Elementul de bază pentru proiectarea dispozitivelor electronice devine din ce în ce mai complicată. Dispozitivele sunt combinate în circuite integrate cu o anumită funcționalitate și control de program. Dar dezvoltarea se bazează pe dispozitive de bază: condensatoare, rezistențe, diode și tranzistoare.
Conţinut
Ce este un condensator
Un dispozitiv care stochează energie electrică sub formă de sarcini electrice se numește condensator.
Cantitatea de electricitate sau sarcină electrică în fizică este măsurată în coulombs (C). Capacitatea se măsoară în faradi (F).
Un conductor solitar cu o capacitate electrică de 1 farad este o bilă de metal cu o rază egală cu 13 raze a Soarelui.Prin urmare, condensatorul include cel puțin 2 conductori, care sunt separați printr-un dielectric. În modele simple ale dispozitivului - hârtie.
Funcționarea unui condensator într-un circuit de curent continuu se realizează atunci când alimentarea este pornită și oprită.Numai în momentele de tranziție se schimbă potențialul de pe plăci.
Condensatorul din circuitul de curent alternativ este reîncărcat la o frecvență egală cu frecvența tensiunii de alimentare. Ca rezultat al încărcărilor și descărcărilor continue, curentul trece prin element. Frecvență mai mare - dispozitivul se reîncarcă mai repede.
Rezistența unui circuit cu un condensator depinde de frecvența curentului. La frecvența DC zero, valoarea rezistenței tinde spre infinit. Pe măsură ce frecvența AC crește, rezistența scade.
Unde se folosesc condensatoarele?
Funcționarea dispozitivelor electronice, de inginerie radio și electrice este imposibilă fără condensatori.
În inginerie electrică, acestea sunt folosite pentru a schimba fazele la pornirea motoarelor cu inducție. Fără schimbare de fază, un motor asincron trifazat într-o rețea variabilă monofazată nu funcționează.
Condensatorii cu o capacitate de câțiva farazi - ionistori, sunt utilizați în vehiculele electrice ca surse de putere a motorului.
Pentru a înțelege de ce este nevoie de un condensator, trebuie să știți că 10-12% dintre dispozitivele de măsură funcționează pe principiul schimbării capacității electrice atunci când parametrii mediului extern se modifică. Capacitatea de reacție a dispozitivelor speciale este utilizată pentru:
- înregistrarea mișcărilor slabe prin creșterea sau scăderea distanței dintre plăci;
- determinarea umidității prin fixarea modificărilor rezistenței dielectricului;
- măsurarea nivelului lichidului, care modifică capacitatea elementului atunci când este umplut.
Este dificil de imaginat cum automatizarea și protecția releului sunt proiectate fără condensatori. Unele logici de protecție țin cont de multiplicitatea reîncărcării dispozitivului.
Elementele capacitive sunt utilizate în circuitele dispozitivelor mobile de comunicații, echipamentelor de radio și televiziune. Condensatorii sunt utilizați în:
- amplificatoare de frecvențe înalte și joase;
- surse de alimentare;
- filtre de frecventa;
- amplificatoare de sunet;
- procesoare și alte microcircuite.
Este ușor să găsești răspunsul la întrebarea pentru ce este un condensator, dacă te uiți la circuitele electrice ale dispozitivelor electronice.
Principiul de funcționare al condensatorului
Într-un circuit de curent continuu, sarcinile pozitive sunt colectate pe o placă, iar sarcinile negative sunt colectate pe cealaltă. Datorită atracției reciproce, particulele sunt ținute în dispozitiv, iar dielectricul dintre ele nu permite conectarea. Cu cât dielectricul este mai subțire, cu atât sarcinile sunt legate mai puternice.
Condensatorul ia cantitatea de electricitate necesară pentru a umple recipientul, iar curentul se oprește.
Cu o tensiune constantă în circuit, elementul păstrează o încărcare până când alimentarea este oprită. Apoi este descărcat prin sarcinile din circuit.
Curentul alternativ trece printr-un condensator într-un mod diferit. Prima ¼ din perioada de oscilație este momentul în care dispozitivul este încărcat. Amplitudinea curentului de încărcare scade exponențial, iar la sfârșitul trimestrului scade la zero. EMF în acest moment atinge amplitudinea.
În a doua perioadă ¼, EMF scade și celula începe să se descarce. Scăderea EMF este inițial mică și, respectiv, de asemenea, curentul de descărcare. Crește în funcție de aceeași dependență exponențială. Până la sfârșitul perioadei, EMF este zero, curentul este egal cu valoarea amplitudinii.
În a treia ¼ din perioada de oscilație, EMF își schimbă direcția, trece prin zero și crește.Semnul de încărcare de pe plăci este inversat. Curentul scade în magnitudine și păstrează direcția. În acest moment, curentul electric conduce tensiunea cu 90° în fază.
În inductori, se întâmplă invers: tensiunea conduce curentul. Această proprietate este pe primul loc atunci când alegeți ce circuite să utilizați în circuit: RC sau RL.
La sfârșitul ciclului, la ultimul ¼ de oscilație, EMF scade la zero, iar curentul atinge valoarea de vârf.
„Capacitatea” este descărcată și încărcată de 2 ori pe perioadă și conduce curent alternativ.
Aceasta este o descriere teoretică a proceselor. Pentru a înțelege modul în care elementul din circuit funcționează direct în dispozitiv, rezistența inductivă și capacitivă a circuitului, parametrii celorlalți participanți sunt calculate și se ia în considerare influența mediului extern.
Principalele caracteristici și proprietăți
Parametrii condensatorului care sunt utilizați pentru a crea și repara dispozitive electronice includ:
- Capacitate - C. Determină cantitatea de încărcare pe care o deține dispozitivul. Valoarea capacităţii nominale este indicată pe carcasă. Pentru a crea valorile necesare, elementele sunt incluse în circuit în paralel sau în serie. Valorile operaționale nu se potrivesc cu cele calculate.
- Frecvența de rezonanță - fр. Dacă frecvența curentului este mai mare decât cea rezonantă, apar proprietățile inductive ale elementului. Acest lucru îngreunează munca. Pentru a furniza puterea calculată în circuit, este rezonabil să folosiți un condensator la frecvențe mai mici decât valorile rezonante.
- Tensiune nominală - Un. Pentru a preveni defectarea elementului, tensiunea de funcționare este setată mai puțin decât tensiunea nominală. Parametrul este indicat pe carcasa condensatorului.
- Polaritate. Dacă conexiunea este incorectă, se vor produce defecțiuni și defecțiuni.
- Rezistenta de izolare electrica - Rd. Definește curentul de scurgere al dispozitivului. În dispozitive, piesele sunt situate aproape una de alta. La curent de scurgere mare, sunt posibile conexiuni parazite în circuite. Acest lucru duce la defecțiuni. Curentul de scurgere degradează proprietățile capacitive ale elementului.
- Coeficient de temperatură - TKE. Valoarea determină modul în care capacitatea dispozitivului se modifică odată cu fluctuațiile temperaturii mediului. Parametrul este utilizat la dezvoltarea dispozitivelor pentru funcționare în condiții climatice severe.
- efect piezoelectric parazit. Unele tipuri de condensatoare, atunci când sunt deformate, creează zgomot în dispozitive.
Tipuri și tipuri de condensatoare
Elementele capacitive sunt clasificate în funcție de tipul de dielectric utilizat în proiectare.
Condensatoare din hârtie și metal-hartie
Elementele sunt utilizate în circuite cu tensiune constantă sau ușor pulsatorie. Simplitatea designului are ca rezultat o stabilitate a performanței cu 10-25% mai mică și pierderi crescute.
În condensatoarele de hârtie, plăcile de folie de aluminiu separă hârtia. Ansamblurile sunt răsucite și așezate într-o carcasă sub formă de cilindru sau paralelipiped dreptunghiular.
Dispozitivele funcționează la temperaturi de -60 ... + 125 ° C, cu o tensiune nominală a dispozitivelor de joasă tensiune de până la 1600 V, dispozitive de înaltă tensiune - peste 1600 V și o capacitate de până la zeci de microfaradi.
În dispozitivele din metal-hârtie, în loc de folie, se aplică un strat subțire de metal pe hârtia dielectrică. Acest lucru ajută la producerea unor elemente mai mici. Cu defecțiuni minore, este posibilă auto-vindecarea dielectricului. Elementele metal-hârtie sunt inferioare elementelor din hârtie în ceea ce privește rezistența la izolație.
Condensatoare electrolitice
Designul produselor seamănă cu cel din hârtie. Dar în fabricarea celulelor electrolitice, hârtia este impregnată cu oxizi metalici.
În produsele cu electrolit fără hârtie, oxidul se depune pe un electrod metalic. Oxizii metalici au conductivitate unilaterală, ceea ce face ca dispozitivul să fie polar.
În unele modele de celule electrolitice, plăcile sunt realizate cu caneluri care măresc suprafața electrodului. Golurile din spațiul dintre plăci sunt eliminate prin inundarea cu electrolit. Acest lucru îmbunătățește proprietățile capacitive ale produsului.
O capacitate mare de dispozitive electrolitice - sute de microfaradi - este folosită în filtre pentru a netezi ondulațiile de tensiune.
Electrolitic din aluminiu
La dispozitivele de acest tip, căptușeala anodului este realizată din folie de aluminiu. Suprafața este acoperită cu oxid de metal - un dielectric. Căptușeala catodului este un electrolit solid sau lichid, care este selectat astfel încât stratul de oxid de pe folie să fie restaurat în timpul funcționării. Dielectricul cu auto-vindecare prelungește durata de viață a elementului.
Condensatorii cu acest design necesită polaritate. Când este pornit din nou, va sparge carcasa.
Dispozitivele, în interiorul cărora sunt amplasate ansambluri polare anti-secvențiale, sunt utilizate în 2 direcții. Capacitatea celulelor electrolitice din aluminiu ajunge la câteva mii de microfaradi.
Tantal electrolitic
Electrodul anodic al unor astfel de dispozitive este realizat dintr-o structură poroasă obținută prin încălzirea pulberii de tantal la +2000°C. Materialul arată ca un burete. Porozitatea crește suprafața.
Utilizând oxidarea electrochimică, pe anod se aplică un strat de pentoxid de tantal cu o grosime de până la 100 de nanometri. Un dielectric solid este făcut din dioxid de mangan.Structura finită este presată într-un compus - o rășină specială.
Produsele din tantal sunt utilizate la frecvențe curente de peste 100 kHz. Capacitatea este creată până la sute de microfarad, la o tensiune de funcționare de până la 75 V.
Polimer
Condensatorii folosesc un electrolit din polimeri solizi, care oferă o serie de avantaje:
- durata de viață crește până la 50 de mii de ore;
- parametrii sunt salvați în timpul încălzirii;
- gama de ondulații de curent admisibile este extinsă;
- rezistența plăcilor și a cablurilor nu deturnează capacitatea.
Film
Dielectricul din aceste modele este o peliculă de teflon, poliester, fluoroplastic sau polipropilenă.
Coperți - folie sau depunere de metal pe film. Designul este utilizat pentru a crea ansambluri multistrat cu suprafață crescută.
Condensatoarele cu film cu dimensiuni miniaturale au o capacitate de sute de microfarad. In functie de amplasarea straturilor si de concluziile contactelor se realizeaza forme axiale sau radiale ale produselor.
La unele modele, tensiunea nominală este de 2 kV și mai mare.
Care este diferența dintre polar și nepolar
Nepolare permit includerea condensatoarelor în circuit fără a ține cont de direcția curentului. Elementele sunt utilizate în filtre de surse de alimentare variabile, amplificatoare de înaltă frecvență.
Produsele Polar sunt conectate în conformitate cu marcajul. Dacă îl porniți în direcția opusă, dispozitivul se va defecta sau nu va funcționa normal.
Condensatorii polari și nepolari de capacități mari și mici diferă în proiectarea dielectricului. În condensatoarele electrolitice, dacă oxidul este aplicat pe 1 electrod sau pe 1 față de hârtie, film, atunci elementul va fi polar.
Modelele de condensatoare electrolitice nepolare, în modelele cărora oxidul metalic a fost depus simetric pe ambele suprafețe ale dielectricului, sunt incluse în circuitele de curent alternativ.
Pentru cele polare, există un marcaj al unui electrod pozitiv sau negativ pe corp.
Ce determină capacitatea unui condensator
Funcția principală și rolul unui condensator într-un circuit este de a acumula sarcini, iar una suplimentară este de a preveni scurgerile.
Valoarea capacității condensatorului este direct proporțională cu constanta dielectrică a mediului și aria plăcilor și invers proporțională cu distanța dintre electrozi. Sunt 2 contradictii:
- Pentru a crește capacitatea, electrozii sunt necesari cât mai groși, mai lați și mai lungi. În acest caz, dimensiunile dispozitivului nu pot fi mărite.
- Pentru a menține sarcinile și a oferi forța de atracție dorită, distanța dintre plăci este redusă la minim. În acest caz, curentul de avarie nu poate fi redus.
Pentru a rezolva conflictele, dezvoltatorii folosesc:
- construcții multistrat ale unei perechi de dielectric și electrod;
- structuri anodice poroase;
- înlocuirea hârtiei cu oxizi și electroliți;
- conexiunea paralelă a elementelor;
- umplerea spațiului liber cu substanțe cu constantă dielectrică crescută.
Condensatorii devin din ce în ce mai mici și mai buni cu fiecare nouă invenție.
Articole similare:
