Podstawa elementów do projektowania urządzeń elektronicznych staje się coraz bardziej skomplikowana. Urządzenia łączone są w układy scalone o określonej funkcjonalności i sterowaniu programowym. Ale rozwój opiera się na podstawowych urządzeniach: kondensatorach, rezystorach, diodach i tranzystorach.
Zawartość
Co to jest kondensator
Urządzenie, które przechowuje energię elektryczną w postaci ładunków elektrycznych, nazywa się kondensatorem.
Ilość elektryczności lub ładunku elektrycznego w fizyce mierzy się w kulombach (C). Pojemność mierzona jest w faradach (F).
Pojedynczy przewodnik o pojemności elektrycznej 1 farada to metalowa kula o promieniu równym 13 promieniom Słońca.Dlatego kondensator zawiera co najmniej 2 przewody, które są oddzielone dielektrykiem. W prostych projektach urządzenia - papier.
Działanie kondensatora w obwodzie prądu stałego odbywa się przy włączaniu i wyłączaniu zasilania, tylko w momentach przejściowych zmienia się potencjał na płytkach.
Kondensator w obwodzie prądu przemiennego jest doładowywany z częstotliwością równą częstotliwości napięcia zasilania. W wyniku ciągłych ładowań i wyładowań przez element przepływa prąd. Wyższa częstotliwość - urządzenie ładuje się szybciej.
Rezystancja obwodu z kondensatorem zależy od częstotliwości prądu. Przy zerowej częstotliwości prądu stałego wartość rezystancji dąży do nieskończoności. Wraz ze wzrostem częstotliwości prądu przemiennego opór maleje.
Gdzie są używane kondensatory?
Działanie urządzeń elektronicznych, radiotechnicznych i elektrycznych jest niemożliwe bez kondensatorów.
W elektrotechnice służą do przesuwania faz podczas uruchamiania silników indukcyjnych. Bez przesunięcia fazowego trójfazowy silnik asynchroniczny w zmiennej sieci jednofazowej nie działa.
Kondensatory o pojemności kilku faradów - jonizatory, stosowane są w pojazdach elektrycznych jako źródła zasilania silników.
Aby zrozumieć, dlaczego kondensator jest potrzebny, musisz wiedzieć, że 10-12% urządzeń pomiarowych działa na zasadzie zmiany pojemności elektrycznej, gdy zmieniają się parametry środowiska zewnętrznego. Pojemność reakcyjna urządzeń specjalnych jest wykorzystywana do:
- rejestracja słabych ruchów poprzez zwiększenie lub zmniejszenie odległości między płytami;
- oznaczanie wilgotności poprzez ustalanie zmian rezystancji dielektryka;
- pomiar poziomu cieczy, który zmienia pojemność elementu po napełnieniu.
Trudno sobie wyobrazić, jak projektuje się automatykę i zabezpieczenia przekaźników bez kondensatorów. Niektóre logiki ochrony uwzględniają wielokrotność ładowania urządzenia.
Elementy pojemnościowe znajdują zastosowanie w obwodach urządzeń komunikacji mobilnej, sprzętu radiowego i telewizyjnego. Kondensatory stosowane są w:
- wzmacniacze wysokich i niskich częstotliwości;
- zasilacze;
- filtry częstotliwości;
- wzmacniacze dźwięku;
- procesory i inne mikroukłady.
Łatwo znaleźć odpowiedź na pytanie, do czego służy kondensator, patrząc na obwody elektryczne urządzeń elektronicznych.
Zasada działania kondensatora
W obwodzie prądu stałego ładunki dodatnie gromadzone są na jednej płytce, a ładunki ujemne na drugiej. Ze względu na wzajemne przyciąganie cząstki są utrzymywane w urządzeniu, a dielektryk między nimi nie pozwala na połączenie. Im cieńszy dielektryk, tym silniejsze są związane ładunki.
Kondensator pobiera ilość energii elektrycznej potrzebną do napełnienia pojemnika, a prąd zatrzymuje się.
Przy stałym napięciu w obwodzie element utrzymuje ładunek do momentu wyłączenia zasilania. Następnie jest rozładowywany przez obciążenia w obwodzie.
Prąd przemienny przepływa przez kondensator w inny sposób. Pierwsza ¼ okresu oscylacji to moment ładowania urządzenia. Amplituda prądu ładowania spada wykładniczo, a pod koniec kwartału spada do zera. EMF w tym momencie osiąga amplitudę.
W drugiej ¼ okresu pole elektromagnetyczne spada i komórka zaczyna się rozładowywać. Spadek pola elektromagnetycznego jest początkowo niewielki, podobnie jak prąd rozładowania. Rośnie zgodnie z tą samą wykładniczą zależnością. Pod koniec okresu pole elektromagnetyczne wynosi zero, prąd jest równy wartości amplitudy.
W trzeciej ¼ okresu oscylacji EMF zmienia kierunek, przechodzi przez zero i wzrasta.Znak opłaty na tabliczkach jest odwrócony. Prąd zmniejsza się i zachowuje kierunek. W tym momencie prąd elektryczny przewodzi napięcie o 90° w fazie.
W cewkach indukcyjnych dzieje się odwrotnie: napięcie prowadzi prąd. Ta właściwość jest na pierwszym miejscu przy wyborze obwodów do użycia w obwodzie: RC lub RL.
Pod koniec cyklu, przy ostatniej ¼ oscylacji, pole elektromagnetyczne spada do zera, a prąd osiąga wartość szczytową.
„Pojemność” jest rozładowywana i ładowana 2 razy na okres i przewodzi prąd przemienny.
To jest teoretyczny opis procesów. Aby zrozumieć, jak element w obwodzie działa bezpośrednio w urządzeniu, obliczana jest rezystancja indukcyjna i pojemnościowa obwodu, obliczane są parametry innych uczestników i uwzględniany jest wpływ środowiska zewnętrznego.
Główne cechy i właściwości
Parametry kondensatorów, które służą do tworzenia i naprawy urządzeń elektronicznych, obejmują:
- Pojemność — C. Określa ilość ładunku trzymanego przez urządzenie. Wartość pojemności nominalnej podana jest na etui. Aby utworzyć wymagane wartości, elementy są włączane do obwodu równolegle lub szeregowo. Wartości operacyjne nie odpowiadają obliczonym.
- Częstotliwość rezonansowa - fр. Jeśli częstotliwość prądu jest większa niż rezonansowa, pojawiają się właściwości indukcyjne elementu. To utrudnia pracę. Aby zapewnić obliczoną moc w obwodzie, rozsądne jest użycie kondensatora przy częstotliwościach mniejszych niż wartości rezonansowe.
- Napięcie znamionowe - Un. Aby zapobiec awariom elementu, napięcie robocze jest ustawione poniżej napięcia nominalnego. Parametr jest wskazany na obudowie kondensatora.
- Biegunowość. Jeśli połączenie jest nieprawidłowe, nastąpi awaria i awaria.
- Rezystancja izolacji elektrycznej - Rd. Definiuje prąd upływu urządzenia. W urządzeniach części znajdują się blisko siebie. Przy wysokim prądzie upływu możliwe są pasożytnicze połączenia w obwodach. Prowadzi to do awarii. Prąd upływu degraduje właściwości pojemnościowe elementu.
- Współczynnik temperaturowy - TKE. Wartość określa, jak zmienia się pojemność urządzenia wraz z wahaniami temperatury otoczenia. Parametr wykorzystywany przy opracowywaniu urządzeń do pracy w trudnych warunkach klimatycznych.
- pasożytniczy efekt piezoelektryczny. Niektóre typy kondensatorów, gdy są zdeformowane, powodują hałas w urządzeniach.
Rodzaje i rodzaje kondensatorów
Elementy pojemnościowe są klasyfikowane zgodnie z rodzajem dielektryka zastosowanego w projekcie.
Kondensatory papierowe i metalowo-papierowe
Elementy są stosowane w obwodach o napięciu stałym lub lekko pulsującym. Prostota konstrukcji skutkuje 10-25% niższą stabilnością działania i zwiększonymi stratami.
W kondensatorach papierowych płyty z folii aluminiowej oddzielają papier. Zespoły są skręcane i umieszczane w walizce w kształcie walca lub prostopadłościanu.
Urządzenia pracują w temperaturach -60 ... + 125 ° C, przy napięciu znamionowym urządzeń niskonapięciowych do 1600 V, urządzeń wysokonapięciowych - powyżej 1600 V i pojemności do kilkudziesięciu mikrofaradów.
W urządzeniach metalowo-papierowych zamiast folii na papier dielektryczny nakładana jest cienka warstwa metalu. Pomaga to w produkcji mniejszych elementów. Przy niewielkich awariach możliwe jest samonaprawienie dielektryka. Elementy metalowo-papierowe są gorsze od elementów papierowych pod względem rezystancji izolacji.
Kondensatory elektrolityczne
Design produktów przypomina papierowe. Ale w produkcji ogniw elektrolitycznych papier jest impregnowany tlenkami metali.
W produktach z elektrolitem bez papieru tlenek osadza się na metalowej elektrodzie. Tlenki metali mają przewodnictwo jednostronne, co sprawia, że urządzenie jest polarne.
W niektórych modelach ogniw elektrolitycznych płytki są wykonane z rowkami, które zwiększają powierzchnię elektrody. Szczeliny w przestrzeni między płytami są niwelowane poprzez zalanie elektrolitem. Poprawia to właściwości pojemnościowe produktu.
Duża pojemność urządzeń elektrolitycznych - setki mikrofaradów - jest wykorzystywana w filtrach do wygładzania tętnień napięcia.
Elektrolityczne aluminium
W tego typu urządzeniach okładzina anody wykonana jest z folii aluminiowej. Powierzchnia pokryta jest tlenkiem metalu - dielektrykiem. Wykładzina katody jest stałym lub ciekłym elektrolitem, który dobiera się tak, aby warstwa tlenku na folii została przywrócona podczas pracy. Samonaprawiający się dielektryk przedłuża żywotność elementu.
Kondensatory tej konstrukcji wymagają polaryzacji. Po ponownym włączeniu zepsuje obudowę.
Urządzenia, wewnątrz których znajdują się przeciwsekwencyjne zespoły biegunowe, stosowane są w 2 kierunkach. Pojemność aluminiowych ogniw elektrolitycznych sięga kilku tysięcy mikrofaradów.
tantal elektrolityczny
Elektroda anodowa takich urządzeń wykonana jest z porowatej struktury uzyskanej przez podgrzanie proszku tantalu do temperatury +2000°C. Materiał wygląda jak gąbka. Porowatość zwiększa powierzchnię.
Za pomocą utleniania elektrochemicznego na anodę nakłada się warstwę pięciotlenku tantalu o grubości do 100 nanometrów. Stały dielektryk jest wykonany z dwutlenku manganu.Gotową strukturę sprasowuje się w masę – specjalną żywicę.
Produkty z tantalu są używane przy obecnych częstotliwościach powyżej 100 kHz. Pojemność tworzona jest do setek mikrofaradów przy napięciu roboczym do 75 V.
Polimer
Kondensatory wykorzystują elektrolit wykonany ze stałych polimerów, co zapewnia szereg zalet:
- żywotność wzrasta do 50 tysięcy godzin;
- parametry są zapisywane podczas ogrzewania;
- rozszerzono zakres dopuszczalnych tętnień prądu;
- rezystancja płytek i wyprowadzeń nie bocznikuje pojemności.
Film
Dielektrykiem w tych modelach jest folia z teflonu, poliestru, fluoroplastiku lub polipropylenu.
Okładki - nałożenie folii lub metalu na folię. Projekt służy do tworzenia wielowarstwowych złożeń o zwiększonej powierzchni.
Kondensatory foliowe o miniaturowych rozmiarach mają pojemność setek mikrofaradów. W zależności od ułożenia warstw i wyprowadzeń styków wykonuje się osiowe lub promieniowe kształty wyrobów.
W niektórych modelach napięcie znamionowe wynosi 2 kV i więcej.
Jaka jest różnica między polarnym a niepolarnym?
Niepolarne umożliwiają włączenie kondensatorów do obwodu bez względu na kierunek prądu. Elementy są stosowane w filtrach zasilaczy o zmiennej mocy, wzmacniaczach wysokiej częstotliwości.
Produkty Polar są połączone zgodnie z oznaczeniem. Jeśli włączysz go w przeciwnym kierunku, urządzenie ulegnie awarii lub nie będzie działać normalnie.
Kondensatory polarne i niepolarne o dużej i małej pojemności różnią się konstrukcją dielektryka. W kondensatorach elektrolitycznych, jeśli tlenek zostanie przyłożony do 1 elektrody lub 1 strony papieru, folii, wówczas element będzie polarny.
Modele niepolarnych kondensatorów elektrolitycznych, w konstrukcjach których tlenek metalu osadzony był symetrycznie na obu powierzchniach dielektryka, są włączane do obwodów prądu przemiennego.
W przypadku biegunów na ciele znajduje się oznaczenie elektrody dodatniej lub ujemnej.
Od czego zależy pojemność kondensatora
Główną funkcją i rolą kondensatora w obwodzie jest kumulowanie ładunków, a dodatkową jest zapobieganie wyciekom.
Wartość pojemności kondensatora jest wprost proporcjonalna do stałej dielektrycznej ośrodka i powierzchni płytek i odwrotnie proporcjonalna do odległości między elektrodami. Istnieją 2 sprzeczności:
- Aby zwiększyć pojemność, potrzebne są elektrody możliwie grube, szersze i dłuższe. W takim przypadku nie można zwiększyć wymiarów urządzenia.
- Aby utrzymać ładunki i zapewnić pożądaną siłę przyciągania, odległość między płytami jest minimalna. W takim przypadku nie można zmniejszyć prądu przebicia.
Aby rozwiązać konflikty, programiści używają:
- wielowarstwowe konstrukcje pary dielektryka i elektrody;
- porowate struktury anodowe;
- zastąpienie papieru tlenkami i elektrolitami;
- równoległe połączenie elementów;
- wypełnianie wolnej przestrzeni substancjami o podwyższonej stałej dielektrycznej.
Z każdym nowym wynalazkiem kondensatory stają się coraz mniejsze i lepsze.
Podobne artykuły:
