Η βάση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων για το σχεδιασμό ηλεκτρονικών συσκευών γίνεται όλο και πιο περίπλοκη. Οι συσκευές συνδυάζονται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα με καθορισμένη λειτουργικότητα και έλεγχο λογισμικού. Στο επίκεντρο της ανάπτυξης βρίσκονται όμως οι βασικές διατάξεις: πυκνωτές, αντιστάσεις, δίοδοι και τρανζίστορ.
Περιεχόμενο
Τι είναι ο πυκνωτής;
Μια συσκευή που αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρικών φορτίων ονομάζεται πυκνωτής.
Στη φυσική, η ποσότητα του ηλεκτρισμού ή του ηλεκτρικού φορτίου μετριέται σε κουλόμπ (Cl). Η ηλεκτρική χωρητικότητα μετριέται σε farads (F).
Ένας μοναχικός αγωγός με ηλεκτρική χωρητικότητα 1 farad είναι μια μεταλλική σφαίρα με ακτίνα ίση με 13 ηλιακές ακτίνες. Επομένως, ένας πυκνωτής περιλαμβάνει τουλάχιστον 2 αγωγούς, οι οποίοι χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό. Σε απλά σχέδια, η συσκευή είναι χαρτί.
Η λειτουργία ενός πυκνωτή σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος λαμβάνει χώρα όταν η παροχή ρεύματος ενεργοποιείται και απενεργοποιείται. Μόνο κατά τη διάρκεια μεταβατικών φαινομένων αλλάζει το δυναμικό στα πηνία.
Ο πυκνωτής σε ένα κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος επαναφορτίζεται με συχνότητα ίση με τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας. Ως αποτέλεσμα της συνεχούς φόρτισης και εκφόρτισης, το στοιχείο διαρρέεται από ρεύμα. Υψηλότερη συχνότητα σημαίνει ταχύτερη επαναφόρτιση της συσκευής.
Η αντίσταση ενός κυκλώματος με πυκνωτή εξαρτάται από τη συχνότητα του ρεύματος. Σε μηδενική συχνότητα DC η τιμή της αντίστασης τείνει στο άπειρο. Με την αύξηση της συχνότητας εναλλασσόμενου ρεύματος η αντίσταση μειώνεται.
Όταν χρησιμοποιούνται πυκνωτές
Η λειτουργία των ηλεκτρονικών, ραδιοφωνικών και ηλεκτρικών συσκευών δεν είναι δυνατή χωρίς πυκνωτές.
Στην ηλεκτρολογία, χρησιμοποιούνται για τη μετατόπιση φάσης κατά την εκκίνηση ασύγχρονων κινητήρων. Χωρίς μετατόπιση φάσης, ένας τριφασικός επαγωγικός κινητήρας σε ένα εναλλασσόμενο μονοφασικό δίκτυο δεν θα λειτουργήσει.
Οι πυκνωτές με χωρητικότητα αρκετών φαράντ - οι ιοντικοί πυκνωτές - χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα ως πηγές ενέργειας του κινητήρα.
Για να καταλάβετε γιατί χρειάζεται ένας πυκνωτής, είναι σημαντικό να γνωρίζετε ότι το 10-12% των συσκευών μέτρησης λειτουργούν με βάση την αρχή της μεταβολής της ηλεκτρικής χωρητικότητας με τις αλλαγές στο εξωτερικό περιβάλλον. Η απόκριση χωρητικότητας ειδικών συσκευών χρησιμοποιείται για:
- καταγράφει αδύναμες κινήσεις αυξάνοντας ή μειώνοντας την απόσταση μεταξύ των κελυφών,
- ανίχνευση της υγρασίας με καταγραφή των μεταβολών της διηλεκτρικής αντίστασης,
- μέτρηση της στάθμης ενός υγρού που μεταβάλλει τη χωρητικότητα ενός στοιχείου όταν αυτό γεμίζει.
Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς τη σχεδίαση αυτοματισμών και προστασίας ρελέ χωρίς πυκνωτές. Κάποια λογική προστασίας λαμβάνει υπόψη την πολλαπλότητα υπερφόρτισης της συσκευής.
Τα χωρητικά στοιχεία χρησιμοποιούνται στα κυκλώματα των συσκευών κινητής τηλεφωνίας, ραδιοφώνου και τηλεόρασης. Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται σε:
- Ενισχυτές υψηλής και χαμηλής συχνότητας,
- μονάδες τροφοδοσίας,
- φίλτρα συχνότητας,
- ενισχυτές ήχου,
- επεξεργαστές και άλλα μικροκυκλώματα.
Είναι εύκολο να βρείτε την απάντηση στο ερώτημα για ποιο λόγο χρησιμεύει ένας πυκνωτής κοιτάζοντας τα διαγράμματα συνδεσμολογίας των ηλεκτρονικών συσκευών.
Αρχή του πυκνωτή
Σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος, τα θετικά φορτία συγκεντρώνονται στη μία πλάκα και τα αρνητικά φορτία στην άλλη. Μέσω της αμοιβαίας έλξης, τα σωματίδια συγκρατούνται μαζί στη συσκευή και το διηλεκτρικό μεταξύ τους εμποδίζει τη σύνδεσή τους. Όσο λεπτότερο είναι το διηλεκτρικό, τόσο πιο ισχυρά συνδέονται τα φορτία.
Ο πυκνωτής λαμβάνει την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για να γεμίσει την χωρητικότητα και το ρεύμα σταματά.
Με σταθερή τάση στο κύκλωμα, το στοιχείο διατηρεί τη φόρτιση μέχρι να διακοπεί η παροχή ρεύματος. Στη συνέχεια εκφορτίζεται μέσω των φορτίων του κυκλώματος.
Το εναλλασσόμενο ρεύμα διαρρέει έναν πυκνωτή με διαφορετικό τρόπο. Το πρώτο ¼ της περιόδου ταλάντωσης είναι η στιγμή φόρτισης της συσκευής. Το πλάτος του ρεύματος φόρτισης μειώνεται εκθετικά και μηδενίζεται στο τέλος του τριμήνου. Η ΗΕΔ φτάνει σε ένα πλάτος σε αυτό το σημείο.
Στο δεύτερο ¼ της περιόδου η ΗΕΔ μειώνεται και το στοιχείο αρχίζει να εκφορτίζεται. Η μείωση της ΗΜΣ στην αρχή είναι μικρή και το ίδιο ισχύει και για το ρεύμα εκφόρτισης. Αυξάνεται σύμφωνα με την ίδια εκθετική σχέση. Στο τέλος της περιόδου η ΗΕΔ μηδενίζεται και το ρεύμα είναι ίσο με την τιμή του πλάτους του.
Στο τρίτο ¼ της περιόδου ταλάντωσης η ΗΕΔ αλλάζει κατεύθυνση, ξεπερνά το μηδέν και αυξάνεται. Το πρόσημο του φορτίου στα πηνία αντιστρέφεται. Το ρεύμα μειώνεται σε μέγεθος και διατηρεί την κατεύθυνσή του. Σε αυτό το σημείο, το ηλεκτρικό ρεύμα είναι 90° μπροστά από την τάση σε φάση.
Το αντίθετο συμβαίνει στα πηνία: η τάση προηγείται του ρεύματος. Αυτή η ιδιότητα έρχεται πρώτη όταν αποφασίζετε αν θα χρησιμοποιήσετε κυκλώματα RC ή RL.
Στο τέλος του κύκλου, στο τελευταίο ¼ της ταλάντωσης, η ΗΕΔ μηδενίζεται και το ρεύμα φτάνει στην τιμή του πλάτους του.
Η "χωρητικότητα" εκφορτίζεται και φορτίζεται 2 φορές ανά περίοδο και άγει εναλλασσόμενο ρεύμα.
Πρόκειται για μια θεωρητική περιγραφή των διαδικασιών. Για να καταλάβετε πώς λειτουργεί ένα στοιχείο ενός κυκλώματος απευθείας στη συσκευή, υπολογίστε την επαγωγική και χωρητική αντίσταση του κυκλώματος, τις παραμέτρους των άλλων συμμετεχόντων και λάβετε υπόψη την επίδραση του εξωτερικού περιβάλλοντος.
Κύρια χαρακτηριστικά και ιδιότητες
Οι παράμετροι των πυκνωτών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή και επισκευή ηλεκτρονικών συσκευών περιλαμβάνουν:
- Χωρητικότητα - C. Καθορίζει την ποσότητα φορτίου που συγκρατεί η συσκευή. Η τιμή της ονομαστικής χωρητικότητας αναγράφεται στη θήκη. Τα κύτταρα συνδέονται σε ένα κύκλωμα παράλληλα ή σε σειρά για να δημιουργηθούν οι απαιτούμενες τιμές. Οι τιμές λειτουργίας δεν συμπίπτουν με τις υπολογισμένες τιμές.
- Η συχνότητα συντονισμού είναι fp. Εάν η τρέχουσα συχνότητα είναι υψηλότερη από τη συχνότητα συντονισμού, οι επαγωγικές ιδιότητες του στοιχείου γίνονται εμφανείς. Αυτό δυσχεραίνει τη λειτουργία. Για να εξασφαλιστεί η ονομαστική ισχύς στο κύκλωμα, είναι συνετό να χρησιμοποιείται ο πυκνωτής σε συχνότητες μικρότερες από τις τιμές συντονισμού.
- Η ονομαστική τάση είναι Un. Για να αποφευχθεί η διάσπαση του στοιχείου, η τάση λειτουργίας ρυθμίζεται χαμηλότερα από την ονομαστική τάση. Αυτό αναγράφεται στο σώμα του πυκνωτή.
- Πολικότητα. Εάν συνδεθεί λανθασμένα, θα προκληθεί βλάβη και αστοχία.
- Αντίσταση ηλεκτρικής απομόνωσης - Rd. Καθορίζει το ρεύμα διαρροής της συσκευής. Στις συσκευές, τα μέρη βρίσκονται κοντά το ένα στο άλλο. Τα υψηλά ρεύματα διαρροής μπορούν να προκαλέσουν παρασιτικές συνδέσεις στα κυκλώματα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα δυσλειτουργίες. Το ρεύμα διαρροής θα βλάψει τις χωρητικές ιδιότητες του στοιχείου.
- Ο συντελεστής θερμοκρασίας - TKE. Η τιμή καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο μεταβάλλεται η χωρητικότητα μιας συσκευής λόγω των μεταβολών της θερμοκρασίας στο περιβάλλον. Η παράμετρος χρησιμοποιείται κατά το σχεδιασμό συσκευών για χρήση σε σκληρά περιβάλλοντα.
- Παρασιτικό φαινόμενο πιεζοκυμάτων. Ορισμένοι τύποι πυκνωτών δημιουργούν θόρυβο στις συσκευές όταν παραμορφώνονται.
Τύποι και είδη πυκνωτών
Τα χωρητικά στοιχεία ταξινομούνται ανάλογα με τον τύπο του διηλεκτρικού που χρησιμοποιείται στην κατασκευή τους.
Χάρτινοι και μεταλλικοί πυκνωτές
Τα στοιχεία χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα με συνεχείς ή ασθενώς παλλόμενες τάσεις. Η απλότητα του σχεδιασμού έχει ως αποτέλεσμα 10-25% χαμηλότερη σταθερότητα των χαρακτηριστικών και αυξημένη τιμή των απωλειών.
Στους χάρτινους πυκνωτές, τα καλύμματα από φύλλο αλουμινίου διαχωρίζονται από χαρτί. Τα συγκροτήματα συστρέφονται και τοποθετούνται σε κυλινδρικό ή ορθογώνιο περίβλημα σε σχήμα παραλληλεπιπέδου.
Οι συσκευές λειτουργούν σε θερμοκρασίες -60...+125°C, με ονομαστική τάση έως 1600V για συσκευές χαμηλής τάσης και άνω των 1600V για συσκευές υψηλής τάσης και με χωρητικότητα έως και δεκάδες μF.
Στις διατάξεις χαρτί-μέταλλο, ένα λεπτό στρώμα μετάλλου εφαρμόζεται στο διηλεκτρικό χαρτί αντί για φύλλο. Αυτό βοηθά στην κατασκευή μικρότερων εξαρτημάτων. Σε περίπτωση μικρής βλάβης, το διηλεκτρικό μπορεί να αυτοεπισκευαστεί. Οι κυψέλες μετάλλου-χαρτιού είναι κατώτερες από τις κυψέλες χαρτιού όσον αφορά την αντίσταση μόνωσης.
Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές
Η κατασκευή αυτών των προϊόντων είναι παρόμοια με εκείνη των χάρτινων πυκνωτών. Αλλά κατά την κατασκευή ηλεκτρολυτικών κυψελών, το χαρτί εμποτίζεται με οξείδια μετάλλων.
Σε ένα προϊόν ηλεκτρολύτη χωρίς χαρτί, το οξείδιο εφαρμόζεται σε ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο. Τα οξείδια μετάλλων έχουν μονόδρομη αγωγιμότητα, γεγονός που καθιστά τη διάταξη πολική.
Σε ορισμένα μοντέλα ηλεκτρολυτικών κυψελών, τα καλύμματα είναι κατασκευασμένα με αυλακώσεις που αυξάνουν την επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Τα κενά μεταξύ των πλακών εξαλείφονται με την πλήρωσή τους με ηλεκτρολύτη. Αυτό βελτιώνει τις χωρητικές ιδιότητες του προϊόντος.
Η υψηλή χωρητικότητα των ηλεκτρολυτικών διατάξεων, εκατοντάδες μF, χρησιμοποιείται στα φίλτρα για την εξομάλυνση των κυματισμών της τάσης.
Ηλεκτρολυτικό αλουμίνιο
Σε αυτόν τον τύπο οργάνου, η πλάκα ανόδου είναι κατασκευασμένη από φύλλο αλουμινίου. Η επιφάνεια είναι επικαλυμμένη με ένα οξείδιο μετάλλου, το διηλεκτρικό. Το μαξιλάρι καθόδου είναι ένας στερεός ή υγρός ηλεκτρολύτης, ο οποίος επιλέγεται έτσι ώστε το στρώμα οξειδίου στο φύλλο να αναγεννάται κατά τη διάρκεια της λειτουργίας. Η αυτοεπισκευή του διηλεκτρικού παρατείνει το χρόνο λειτουργίας του στοιχείου.
Οι πυκνωτές αυτού του σχεδιασμού απαιτούν συμμόρφωση με την πολικότητα. Αν αντιστρέψετε την πολικότητα, η θήκη θα σπάσει.
Οι συσκευές που έχουν αντίθετα συζευγμένα πολικά συγκροτήματα στο εσωτερικό τους χρησιμοποιούνται σε 2 κατευθύνσεις. Οι ηλεκτρολυτικές κυψέλες αλουμινίου έχουν χωρητικότητα έως και αρκετές χιλιάδες μF.
Ταντάλιο ηλεκτρολυτικό
Το ηλεκτρόδιο ανόδου αυτών των συσκευών είναι κατασκευασμένο από πορώδη δομή, η οποία λαμβάνεται με θέρμανση σκόνης τανταλίου στους 2000°C. Το υλικό έχει εμφάνιση σαν σφουγγάρι. Το πορώδες αυξάνει την επιφάνεια.
Μέσω ηλεκτροχημικής οξείδωσης, στην άνοδο εφαρμόζεται ένα στρώμα πεντοξειδίου του τανταλίου πάχους έως 100 νανομέτρων. Το στερεό διηλεκτρικό αποτελείται από διοξείδιο του μαγγανίου. Η τελική κατασκευή πιέζεται σε μια ένωση, μια ειδική ρητίνη.
Τα προϊόντα τανταλίου χρησιμοποιούνται σε τρέχουσες συχνότητες άνω των 100kHz. Οι χωρητικότητες φτάνουν έως και εκατοντάδες μF, με τάσεις λειτουργίας έως και 75V.
Πολυμερές
Στους πυκνωτές χρησιμοποιείται στερεός πολυμερής ηλεκτρολύτης, ο οποίος προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα:
- η διάρκεια ζωής επεκτείνεται σε 50.000 ώρες,
- οι παράμετροι διατηρούνται όταν θερμαίνονται,
- μεγαλύτερο εύρος κυμάτωσης ρεύματος,
- η αντίσταση των ακροδεκτών και των ηλεκτροδίων δεν παρακάμπτει τη χωρητικότητα.
Τύπος ταινίας
Το διηλεκτρικό σε αυτά τα μοντέλα είναι ταινία από τεφλόν, πολυεστέρα, φθοροπλαστικό ή πολυπροπυλένιο.
Τα καλύμματα είναι φύλλο αλουμινίου ή μέταλλο που εκτοξεύεται στο φιλμ. Ο σχεδιασμός χρησιμοποιείται για τη δημιουργία πολυστρωματικών συγκροτημάτων με αυξημένη επιφάνεια.
Οι πυκνωτές φιλμ έχουν χωρητικότητα εκατοντάδων μF σε μικροσκοπικό μέγεθος. Ανάλογα με τη διάταξη των στρωμάτων και των αγωγών επαφής, κατασκευάζονται αξονικά ή ακτινικά σχήματα των προϊόντων.
Ορισμένα μοντέλα έχουν ονομαστική τάση 2 kV ή υψηλότερη.
Η διαφορά μεταξύ πολικών και μη πολικών
Τα μη πολικά σχέδια επιτρέπουν την ενσωμάτωση πυκνωτών σε ένα κύκλωμα χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η κατεύθυνση του ρεύματος. Τα στοιχεία χρησιμοποιούνται σε φίλτρα για τροφοδοτικά εναλλασσόμενου ρεύματος, ενισχυτές υψηλής συχνότητας.
Τα πολικά προϊόντα συνδέονται σύμφωνα με τη σήμανση. Εάν συνδεθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση, η συσκευή θα αποτύχει ή δεν θα λειτουργήσει σωστά.
Οι πολικοί και οι μη πολικοί πυκνωτές υψηλής και χαμηλής χωρητικότητας διαφέρουν ως προς τη διηλεκτρική κατασκευή. Στους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, εάν το οξείδιο εφαρμόζεται σε 1 ηλεκτρόδιο ή σε 1 πλευρά χαρτιού, φιλμ, το στοιχείο θα είναι πολικό.
Τα μοντέλα μη πολικών ηλεκτρολυτικών πυκνωτών, στα οποία το οξείδιο του μετάλλου εφαρμόζεται συμμετρικά και στις δύο διηλεκτρικές επιφάνειες, περιλαμβάνονται στα κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος.
Οι πολικοί πυκνωτές έχουν σήμανση θετικού ή αρνητικού ηλεκτροδίου στο περίβλημα.
Από τι εξαρτάται η χωρητικότητα ενός πυκνωτή
Η κύρια λειτουργία και ο ρόλος του πυκνωτή σε ένα κύκλωμα είναι να αποθηκεύει φορτία και ένας πρόσθετος ρόλος είναι να αποτρέπει τη διαρροή.
Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή είναι ευθέως ανάλογη της διηλεκτρικής σταθεράς του μέσου και του εμβαδού των πλακών και αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων. Προκύπτουν δύο αντιφάσεις:
- Για να αυξηθεί η χωρητικότητα, τα ηλεκτρόδια πρέπει να έχουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερο πάχος, πλάτος και μήκος. Ταυτόχρονα, το μέγεθος της συσκευής δεν πρέπει να αυξηθεί.
- Για να συγκρατηθούν τα φορτία και να υπάρξει η απαραίτητη ελκτική δύναμη, η απόσταση μεταξύ των πλακών πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη. Ταυτόχρονα, το ρεύμα διάσπασης δεν πρέπει να μειώνεται.
Για την επίλυση των αντιφάσεων, οι προγραμματιστές χρησιμοποιούν
- δομές πολλαπλών στρώσεων του ζεύγους διηλεκτρικού-ηλεκτροδίου,
- πορώδεις δομές ανόδου,
- αντικατάσταση του χαρτιού από οξείδια και ηλεκτρολύτες,
- παράλληλη σύνδεση στοιχείων,
- γεμίζοντας τον ελεύθερο χώρο με ουσίες με υψηλότερη διηλεκτρική σταθερά.
Το μέγεθος των πυκνωτών μικραίνει και τα χαρακτηριστικά τους βελτιώνονται με κάθε νέα εφεύρεση.
Σχετικά άρθρα:
