Ο ηλεκτρικός πυκνωτής είναι ένα από τα στοιχεία του ηλεκτρικού κυκλώματος κάθε ηλεκτρονικής συσκευής. Η κύρια λειτουργία του είναι να αποθηκεύει ενέργεια με επακόλουθη απελευθέρωσή της πίσω στο κύκλωμα. Ο κλάδος προσφέρει μεγάλη ποικιλία πυκνωτών με διαφορετικούς τύπους, χωρητικότητες, μεγέθη και εφαρμογές.
Αρχή και χαρακτηριστικά πυκνωτή
Ένας πυκνωτής αποτελείται από δύο μεταλλικές πλάκες που χωρίζονται από ένα λεπτό διηλεκτρικό στρώμα. Ο λόγος του μεγέθους και της διάταξης των όψεων και των χαρακτηριστικών του διηλεκτρικού υλικού καθορίζει την τιμή της χωρητικότητας.
Ο σχεδιασμός οποιουδήποτε τύπου πυκνωτή αποσκοπεί στην επίτευξη της μέγιστης χωρητικότητας σε σχέση με τις ελάχιστες διαστάσεις για την εξοικονόμηση χώρου στην πλακέτα της διάταξης. Ένα από τα πιο δημοφιλή σχήματα από άποψη εμφάνισης είναι το σχήμα βαρελιού, στο οποίο τα μεταλλικά καλύμματα είναι συσπειρωμένα μεταξύ τους με διηλεκτρικό ανάμεσά τους. Ο πρώτος πυκνωτής, που εφευρέθηκε στο Leiden των Κάτω Χωρών το 1745, ονομάστηκε "βάζο Leiden".
Η αρχή του εξαρτήματος είναι η ικανότητα φόρτισης και εκφόρτισης. Η φόρτιση καθίσταται δυνατή με τη διατήρηση των ηλεκτροδίων σε μικρή απόσταση το ένα από το άλλο. Τα στενά διαχωρισμένα μεταξύ τους φορτία που χωρίζονται από το διηλεκτρικό έλκονται μεταξύ τους και παγιδεύονται στους ακροδέκτες, και έτσι ο ίδιος ο πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια. Μετά την απενεργοποίηση της τροφοδοσίας, το εξάρτημα είναι έτοιμο να απελευθερώσει ενέργεια στο κύκλωμα, να εκφορτιστεί.
Παράμετροι και ιδιότητες που καθορίζουν την απόδοση, την ποιότητα και την αντοχή
- ηλεκτρική χωρητικότητα,
- ειδική χωρητικότητα,
- ανοχή,
- ηλεκτρική αντοχή,
- ενδογενής επαγωγή,
- διηλεκτρική απορρόφηση,
- απώλειες,
- σταθερότητα,
- αξιοπιστία.
Η ικανότητα αποθήκευσης φορτίου καθορίζει την ηλεκτρική χωρητικότητα ενός πυκνωτή. Για τον υπολογισμό της χωρητικότητας είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε
- την περιοχή των περιελίξεων,
- η απόσταση μεταξύ των σπειρών,
- Η διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού υλικού.
Για να αυξηθεί η χωρητικότητα, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η επιφάνεια των περιελίξεων, να μειωθεί η απόσταση μεταξύ τους και να χρησιμοποιηθεί ένα διηλεκτρικό του οποίου το υλικό έχει υψηλή διηλεκτρική σταθερά.
Η μονάδα μέτρησης που χρησιμοποιείται για τη χωρητικότητα είναι το Farad (F), που πήρε το όνομά του από τον Άγγλο φυσικό Michael Faraday. Ωστόσο, το 1 Farad είναι πολύ μεγάλη τιμή. Για παράδειγμα, η χωρητικότητα του πλανήτη μας είναι μικρότερη από 1 Farad. Μικρότερες τιμές χρησιμοποιούνται στα ραδιοηλεκτρονικά: microfarads (µF, ένα εκατομμυριοστό του Farad) και picofarads (pF, ένα εκατομμυριοστό του microfarad).
Η ειδική χωρητικότητα υπολογίζεται από το λόγο της χωρητικότητας προς τη διηλεκτρική μάζα (όγκο). Αυτό επηρεάζεται από τις γεωμετρικές διαστάσεις και η αύξηση της ειδικής χωρητικότητας επιτυγχάνεται με τη μείωση του όγκου του διηλεκτρικού, αλλά αυτό αυξάνει τον κίνδυνο διάσπασης.
Η επιτρεπόμενη απόκλιση της τιμής χωρητικότητας στην πινακίδα τύπου από την πραγματική τιμή καθορίζει την κατηγορία ακρίβειας. Σύμφωνα με το GOST, υπάρχουν 5 κατηγορίες ακρίβειας που καθορίζουν τη μελλοντική χρήση. Τα εξαρτήματα της υψηλότερης κατηγορίας ακρίβειας χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα υψηλής ευθύνης.
Η ηλεκτρική αντοχή καθορίζει την ικανότητα διατήρησης της φόρτισης και τη διατήρηση της απόδοσης. Τα φορτία που είναι αποθηκευμένα στις περιελίξεις τείνουν να κινούνται το ένα προς το άλλο καθώς δρουν στο διηλεκτρικό. Η ηλεκτρική αντοχή είναι μια σημαντική ιδιότητα ενός πυκνωτή που καθορίζει τη διάρκεια χρήσης του. Η ακατάλληλη λειτουργία θα οδηγήσει σε διηλεκτρική διάσπαση και αστοχία εξαρτημάτων.
Η εγγενής αυτεπαγωγή λαμβάνεται υπόψη στα κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος με πηνία αυτεπαγωγής. Για κυκλώματα συνεχούς ρεύματος δεν λαμβάνεται υπόψη.
Η διηλεκτρική απορρόφηση είναι η εμφάνιση τάσης στα πηνία κατά την ταχεία εκφόρτιση. Το φαινόμενο της απορρόφησης λαμβάνεται υπόψη για την ασφαλή λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών υψηλής τάσης επειδή υπάρχει κίνδυνος για τη ζωή σε περίπτωση βραχυκυκλώματος.
Οι απώλειες οφείλονται στη χαμηλή ικανότητα μεταφοράς ρεύματος του διηλεκτρικού. Όταν τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα λειτουργούν υπό διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας, ο συντελεστής ποιότητας των απωλειών επηρεάζεται. Επηρεάζεται επίσης από τη συχνότητα λειτουργίας. Στις χαμηλές συχνότητες επηρεάζονται οι διηλεκτρικές απώλειες- στις υψηλότερες συχνότητες επηρεάζονται οι απώλειες μετάλλου.
Η σταθερότητα είναι μια παράμετρος του πυκνωτή, η οποία επηρεάζεται επίσης από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τα αποτελέσματά της διακρίνονται σε αντιστρεπτά, που χαρακτηρίζονται από ένα συντελεστή θερμοκρασίας, και μη αντιστρεπτά, που χαρακτηρίζονται από ένα συντελεστή θερμοκρασιακής αστάθειας.
Η αξιοπιστία της λειτουργίας ενός πυκνωτή εξαρτάται κυρίως από τις συνθήκες λειτουργίας. Η ανάλυση βλαβών δείχνει ότι οι βλάβες ευθύνονται για το 80% όλων των βλαβών.
Ανάλογα με την εφαρμογή, τον τύπο και την περιοχή χρήσης, οι πυκνωτές διαστασιολογούνται διαφορετικά. Τα μικρότερα, με μέγεθος από μερικά χιλιοστά έως μερικά εκατοστά, χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά, ενώ τα μεγαλύτερα χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία.
Σκοπός
Η ιδιότητα της αποθήκευσης και της απελευθέρωσης ενέργειας έχει καθορίσει την ευρεία χρήση των πυκνωτών στα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα. Ακριβώς όπως οι αντιστάσεις και τα τρανζίστορ, αποτελούν τη ραχοκοκαλιά της ηλεκτρολογίας. Δεν υπάρχει ούτε μία σύγχρονη συσκευή που να μην τα χρησιμοποιεί με κάποια ιδιότητα.
Η ικανότητά τους να φορτίζουν και να εκφορτίζουν, σε συνδυασμό με την επαγωγή που έχει τις ίδιες ιδιότητες, χρησιμοποιείται ευρέως στην τεχνολογία ραδιοφώνου και τηλεόρασης. Το κύκλωμα ταλάντωσης του πυκνωτή και της επαγωγής αποτελεί τη βάση για τη μετάδοση και τη λήψη σημάτων. Η αλλαγή της χωρητικότητας του πυκνωτή επιτρέπει την αλλαγή της συχνότητας του κυκλώματος ταλάντωσης. Οι ραδιοφωνικοί σταθμοί, για παράδειγμα, μπορούν να εκπέμπουν στις συχνότητές τους και τα ραδιόφωνα μπορούν να συνδεθούν σε αυτές τις συχνότητες.
Μια σημαντική λειτουργία είναι η εξομάλυνση των κυματισμών του εναλλασσόμενου ρεύματος. Κάθε ηλεκτρονική συσκευή που τροφοδοτείται από εναλλασσόμενο ρεύμα χρειάζεται ηλεκτρικούς πυκνωτές φιλτραρίσματος για να παράγει καλής ποιότητας συνεχές ρεύμα.
Ο μηχανισμός φόρτισης και εκφόρτισης χρησιμοποιείται ενεργά στον φωτογραφικό εξοπλισμό. Όλες οι σύγχρονες φωτογραφικές μηχανές χρησιμοποιούν ένα φλας για τη λήψη φωτογραφιών, το οποίο έχει την ιδιότητα της ταχείας εκφόρτισης. Σε αυτόν τον τομέα, δεν είναι συμφέρουσα η χρήση μπαταριών που είναι καλές στην αποθήκευση ενέργειας αλλά αργές στην απελευθέρωσή της. Οι πυκνωτές, από την άλλη πλευρά, απελευθερώνουν όλη την αποθηκευμένη ενέργεια αμέσως, πράγμα που είναι αρκετό για μια φωτεινή λάμψη.
Η ικανότητα των πυκνωτών να παράγουν παλμούς υψηλής ισχύος χρησιμοποιείται στον ραδιοεντοπισμό και στα λέιζερ.
Οι πυκνωτές επιτελούν το ρόλο των επαφών σβησίματος σπινθήρων στην τηλεγραφία και την τηλεφωνία, καθώς και στην τηλεμηχανολογία και τον αυτοματισμό, όπου πρέπει να ενεργοποιούνται ηλεκτρονόμοι με υψηλό φορτίο.
Η ρύθμιση της τάσης των μεγάλων γραμμών μεταφοράς καθίσταται δυνατή με τη χρήση πυκνωτών αντιστάθμισης.
Οι σύγχρονοι πυκνωτές, χάρη στις δυνατότητές τους, δεν χρησιμοποιούνται μόνο στον τομέα των ραδιοηλεκτρονικών. Χρησιμοποιούνται στις βιομηχανίες επεξεργασίας μετάλλων, εξόρυξης και άνθρακα.
Κύριες ποικιλίες
Λόγω της ποικιλομορφίας των εφαρμογών και των συνθηκών λειτουργίας των ηλεκτρονικών συσκευών, υπάρχει μεγάλη ποικιλία εξαρτημάτων που διαφέρουν ως προς τους τύπους και τα χαρακτηριστικά τους. Ο κύριος διαχωρισμός βασίζεται στις κατηγορίες και στον τύπο του χρησιμοποιούμενου διηλεκτρικού.
Τύποι πυκνωτών χωρισμένοι ανά κατηγορία:
- με σταθερή χωρητικότητα,
- με μεταβλητή χωρητικότητα,
- ρυθμιζόμενο.
Τα στοιχεία σταθερής χωρητικότητας χρησιμοποιούνται σε κάθε ραδιοηλεκτρονική συσκευή.
Οι μεταβλητοί πυκνωτές χρησιμοποιούνται για την αλλαγή της χωρητικότητας και των παραμέτρων του κυκλώματος, π.χ. της συχνότητας σε κυκλώματα ταλάντωσης. Στην κατασκευή τους διαθέτουν πολλά τμήματα μεταλλικών κινητών πλακών, γεγονός που εξασφαλίζει τη μακροζωία τους.
Οι πυκνωτές trimmer χρησιμοποιούνται για την ενιαία ρύθμιση της συσκευής. Διατίθενται σε διάφορες ονομαστικές τιμές χωρητικότητας (από μερικά picofarads έως αρκετές εκατοντάδες picofarads) και είναι σχεδιασμένα για τάσεις έως 60 βολτ. Χωρίς αυτούς, δεν θα ήταν δυνατή η τελειοποίηση του εξοπλισμού.
Τύποι πυκνωτών, ταξινομημένοι ανάλογα με τον τύπο του διηλεκτρικού:
- κεραμικό διηλεκτρικό,
- με ένα διηλεκτρικό φιλμ,
- ηλεκτρολυτικό,
- εναλλάκτες ιόντων.
Οι κεραμικοί πυκνωτές κατασκευάζονται με τη μορφή μιας μικρής πλάκας κεραμικού υλικού στην οποία ψεκάζονται μεταλλικοί ακροδέκτες. Αυτοί οι πυκνωτές έχουν διαφορετικές ιδιότητες και χρησιμοποιούνται τόσο για κυκλώματα υψηλής τάσης όσο και για κυκλώματα χαμηλής τάσης.
Για κυκλώματα χαμηλής τάσης, χρησιμοποιούνται συνήθως πολυστρωματικά μικρά εξαρτήματα σε εποξειδικά ή πλαστικά περιβλήματα με χωρητικότητα που κυμαίνεται από δεκάδες picofarads έως μονάδες microfarads. Χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων σε ραδιοηλεκτρονικό εξοπλισμό και μπορούν να λειτουργήσουν σε δύσκολες κλιματολογικές συνθήκες.
Για κυκλώματα υψηλής τάσης, διατίθενται μεγαλύτεροι κεραμικοί πυκνωτές με χωρητικότητα που κυμαίνεται από δεκάδες picofarads έως χιλιάδες picofarads. Χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα παλμών και εξοπλισμό μετατροπής τάσης.
Τα διηλεκτρικά φιλμ διατίθενται σε διάφορους τύπους. Το πιο συνηθισμένο είναι το lavsan, το οποίο είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό. Λιγότερο συνηθισμένο είναι το διηλεκτρικό πολυπροπυλενίου, το οποίο έχει χαμηλότερες απώλειες και χρησιμοποιείται σε κυκλώματα υψηλής τάσης, όπως κυκλώματα ενίσχυσης ήχου και κυκλώματα μεσαίων συχνοτήτων.
Ένας ξεχωριστός τύπος πυκνωτή μεμβράνης είναι ο πυκνωτής εκκίνησης, ο οποίος χρησιμοποιείται κατά την εκκίνηση των κινητήρων και, λόγω της υψηλής χωρητικότητάς του και του ειδικού διηλεκτρικού υλικού, μειώνει το φορτίο του ηλεκτροκινητήρα. Χαρακτηρίζονται από υψηλές τάσεις λειτουργίας και ηλεκτρική άεργο ισχύ.
Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές κατασκευάζονται σε κλασικό σχεδιασμό. Το περίβλημα είναι κατασκευασμένο από αλουμίνιο και στο εσωτερικό του είναι τοποθετημένα τα μεταλλικά κελύφη με σπείρες. Το ένα από τα καλύμματα επικαλύπτεται χημικά με ένα οξείδιο μετάλλου και το άλλο με έναν υγρό ή στερεό ηλεκτρολύτη για να σχηματίσει ένα διηλεκτρικό. Λόγω αυτής της κατασκευής οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές έχουν υψηλή χωρητικότητα, αλλά η ιδιαιτερότητα της χρήσης τους με την πάροδο του χρόνου είναι η μεταβολή της με την πάροδο του χρόνου.
Σε αντίθεση με τους κεραμικούς πυκνωτές και τους πυκνωτές φιλμ, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές έχουν πολικότητα. Αυτές με τη σειρά τους διακρίνονται σε μη πολικές, χωρίς αυτό το μειονέκτημα, ακτινικές, μικροσκοπικές και αξονικές. Τα πεδία εφαρμογής τους είναι οι παραδοσιακοί υπολογιστές και η σύγχρονη τεχνολογία μικροϋπολογιστών.
Ένας ειδικός τύπος, που εμφανίστηκε σχετικά πρόσφατα, είναι οι εναλλάκτες ιόντων. Η κατασκευή τους είναι παρόμοια με τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, αλλά έχουν υψηλή χωρητικότητα (έως και αρκετά Farads). Ωστόσο, η χρήση τους περιορίζεται από μια μικρή μέγιστη τάση μερικών βολτ. Οι ιονιστές χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση μνήμης: αν η μπαταρία ενός κινητού τηλεφώνου ή ενός μικροσκοπικού υπολογιστή εξαντληθεί, οι αποθηκευμένες πληροφορίες δεν θα χαθούν ανεπιστρεπτί.
Εκτός από τα εξαρτήματα σε εκδόσεις τύπου ακίδας, τα οποία υπάρχουν εδώ και πολύ καιρό και χρησιμοποιούνται παραδοσιακά, τα σύγχρονα εξαρτήματα είναι διαθέσιμα σε σχεδιασμό SMD ή, όπως είναι επίσης γνωστό, σε σχεδιασμό επιφανειακής τοποθέτησης. Για παράδειγμα, οι κεραμικοί πυκνωτές μπορούν να παραχθούν σε διάφορα μεγέθη, από το μικρότερο (1 mm επί 0,5 mm) έως το μεγαλύτερο (5,7 mm επί 5 mm), και με αντίστοιχες τάσεις που κυμαίνονται από δεκάδες βολτ έως εκατοντάδες βολτ.
Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές μπορούν επίσης να παραχθούν σε περιβλήματα επιφανειακής τοποθέτησης. Αυτοί μπορεί να είναι τυπικοί ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές αλουμινίου ή πυκνωτές τανταλίου, οι οποίοι μοιάζουν λίγο με τους κεραμικούς πυκνωτές, αλλά διαφέρουν από αυτούς λόγω της υψηλότερης χωρητικότητάς τους και των χαμηλότερων απωλειών τους. Διατίθενται σε σχέδια SMD χωρίς μόλυβδο και χωρίς μόλυβδο.
Οι πυκνωτές τανταλίου χαρακτηρίζονται από μεγάλη διάρκεια ζωής και ελάχιστες απώλειες με ελαφρώς χαμηλότερο όριο χωρητικότητας, αλλά είναι επίσης πολύ ακριβοί. Χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα υψηλής ευθύνης όπου απαιτείται υψηλή χωρητικότητα.
Σχετικά άρθρα:
