Základňa prvkov pre návrh elektronických zariadení je čoraz komplikovanejšia. Zariadenia sú kombinované do integrovaných obvodov s danou funkcionalitou a programovým riadením. Ale vývoj je založený na základných zariadeniach: kondenzátory, odpory, diódy a tranzistory.
Obsah
Čo je to kondenzátor
Zariadenie, ktoré uchováva elektrickú energiu vo forme elektrických nábojov, sa nazýva kondenzátor.
Množstvo elektriny alebo elektrického náboja sa vo fyzike meria v coulombách (C). Kapacita sa meria vo faradoch (F).
Osamelý vodič s elektrickou kapacitou 1 farad je kovová guľa s polomerom rovným 13 polomerom Slnka.Preto kondenzátor obsahuje najmenej 2 vodiče, ktoré sú oddelené dielektrikom. V jednoduchých prevedeniach zariadenia - papier.
Prevádzka kondenzátora v jednosmernom obvode sa vykonáva pri zapnutí a vypnutí napájania , Iba v prechodných momentoch sa mení potenciál na doskách.
Kondenzátor v striedavom obvode sa dobíja frekvenciou rovnajúcou sa frekvencii napájacieho napätia. V dôsledku nepretržitého nabíjania a vybíjania prúdi cez prvok. Vyššia frekvencia – zariadenie sa rýchlejšie dobíja.
Odpor obvodu s kondenzátorom závisí od frekvencie prúdu. Pri nulovej frekvencii DC má hodnota odporu tendenciu k nekonečnu. Keď sa frekvencia striedavého prúdu zvyšuje, odpor klesá.
Kde sa používajú kondenzátory?
Prevádzka elektronických, rádiových a elektrických zariadení nie je možná bez kondenzátorov.
V elektrotechnike sa používajú na posun fáz pri spúšťaní indukčných motorov. Bez fázového posunu nefunguje trojfázový asynchrónny motor vo variabilnej jednofázovej sieti.
Kondenzátory s kapacitou niekoľkých farád - ionistorov, sa používajú v elektrických vozidlách ako zdroje energie motora.
Aby ste pochopili, prečo je potrebný kondenzátor, musíte vedieť, že 10-12% meracích zariadení funguje na princípe zmeny elektrickej kapacity pri zmene parametrov vonkajšieho prostredia. Reakčná kapacita špeciálnych zariadení sa používa na:
- registrácia slabých pohybov prostredníctvom zväčšenia alebo zmenšenia vzdialenosti medzi doskami;
- stanovenie vlhkosti fixovaním zmien odporu dielektrika;
- meranie hladiny kvapaliny, ktoré pri naplnení mení kapacitu prvku.
Je ťažké si predstaviť, ako je navrhnutá automatizácia a reléová ochrana bez kondenzátorov. Niektoré ochranné logiky berú do úvahy mnohonásobnosť nabíjania zariadenia.
Kapacitné prvky sa používajú v obvodoch mobilných komunikačných zariadení, rádiových a televíznych zariadení. Kondenzátory sa používajú v:
- zosilňovače vysokých a nízkych frekvencií;
- napájacie zdroje;
- frekvenčné filtre;
- zosilňovače zvuku;
- procesory a iné mikroobvody.
Je ľahké nájsť odpoveď na otázku, na čo je kondenzátor, ak sa pozriete na elektrické obvody elektronických zariadení.
Princíp činnosti kondenzátora
V jednosmernom obvode sa kladné náboje zhromažďujú na jednej platni a záporné náboje na druhej. V dôsledku vzájomnej príťažlivosti sú častice držané v zariadení a dielektrikum medzi nimi neumožňuje spojenie. Čím je dielektrikum tenšie, tým silnejšie sú náboje viazané.
Kondenzátor odoberie množstvo elektriny potrebnej na naplnenie nádoby a prúd sa zastaví.
Pri konštantnom napätí v obvode si prvok zachováva náboj, kým sa napájanie nevypne. Potom sa vybije cez záťaže v okruhu.
Striedavý prúd tečie cez kondenzátor iným spôsobom. Prvá ¼ periódy oscilácie je okamihom nabitia zariadenia. Amplitúda nabíjacieho prúdu klesá exponenciálne a do konca štvrťroka klesne na nulu. EMF v tomto okamihu dosiahne amplitúdu.
V druhej ¼ periódy EMF klesne a článok sa začne vybíjať. Pokles EMF je spočiatku malý a výbojový prúd tiež. Rastie podľa rovnakej exponenciálnej závislosti. Na konci obdobia je EMF nula, prúd sa rovná hodnote amplitúdy.
V tretej ¼ periódy oscilácie EMF mení smer, prechádza cez nulu a zvyšuje sa.Znak náboja na doskách je obrátený. Prúd sa zmenšuje a zachováva smer. V tomto bode vedie elektrický prúd napätie vo fáze o 90°.
V induktoroch sa deje opak: napätie vedie prúd. Táto vlastnosť je na prvom mieste pri výbere obvodov na použitie v obvode: RC alebo RL.
Na konci cyklu, pri poslednej ¼ oscilácii, EMF klesne na nulu a prúd dosiahne svoju špičkovú hodnotu.
"Kapacita" sa vybíja a nabíja 2 krát za periódu a vedie striedavý prúd.
Toto je teoretický popis procesov. Aby sme pochopili, ako prvok v obvode funguje priamo v zariadení, vypočítava sa indukčný a kapacitný odpor obvodu, parametre ostatných účastníkov a berie sa do úvahy vplyv vonkajšieho prostredia.
Hlavné charakteristiky a vlastnosti
Parametre kondenzátora, ktoré sa používajú na vytváranie a opravu elektronických zariadení, zahŕňajú:
- Kapacita - C. Určuje množstvo nabitia, ktoré zariadenie udrží. Hodnota menovitej kapacity je uvedená na puzdre. Na vytvorenie požadovaných hodnôt sú prvky zahrnuté v obvode paralelne alebo sériovo. Prevádzkové hodnoty sa nezhodujú s vypočítanými.
- Rezonančná frekvencia - fр. Ak je frekvencia prúdu väčšia ako rezonančná, potom sa objavia indukčné vlastnosti prvku. To sťažuje prácu. Na zabezpečenie vypočítaného výkonu v obvode je rozumné použiť kondenzátor pri frekvenciách nižších ako rezonančné hodnoty.
- Menovité napätie - Un. Aby sa zabránilo poruche prvku, prevádzkové napätie je nastavené nižšie ako menovité napätie. Parameter je uvedený na obale kondenzátora.
- Polarita. Ak je pripojenie nesprávne, dôjde k poruche a poruche.
- Elektrický izolačný odpor - Rd. Definuje zvodový prúd zariadenia. V zariadeniach sú časti umiestnené blízko seba. Pri vysokom zvodovom prúde sú možné parazitné spojenia v obvodoch. To vedie k poruchám. Zvodový prúd zhoršuje kapacitné vlastnosti prvku.
- Teplotný koeficient - TKE. Hodnota určuje, ako sa mení kapacita zariadenia s kolísaním teploty prostredia. Parameter sa používa pri vývoji zariadení na prevádzku v náročných klimatických podmienkach.
- parazitný piezoelektrický efekt. Niektoré typy kondenzátorov pri deformácii vytvárajú v zariadeniach šum.
Typy a typy kondenzátorov
Kapacitné prvky sú klasifikované podľa typu dielektrika použitého v konštrukcii.
Papierové a kov-papierové kondenzátory
Prvky sa používajú v obvodoch s konštantným alebo mierne pulzujúcim napätím. Jednoduchosť konštrukcie má za následok o 10-25% nižšiu stabilitu výkonu a zvýšené straty.
V papierových kondenzátoroch oddeľujú papier dosky z hliníkovej fólie. Zostavy sú skrútené a umiestnené v puzdre vo forme valca alebo pravouhlého rovnobežnostena.
Zariadenia pracujú pri teplotách -60 ... + 125 ° C, s menovitým napätím nízkonapäťových zariadení do 1600 V, vysokonapäťových zariadení - nad 1600 V a kapacitou až desiatky mikrofarád.
V zariadeniach z kovového papiera sa namiesto fólie nanáša tenká vrstva kovu na dielektrický papier. To pomáha vyrábať menšie prvky. Pri menších poruchách je možné samoliečenie dielektrika. Kovovo-papierové prvky sú z hľadiska izolačného odporu horšie ako papierové prvky.
Elektrolytické kondenzátory
Dizajn produktov pripomína papierové. Ale pri výrobe elektrolytických článkov je papier impregnovaný oxidmi kovov.
Vo výrobkoch s elektrolytom bez papiera sa oxid ukladá na kovovú elektródu. Oxidy kovov majú jednostrannú vodivosť, vďaka čomu je zariadenie polárne.
V niektorých modeloch elektrolytických článkov sú dosky vyrobené s drážkami, ktoré zväčšujú povrch elektródy. Medzery v priestore medzi platňami sa eliminujú zaplavením elektrolytom. Tým sa zlepšujú kapacitné vlastnosti produktu.
Na vyhladenie zvlnenia napätia sa vo filtroch používa veľká kapacita elektrolytických zariadení – stovky mikrofarád.
Hliníkový elektrolytický
V zariadeniach tohto typu je obloženie anódy vyrobené z hliníkovej fólie. Povrch je potiahnutý oxidom kovu - dielektrikom. Katódová výstelka je pevný alebo kvapalný elektrolyt, ktorý sa volí tak, aby sa vrstva oxidu na fólii počas prevádzky obnovila. Samoliečivé dielektrikum predlžuje životnosť prvku.
Kondenzátory tejto konštrukcie vyžadujú polaritu. Po opätovnom zapnutí rozbije puzdro.
Zariadenia, vo vnútri ktorých sú umiestnené antisekvenčné polárne zostavy, sa používajú v 2 smeroch. Kapacita hliníkových elektrolytických článkov dosahuje niekoľko tisíc mikrofarád.
Tantalový elektrolytický
Anódová elektróda takýchto zariadení je vyrobená z poréznej štruktúry získanej zahriatím tantalového prášku na +2000 °C. Materiál vyzerá ako špongia. Pórovitosť zväčšuje povrch.
Pomocou elektrochemickej oxidácie sa na anódu nanesie vrstva oxidu tantaličného s hrúbkou až 100 nanometrov. Pevné dielektrikum je vyrobené z oxidu manganičitého.Hotová štruktúra sa lisuje do zmesi - špeciálnej živice.
Tantalové výrobky sa používajú pri súčasných frekvenciách nad 100 kHz. Kapacita sa vytvára až do stoviek mikrofarád, pri prevádzkovom napätí až 75 V.
Polymér
Kondenzátory používajú elektrolyt vyrobený z pevných polymérov, čo poskytuje množstvo výhod:
- životnosť sa zvyšuje až na 50 tisíc hodín;
- parametre sa ukladajú počas ohrevu;
- rozsah prípustného zvlnenia prúdu sa rozširuje;
- odpor dosiek a vodičov nezhoršuje kapacitu.
Film
Dielektrikom v týchto modeloch je film z teflónu, polyesteru, fluoroplastu alebo polypropylénu.
Kryty - fólia alebo nanášanie kovu na film. Dizajn sa používa na vytváranie viacvrstvových zostáv so zväčšeným povrchom.
Filmové kondenzátory s miniatúrnymi rozmermi majú kapacitu stoviek mikrofarád. V závislosti od umiestnenia vrstiev a záverov kontaktov sa vyrábajú axiálne alebo radiálne tvary výrobkov.
V niektorých modeloch je menovité napätie 2 kV a vyššie.
Aký je rozdiel medzi polárnym a nepolárnym
Nepolárne umožňujú zahrnutie kondenzátorov do obvodu bez ohľadu na smer prúdu. Prvky sa používajú vo filtroch variabilných napájacích zdrojov, vysokofrekvenčných zosilňovačov.
Produkty Polar sú spojené v súlade s označením. Ak ho zapnete v opačnom smere, zariadenie zlyhá alebo nebude fungovať normálne.
Polárne a nepolárne kondenzátory veľkých a malých kapacít sa líšia v konštrukcii dielektrika. V elektrolytických kondenzátoroch, ak sa oxid aplikuje na 1 elektródu alebo 1 stranu papiera, filmu, prvok bude polárny.
Modely nepolárnych elektrolytických kondenzátorov, v ktorých konštrukciách bol oxid kovu uložený symetricky na oboch povrchoch dielektrika, sú zahrnuté v obvodoch striedavého prúdu.
Pre polárne je na tele označenie kladnej alebo zápornej elektródy.
Čo určuje kapacitu kondenzátora
Hlavnou funkciou a úlohou kondenzátora v obvode je akumulovať náboje a ďalšou úlohou je zabrániť úniku.
Hodnota kapacity kondenzátora je priamo úmerná dielektrickej konštante média a ploche dosiek a nepriamo úmerná vzdialenosti medzi elektródami. Existujú 2 rozpory:
- Na zvýšenie kapacity sú potrebné elektródy čo najhrubšie, širšie a dlhšie. V tomto prípade nie je možné zväčšiť rozmery zariadenia.
- Na udržanie nábojov a poskytnutie požadovanej sily príťažlivosti je vzdialenosť medzi doskami minimálna. V tomto prípade nie je možné znížiť prierazný prúd.
Na riešenie konfliktov vývojári používajú:
- viacvrstvové konštrukcie dvojice dielektrika a elektródy;
- pórovité anódové štruktúry;
- nahradenie papiera oxidmi a elektrolytmi;
- paralelné spojenie prvkov;
- vyplnenie voľného priestoru látkami so zvýšenou dielektrickou konštantou.
Kondenzátory sú čoraz menšie a lepšie s každým novým vynálezom.
Podobné články:
