Elementna baza za načrtovanje elektronskih naprav postaja vse bolj zapletena. Naprave so združene v integrirana vezja z dano funkcionalnostjo in programskim nadzorom. Toda razvoj temelji na osnovnih napravah: kondenzatorji, upori, diode in tranzistorji.
Vsebina
Kaj je kondenzator
Naprava, ki shranjuje električno energijo v obliki električnih nabojev, se imenuje kondenzator.
Količina električne energije ali električnega naboja v fiziki se meri v kulonih (C). Kapacitivnost se meri v faradih (F).
Osamljeni prevodnik z električno kapaciteto 1 farad je kovinska krogla s polmerom, enakim 13 polmerom Sonca.Zato kondenzator vključuje vsaj 2 vodnika, ki sta ločena z dielektrikom. V preprostih izvedbah naprave - papir.
Delovanje kondenzatorja v enosmernem tokokrogu poteka ob vklopu in izklopu napajanja.Šele v prehodnih trenutkih se potencial na ploščah spremeni.
Kondenzator v tokokrogu AC se polni s frekvenco, ki je enaka frekvenci napajalne napetosti. Kot posledica neprekinjenih nabojev in razelektritev skozi element teče tok. Višja frekvenca - naprava se polni hitreje.
Upornost vezja s kondenzatorjem je odvisna od frekvence toka. Pri ničelni DC frekvenci se vrednost upora nagiba k neskončnosti. Ko se frekvenca izmeničnega toka poveča, se upor zmanjša.
Kje se uporabljajo kondenzatorji?
Delovanje elektronskih, radijskih in električnih naprav je nemogoče brez kondenzatorjev.
V elektrotehniki se uporabljajo za prestavljanje faz pri zagonu asinhronih motorjev. Brez faznega premika trifazni asinhroni motor v spremenljivem enofaznem omrežju ne deluje.
V električnih vozilih se kot vir energije motorja uporabljajo kondenzatorji z zmogljivostjo več farad - ionistorji.
Da bi razumeli, zakaj je potreben kondenzator, morate vedeti, da 10-12% merilnih naprav deluje na principu spreminjanja električne kapacitivnosti, ko se spremenijo parametri zunanjega okolja. Reakcijska kapacitivnost posebnih naprav se uporablja za:
- registracija šibkih gibov s povečanjem ali zmanjšanjem razdalje med ploščami;
- določanje vlažnosti s fiksiranjem sprememb upornosti dielektrika;
- merjenje nivoja tekočine, ki ob polnjenju spremeni kapaciteto elementa.
Težko si je predstavljati, kako sta avtomatizacija in relejska zaščita zasnovana brez kondenzatorjev. Nekatere zaščitne logike upoštevajo večkratnost polnjenja naprave.
Kapacitivni elementi se uporabljajo v vezjih mobilnih komunikacijskih naprav, radijske in televizijske opreme. Kondenzatorji se uporabljajo v:
- ojačevalniki visokih in nizkih frekvenc;
- napajalniki;
- frekvenčni filtri;
- ojačevalniki zvoka;
- procesorji in druga mikrovezja.
Odgovor na vprašanje, čemu služi kondenzator, je enostavno najti, če pogledate električna vezja elektronskih naprav.
Načelo delovanja kondenzatorja
V enosmernem tokokrogu se pozitivni naboji zbirajo na eni plošči, negativni naboji pa na drugi. Zaradi vzajemne privlačnosti se delci zadržijo v napravi, dielektrik med njimi pa ne omogoča povezave. Tanjši kot je dielektrik, močnejši so naboji vezani.
Kondenzator porabi količino električne energije, ki je potrebna za polnjenje posode, in tok se ustavi.
Pri konstantni napetosti v tokokrogu element ohranja naboj, dokler se napajanje ne izklopi. Nato se izprazni skozi obremenitve v tokokrogu.
Izmenični tok teče skozi kondenzator na drugačen način. Prva ¼ obdobja nihanja je trenutek, ko se naprava napolni. Amplituda polnilnega toka se eksponentno zmanjšuje in do konca četrtletja pade na nič. EMF v tem trenutku doseže amplitudo.
V drugem ¼ obdobju EMF pade in celica se začne prazniti. Zmanjšanje EMF je sprva majhno in tudi razelektritvenega toka. Raste v skladu z isto eksponentno odvisnostjo. Do konca obdobja je EMF nič, tok je enak vrednosti amplitude.
V tretji ¼ obdobja nihanja EMF spremeni smer, preide skozi nič in se poveča.Znak naboja na ploščah je obrnjen. Tok se zmanjša po velikosti in ohrani smer. Na tej točki električni tok pomakne napetost za 90° v fazi.
Pri induktorjih se zgodi ravno nasprotno: napetost vodi tok. Ta lastnost je na prvem mestu pri izbiri, katera vezja uporabiti v vezju: RC ali RL.
Na koncu cikla, pri zadnjem ¼ nihanju, EMF pade na nič, tok pa doseže svojo najvišjo vrednost.
"Zmogljivost" se izprazni in napolni 2-krat na obdobje in vodi izmenični tok.
To je teoretični opis procesov. Da bi razumeli, kako element v vezju deluje neposredno v napravi, se izračuna induktivna in kapacitivna upornost vezja, parametri drugih udeležencev in upošteva se vpliv zunanjega okolja.
Glavne značilnosti in lastnosti
Parametri kondenzatorja, ki se uporabljajo za ustvarjanje in popravilo elektronskih naprav, vključujejo:
- Zmogljivost - C. Določa količino napolnjenosti, ki jo ima naprava. Vrednost nazivne zmogljivosti je navedena na ohišju. Za ustvarjanje zahtevanih vrednosti so elementi vključeni v vezje vzporedno ali zaporedno. Delovne vrednosti se ne ujemajo z izračunanimi.
- Resonančna frekvenca - fr. Če je frekvenca toka večja od resonančne, se pojavijo induktivne lastnosti elementa. To otežuje delo. Za zagotovitev izračunane moči v vezju je smiselno uporabiti kondenzator pri frekvencah, manjših od resonančnih vrednosti.
- Nazivna napetost - Un. Da bi preprečili okvaro elementa, je delovna napetost nastavljena manj kot nazivna napetost. Parameter je naveden na ohišju kondenzatorja.
- Polarnost. Če je povezava napačna, pride do okvare in okvare.
- Električna izolacijska upornost - Rd. Določa tok uhajanja naprave. V napravah so deli nameščeni blizu drug drugega. Pri visokem uhajalnem toku so možne parazitske povezave v tokokrogih. To vodi do okvar. Uhajajoči tok poslabša kapacitivne lastnosti elementa.
- Temperaturni koeficient - TKE. Vrednost določa, kako se kapacitivnost naprave spreminja z nihanji temperature okolja. Parameter se uporablja pri razvoju naprav za delovanje v težkih podnebnih razmerah.
- parazitski piezoelektrični učinek. Nekatere vrste kondenzatorjev, ko so deformirane, ustvarjajo hrup v napravah.
Vrste in vrste kondenzatorjev
Kapacitivni elementi so razvrščeni glede na vrsto dielektrika, uporabljenega pri zasnovi.
Papirni in kovinsko-papirni kondenzatorji
Elementi se uporabljajo v vezjih s konstantno ali rahlo pulzirajočo napetostjo. Enostavnost zasnove povzroči 10-25 % manjšo stabilnost delovanja in povečane izgube.
V papirnatih kondenzatorjih plošče iz aluminijaste folije ločujejo papir. Sklopi so zasukani in postavljeni v ohišje v obliki valja ali pravokotnega paralelepipeda.
Naprave delujejo pri temperaturah -60 ... + 125 ° C, z nazivno napetostjo nizkonapetostnih naprav do 1600 V, visokonapetostnih naprav - nad 1600 V in zmogljivostjo do deset mikrofaradov.
V kovinsko-papirnih napravah se namesto folije na dielektrični papir nanese tanek sloj kovine. To pomaga pri izdelavi manjših elementov. Z manjšimi okvarami je možno samozdravljenje dielektrika. Kovinsko-papirnati elementi so po izolacijski odpornosti slabši od papirnih.
Elektrolitski kondenzatorji
Oblika izdelkov spominja na papirnate. Toda pri izdelavi elektrolitskih celic je papir impregniran s kovinskimi oksidi.
V izdelkih z elektrolitom brez papirja se oksid nanese na kovinsko elektrodo. Kovinski oksidi imajo enostransko prevodnost, zaradi česar je naprava polarna.
Pri nekaterih modelih elektrolitskih celic so plošče izdelane z utori, ki povečajo površino elektrode. Vrzeli v prostoru med ploščami se odstranijo z zalivanjem z elektrolitom. To izboljša kapacitivne lastnosti izdelka.
Velika zmogljivost elektrolitskih naprav - na stotine mikrofaradov - se uporablja v filtrih za izravnavo valovanja napetosti.
Aluminij elektrolitski
Pri napravah te vrste je anodna obloga izdelana iz aluminijaste folije. Površina je prevlečena s kovinskim oksidom - dielektrikom. Katodna obloga je trden ali tekoči elektrolit, ki je izbran tako, da se med delovanjem obnovi oksidna plast na foliji. Samozdravilni dielektrik podaljšuje življenjsko dobo elementa.
Kondenzatorji te zasnove zahtevajo polarnost. Ko se ponovno vklopi, bo zlomil ohišje.
Naprave, znotraj katerih so nameščeni antisekvenčni polarni sklopi, se uporabljajo v 2 smereh. Kapacitivnost aluminijastih elektrolitskih celic doseže nekaj tisoč mikrofarad.
Tantal elektrolitski
Anodna elektroda takšnih naprav je izdelana iz porozne strukture, pridobljene s segrevanjem tantalovega prahu na +2000°C. Material izgleda kot goba. Poroznost poveča površino.
Z elektrokemično oksidacijo se na anodo nanese plast tantalovega pentoksida debeline do 100 nanometrov. Trden dielektrik je izdelan iz manganovega dioksida.Končana struktura je stisnjena v spojino - posebno smolo.
Tantalovi izdelki se uporabljajo pri tokovnih frekvencah nad 100 kHz. Kapacitivnost se ustvari do sto mikrofaradov, pri delovni napetosti do 75 V.
polimer
Kondenzatorji uporabljajo elektrolit iz trdnih polimerov, ki zagotavlja številne prednosti:
- življenjska doba se poveča na 50 tisoč ur;
- parametri se shranijo med segrevanjem;
- razširi se obseg dovoljenih valovanja toka;
- upor plošč in vodnikov ne premika kapacitivnosti.
Film
Dielektrik v teh modelih je film iz teflona, poliestra, fluoroplastike ali polipropilena.
Pokrovi - nanos folije ali kovine na film. Zasnova se uporablja za ustvarjanje večplastnih sklopov s povečano površino.
Filmski kondenzatorji z miniaturnimi velikostmi imajo kapacitivnost na stotine mikrofaradov. Glede na postavitev plasti in zaključkov kontaktov se izdelajo aksialne ali radialne oblike izdelkov.
Pri nekaterih modelih je nazivna napetost 2 kV in več.
Kakšna je razlika med polarnim in nepolarnim
Nepolarni omogočajo vključitev kondenzatorjev v vezje ne glede na smer toka. Elementi se uporabljajo v filtrih spremenljivih napajalnikov, visokofrekvenčnih ojačevalnikih.
Polar izdelki so povezani v skladu z oznako. Če ga vklopite v nasprotni smeri, bo naprava odpovedala ali ne bo delovala normalno.
Polarni in nepolarni kondenzatorji velike in majhne kapacitete se razlikujejo po zasnovi dielektrika. V elektrolitskih kondenzatorjih, če se oksid nanese na 1 elektrodo ali 1 stran papirja, filma, bo element polarni.
Modeli nepolarnih elektrolitskih kondenzatorjev, pri katerih je bil kovinski oksid simetrično odložen na obe površini dielektrika, so vključeni v vezja izmeničnega toka.
Pri polarnih je na telesu oznaka pozitivne ali negativne elektrode.
Kaj določa kapacitivnost kondenzatorja
Glavna funkcija in vloga kondenzatorja v vezju je kopičenje nabojev, dodatna pa je preprečevanje puščanja.
Vrednost kapacitivnosti kondenzatorja je neposredno sorazmerna z dielektrično konstanto medija in površino plošč ter obratno sorazmerna z razdaljo med elektrodama. Obstajata 2 protislovji:
- Za povečanje kapacitivnosti so elektrode potrebne čim debelejše, širše in daljše. V tem primeru ni mogoče povečati dimenzij naprave.
- Da bi obdržali naboje in zagotovili želeno silo privlačnosti, je razdalja med ploščami minimalna. V tem primeru ni mogoče zmanjšati prekinitvenega toka.
Za reševanje konfliktov razvijalci uporabljajo:
- večplastne konstrukcije iz para dielektrika in elektrode;
- porozne anodne strukture;
- zamenjava papirja z oksidi in elektroliti;
- vzporedna povezava elementov;
- polnjenje prostega prostora s snovmi s povečano dielektrično konstanto.
Kondenzatorji so z vsakim novim izumom vse manjši in boljši.
Podobni članki:
