакет.
Схематически такой конденсатор показан на рисунке ниже.
Самым простым способом изготовления конденсатора по пакетной технологии будет использование двусторонне фольгированного гетинакса, который можно купить на радиорынке или в магазине (например, «Чип и Дип»). Двусторонне фольгированный гетинакс - это практически готовый конденсатор (рис.1 ниже). Осталось лишь с двух сторон снять по периметру листа полоску меди (рис.2 ниже) для предотвращения межэлектродного пробоя по воздуху и подключить электроды к обеим поверхностям листа (рис.3 ниже).
Все! Конденсатор готов!
Конечно, емкость такого конденсатора будет небольшой. Но если наложить друг на друга несколько листов, соединяя плюс к плюсу, а минус к минусу, то можно получить значительную емкость. К сожалению, гетинакс, также как и текстолит, - не самый лучший материал для высоковольтной техники. Диэлектрическая прочность этих материалов ~ 18 кВ/мм. Это значит, что самый распространенный в продаже фольгированный лист гетинакса толщиной 1,5 мм можно зарядить до ~ 20 кВ. При большем зарядном напряжении возрастает вероятность пробоя гетинакса. Кроме того, себестоимость изготовления такого самодельного конденсатора будет очень высокой, если нужна большая емкость.
Более дешевым, но трудоемким будет изготовление высоковольтного конденсатора с использованием полиэтиленовой пленки и пищевой алюминиевой фольги. Ниже изложен вариант методики изготовления конденсатора по пакетной технологии.
В первую очередь определяемся с рабочим напряжением конденсатора, отчего зависит выбор толщины полиэтиленовой пленки. Еще раз напомню, диэлектрическая прочность полиэтилена находится в пределах 40 - 60 кВ/мм. Для изготовления конденсатора большой емкости потребуется значительное количество, как алюминиевой фольги, так и полиэтиленовой пленки. Кроме того, потребуются два толстых (4 - 5 мм) диэлектрических листа (в моих самоделках используется оргстекло) для стяжки пакета конденсатора.
Каждая обкладка конденсатора представляет собой полоску алюминиевой фольги, концы которой округлены ножницами для предотвращения возникновения коронных разрядов. Каждая обкладка соединяется с другими обкладками той же полярности через контактную полоску, которая вырезается из алюминиевой фольги и закрепляется скотч-лентой на обкладке (рисунок ниже).
Из полиэтиленовой пленки вырезается полоска, размеры которой несколько больше размеров обкладки конденсатора. На пленке с помощью скотч-ленты фиксируется полоска алюминиевой фольги (рисунок ниже).
Затем пленка складывается пополам, образуя слой диэлектрика с двух сторон обкладки конденсатора (рисунок ниже).
Так же изготавливается обкладка конденсатора противоположной полярности. Затем обкладки накладываются друг на друга (рисунок ниже).
В принципе, конденсатор готов. Нужно только прижать обкладки друг к другу с помощью диэлектрических пластин и стянуть весь пакет. Однако емкость конденсатора будет незначительной. Для увеличения емкости нужно увеличивать число обкладок конденсатора. Поперечный разрез конденсатора с несколькими обкладками показан на рисунке ниже.
По такой схеме можно изготовить конденсатор на любую емкость и рабочее напряжение. Хоть на 1 000 0000 В. Принципиальное ограничение - размер помещения, где будет находиться конденсатор. С ростом емкости увеличиваются и размеры конденсатора. Даже если рабочее напряжение будет 20 кВ, наращивание емкости приведет к тому, что конденсатор превращается…
…превращается конденсатор…
…в элегантную тумбочку для интерьера комнаты.
И чем толще пакет конденсаторных обкладок, тем больше нужно прилагать усилий, чтобы стянуть его. Облегчить стягивание пакета помогут толстые диэлектрические пластины, между которыми помещается весь пакет обкладок.
Как вариант на рисунке ниже показаны две пластины из оргстекла толщиной 5 мм, которые будут служить и корпусом конденсатора, и сжимать пакет обкладок. На верхней пластине по всей длине приклеена межэлектродная разделительная перегородка с пазами для пластиковых стяжек.
Весь пакет обкладок помещается на нижнюю диэлектрическую пластину, а верхняя пластина накладывается на пакет. Затем как можно сильнее верхняя пластина прижимается (руками, ногами, прессом и т. д.) к нижней. Фиксация стянутых пластин осуществляется пластиковыми стяжками.
Готовый стянутый пакет обкладок конденсатора показан на рисунке ниже.
После стягивания и фиксации пакета можно закреплять контактные полоски обкладок конденсатора. Схема крепления контактных полосок показана на рисунке ниже.
Достоинством «сухого» конденсатора, изготовленного по изложенной выше рулонной или пакетной технологии, является малая величина утечки электрического заряда, что важно при работе конденсатора в высокочастотных схемах. Однако такой конденсатор имеет и существенный недостаток, а именно наличие воздуха между обкладками. Каким бы сильным не было сжатие обкладок, воздух между ними будет всегда. Само по себе наличие воздуха никоим образом не сказывается на энергетических характеристиках конденсатора. «Сухие» конденсаторы вполне можно применять в качестве накопительных, которые служат для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до 1 кВ. Однако с ростом зарядного напряжения воздух начинает ионизироваться, что проявляется в характерном шипении конденсатора при его подключении к источнику напряжения > 10 кВ. Шипение вызвано возникновением коронных разрядов, которые в конечном итоге приводят к пробою диэлектрика между обкладками конденсатора. А если использовать конденсатор в режиме коротких замыканий, что характерно для работы импульсного конденсатора, то проявление коронных разрядов будет максимальным. Даже при идеальной поверхности пленки между обкладками конденсатора коронные разряды будут возникать по периметру кромки алюминиевой фольги в момент быстрого разряда конденсатора, как показано на рисунке ниже.
Свечение коронных разрядов в самодельном конденсаторе можно увидеть в затемненном помещении.
По причине возникновения коронных разрядов коммерческие высоковольтные конденсаторы всегда погружаются в жидкий диэлектрик, который, во-первых, имеет большую диэлектрическую прочность, чем воздух, а во-вторых, повышает емкость конденсатора, поскольку диэлектрическая проницаемость любого жидкого диэлектрика выше, чем у воздуха. Более того, высоковольтные конденсаторы с рабочим напряжением в десятки киловольт никогда не делаются в виде единого рулона или отдельного пакета. Если требуется изготовить высоковольтный конденсатор, то он набирается из нескольких секций (рулонов или пакетов), которые соединяются между собой параллельно для увеличения емкости и последовательно для увеличения рабочего напряжения. Причем рабочее напряжение каждой секции не превышает 10 кВ. Все секции собранного конденсатора размещаются в прочном корпусе и заливаются жидким диэлектриком.
В качестве жидкого диэлектрика применяют масло, которое может быть либо минеральным (нефтяное), либо растительное (касторовое), либо синтетическое (например, силиконовое). Каждое из масел имеет свои плюсы и минусы, не имеющие особого значения для самодельных конструкций. Если есть желание погружать свой самодельный конденсатор в масло, то совсем не обязательно затариваться, например, касторовым маслом, которое можно купить в аптеке. Вполне подойдет пищевое растительное масло типа «Олейна», «Милора» и т.д, которое обойдется дешевле. Например, рулонный конденсатор можно сунуть в стеклянную банку и залить ее маслом (рисунок ниже).
Заманчиво использовать в качестве жидкого диэлектрика глицерин (ε ≈ 40) или дистиллированную воду (ε ≈ 80). Эти жидкости на порядок повышают емкость конденсатора. К сожалению, и глицерин, и вода имеют относительно низкое удельное сопротивление, что приведет к шунтированию источника высокого напряжения, имеющего высокоомный выход (например, диодно-конденсаторный умножитель напряжения). Проще говоря, конденсатор замкнет блок питания, и никакого высокого напряжения не будет. Тем не менее, глицерин и воду с успехом применяют в импульсных высоковольтных конденсаторах. Фишка в том, что конденсатор заряжается не от источника постоянного напряжения, а от генератора импульсных напряжений (ГИН).
Конструкция импульсного конденсатора представляет собой коаксиальную линию, составленную из двух дюралюминиевых трубок, между которыми заливается либо глицерин, либо дистиллированная вода.
1 - внешняя и внутренняя металлические трубки
2 - жидкий диэлектрик (глицерин или вода)
3 - контакт внутренней металлической трубки
4 - диэлектрическая пробка
5 - отверстие для залива диэлектрика
Жидкий диэлектрик заливается в конденсатор через отверстие, проделанное на конце внешней трубки.
Соотношение диаметров дюралевых трубок будет определять емкость конденсатора в соответствии с формулой емкости цилиндрического конденсатора:
Где С - емкость конденсатора
ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика между
Обкладками конденсатора
ε 0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость, равная 8,85х10 -12 Ф/м
L - длина трубок конденсатора
r 2 - радиус внешней трубки конденсатора
R 1 - радиус внутренней трубки конденсатора
Схема подключения импульсного коаксиального конденсатора показана на рисунке ниже.
КАК СДЕЛАТЬ КОНДЕНСАТОР ПОСТОЯННОЙ ЕМКОСТИ
Сделать конденсатор постоянной емкости нетрудно. Для этого потребуется станиолевая фольга (оловянная бумага), парафинированная бумага и кусочки жести. Станиолевую фольгу можно взять от оберток конфет или шоколада, а парафинированную бумагу можно сделать самим.
Для этого берут тонкую папиросную бумагу и нарезают ее полосками шириной 50 мм и длиной 200-300 мм.
Полоски погружают на 2-3 минуты в расплавленный парафин (не кипящий). Как только их вынут, парафин тотчас застывает. После этого его нужно осторожно соскоблить тупой стороной ножа, чтобы не порвать бумаги. Получаются парафинированные листы.
Рис. 111. Самодельный конденсатор постоянной емкости.
Для конденсатора парафинированную бумагу складывают буквой «И», как показано на рисунке 111, в промежутки, с той и с другой стороны «гармошки», вкладывают станиолевые листки размером 45X30 мм.
Когда все листки будут вставлены, «гармошку» складывают и проглаживают подогретым утюгом. Оставшиеся с наружной стороны станиолевые концы соединяются между собой.
Сделать это лучше так: из плотного картона вырезают две пластинки, накладывают их с обеих сторон «гармошки» и зажимают двумя обоймочками, сделанными из жести или латуни. К обоймочкам нужно припаять проводнички, с помощью которых конденсатор припаивается при монтаже.
При десяти станиолевых листочках емкость конденсатора будет примерно равна 1 000 пф.
Если количество листочков увеличить в два раза, емкость конденсатора также увеличится примерно в два раза.
Таким способом можно делать конденсаторы емкостью от 100 до 5 т. пф.
Конденсаторы большой емкости от 5 т. пф до 0,2 мкф делаются несколько иначе. Для их изготовления потре* буется старый бумажный микрофарадный конденсатор.
Бумажный конденсатор представляет собой рулон, свернутый из ленты, состоящей из двух полос парафинированной бумаги и проложенных между ними двух полос станиолевой фольги.
Для того чтобы определить длину полоски, нужную
нам для конденсатора, пользуются формулой:C
l = 0,014 ---
a
В этой формуле С - емкость нужного нам конденсатора в пф; а -ширина полоски станиолевой фольги в см; l - длина полоски фольги в см. , Например для получения конденсатора емкостью 10 т. пф при ширине полоски 4 см необходимая длина полоски будет равна:
10 000l = 0,014 ----------- = 35 см.
4
Изготовляют конденсатор следующим образом; от рулона микрофарадного конденсатора (рис. 112) отматывают ленту нужной нам длины (все четыре полосы). Чтобы обкладки конденсатора не соединились между собой, з начале и в конце ленты станиолевую фольгу обрезают на 10 мм больше, чем бумагу.
Перед тем как свернуть ленту, от каждой полоски
фольги делается вывод тонким многожильным проводом или луженой медной фольгой. Вывод от одной обкладки кладется в начале ленты, а от другой - в конце и в противоположную сторону. Затем лента свертывается в трубку и сверху обклеивается плотной бумагой. Бумага для обклейки берется шире ленты на 10 мм. На выступающих краях бумаги заделывают два жестких монтажных проводника.К этим проводникам с внутренней стороны бумажной гильзы припаивают выводы от обкладок конденсатора, как это показано на рисунке.
Готовый конденсатор заливается парафином.
