Elektroonikaseadmete projekteerimise elemendibaas muutub keerukamaks. Seadmed kombineeritakse integraallülitusteks, millel on määratud funktsionaalsus ja tarkvara juhtimine. Kuid arenduse keskmes on põhiseadmed: kondensaatorid, takistid, dioodid ja transistorid.
Sisu
Mis on kondensaator
Seadet, mis salvestab elektrit elektrilaengute kujul, nimetatakse kondensaatoriks.
Elektrienergia või elektrilaengu kogust füüsikas mõõdetakse kulonides (Cl). Elektrilist mahtuvust loetakse faradides (F).
Üksikjuht elektrilise võimsusega 1 farad on metallist kuul, mille raadius on võrdne 13 päikeseraadiusega. Seetõttu sisaldab kondensaator vähemalt 2 juhti, mis on eraldatud dielektrikuga. Lihtsa kujundusega seade on paber.
Alalisvooluahelas olev kondensaator töötab toiteallika sisse- ja väljalülitamisel. Ainult siirete ajal muutub poolide potentsiaal.
Vahelduvvooluahela kondensaatorit laaditakse sagedusega, mis on võrdne toitepinge sagedusega. Pidevate laadimiste ja tühjenduste tulemusena voolab vool läbi elemendi. Kõrgem sagedus tähendab seadme kiiremat laadimist.
Kondensaatoriga vooluahela takistus sõltub voolu sagedusest. Null-alalisvoolu sagedusel kipub takistuse väärtus lõpmatuseni. Vahelduvvoolu sageduse kasvades takistus väheneb.
Kus kasutatakse kondensaatoreid
Elektrooniliste, raadio- ja elektriseadmete töö on võimatu ilma kondensaatoriteta.
Elektrotehnikas kasutatakse neid faaside nihutamiseks asünkroonsete mootorite käivitamisel. Ilma faasinihketa ei tööta kolmefaasiline asünkroonmootor vahelduvas ühefaasilises võrgus.
Mitme faraadi mahtuvusega kondensaatorid on ioonkondensaatorid, mida kasutatakse elektriautodes mootori jõuallikatena.
Et mõista, miks kondensaatorit vaja on, peate teadma, et 10-12% mõõteseadmetest töötavad väliskeskkonna parameetrite muutumisel elektrilise mahtuvuse muutmise põhimõttel. Spetsiaalsete seadmete mahtuvusreaktsiooni kasutatakse:
- nõrkade liikumiste registreerimine kestadevahelise kauguse suurendamise või vähendamise kaudu;
- niiskuse määramine dielektrilise takistuse muutuste registreerimisega;
- vedeliku taseme mõõtmine, mis muudab elemendi mahutavust selle täitmisel.
Automaatika ja releekaitse projekteerimist ilma kondensaatoriteta on raske ette kujutada. Teatud kaitseloogika võtab arvesse seadme laadimise paljusust.
Mahtuvuslikke elemente kasutatakse mobiilsideseadmete, raadio- ja televisiooniseadmete ahelates. Kondensaatoreid kasutatakse:
- Kõrg- ja madalsagedusvõimendid;
- toiteallikad;
- sagedusfiltrid;
- helivõimendid;
- protsessorid ja muud mikroskeemid.
Küsimusele, milleks kondensaator on, on vastust lihtne leida, vaadates elektroonikaseadmete ühendusskeeme.
Kuidas kondensaator töötab
Alalisvooluahelas kogutakse positiivsed laengud ühele plaadile ja negatiivsed laengud teisele. Vastastikuse külgetõmbe kaudu hoitakse osakesed seadmes koos ning nendevaheline dielektrik takistab nende ühendamist. Mida õhem on dielektrik, seda tugevamad on laengud ühendatud.
Kondensaator võtab mahtuvuse täitmiseks vajaliku elektrienergia koguse ja vool peatub.
Konstantse pingega vooluringis hoiab element laengut seni, kuni toide välja lülitatakse. Seejärel tühjeneb see vooluringis olevate koormuste kaudu.
Vahelduvvool läbi kondensaatori liigub erinevalt. Esimene ¼ võnkeperiood on seadme laengu hetk. Laadimisvoolu amplituud väheneb eksponentsiaalselt ja kvartali lõpuks nullini. EMF saavutab sel hetkel amplituudi.
Perioodi teisel ¼-l EMF väheneb ja rakk hakkab tühjenema. EMF-i vähenemine alguses on väike ja nii ka tühjendusvool. See suureneb vastavalt samale eksponentsiaalsele sõltuvusele. Perioodi lõpuks on EMF võrdne nulliga, vool on võrdne amplituudi väärtusega.
Võnkeperioodi kolmandal ¼-l muudab EMF suunda, läbib nulli ja suureneb. Laengu märk terminalidel on vastupidine. Voolutugevus väheneb ja hoiab oma suunda. Sel hetkel on elektrivool faasis olevast pingest 90° ees.
Induktiivmähistes juhtub vastupidine: pinge on voolust ees. See omadus on RC- või RL-ahelate kasutamise esirinnas.
Tsükli lõpus võnke viimasel ¼-l langeb EMF nulli ja vool jõuab amplituudi väärtuseni.
"Mahtuvus" tühjendab ja laeb 2 korda perioodi jooksul ning juhib vahelduvvoolu.
See on protsesside teoreetiline kirjeldus. Et mõista, kuidas vooluringis olev element vahetult seadmes töötab, arvutage ahela induktiivne ja mahtuvuslik takistus, teiste osalejate parameetrid ja arvestage väliskeskkonna mõjuga.
Põhiomadused ja omadused
Elektroonikaseadmete ehitamiseks ja parandamiseks kasutatavad kondensaatori parameetrid on järgmised:
- Mahtuvus – C. See määrab seadme laengu suuruse. Nimivõimsuse väärtus on märgitud korpusele. Vajalike väärtuste loomiseks ühendatakse rakud ahelasse paralleelselt või järjestikku. Tööväärtused ei ole arvutatud väärtustega samad.
- Resonantssagedus on fp. Kui voolu sagedus on suurem kui resonantssagedus, ilmnevad elemendi induktiivsed omadused. See muudab operatsiooni keeruliseks. Ahela nimivõimsuse tagamiseks on mõistlik kasutada kondensaatorit resonantsväärtustest väiksematel sagedustel.
- Nimipinge on Un. Elementide purunemise vältimiseks seatakse tööpinge nimipingest madalamaks. See on märgitud kondensaatori korpusel.
- Polaarsus. Kui see on valesti ühendatud, tekib rike ja rike.
- Elektriisolatsiooni takistus - Rd. Määrab seadme lekkevoolu. Seadmetes asuvad osad üksteise lähedal. Kui lekkevool on suur, on ahelates võimalik parasiitsidestus. See põhjustab talitlushäireid. Lekkevool halvendab elemendi mahtuvuslikke omadusi.
- Temperatuuri koefitsient - TKE. Väärtus määrab, kuidas muutub seadme mahtuvus keskkonna temperatuuri kõikumisel. Parameetrit kasutatakse karmides keskkondades kasutamiseks mõeldud seadmete kavandamisel.
- Parasiitne piesoefekt. Teatud tüüpi kondensaatorid tekitavad deformeerumisel seadmetes müra.
Kondensaatorite tüübid ja tüübid
Mahtuvuslikud elemendid klassifitseeritakse disainis kasutatud dielektriku tüübi järgi.
Paberist ja metallist kondensaatorid
Elemente kasutatakse alalis- või nõrgalt pulseeriva pingega ahelates. Disaini lihtsus toob kaasa 10-25% madalama jõudluse stabiilsuse ja suuremad kaod.
Paberkondensaatorites eraldatakse alumiiniumfooliumist katted paberiga. Agregaadid keeratakse kokku ja asetatakse silindri- või ristkülikukujulisse rööptahukasse.
Seadmed töötavad temperatuuridel -60 ... +125°C, madalpingeseadmete nimipingega kuni 1600V, kõrgepingega - üle 1600V ja võimsusega kuni kümneid μF.
Metall-paberseadmetes kantakse dielektrilisele paberile fooliumi asemel õhuke metallikiht. See aitab teha väiksemaid elemente. Ebaoluliste rikete korral võib dielektrik ise paraneda. Metall-paberelemendid on isolatsioonitakistuse poolest paberelementidest madalamad.
Elektrolüütkondensaatorid
Toodete disain meenutab paberkondensaatoreid. Kuid elektrolüütiliste elementide valmistamisel immutatakse paber metalloksiididega.
Paberivabas elektrolüüditoodetes kantakse oksiid metallelektroodile. Metalloksiididel on ühesuunaline juhtivus, mis muudab seadme polaarseks.
Mõnes elektrolüütiliste elementide mudelites on kaaned valmistatud soontega, mis suurendavad elektroodi pindala. Plaatidevahelises ruumis olevad tühimikud kõrvaldatakse elektrolüüdi valamise teel. See parandab toote mahtuvuslikke omadusi.
Elektrolüütiliste seadmete suurt mahtuvust – sadu μF kasutatakse filtrites pinge pulsatsiooni tasandamiseks.
Alumiiniumist elektrolüütiline.
Seda tüüpi seadmetes on anoodvooder valmistatud alumiiniumfooliumist. Pind on kaetud metalloksiiddielektrikuga. Katoodpadi on tahke või vedel elektrolüüt, mis on valitud nii, et fooliumil olev oksiidikiht regenereeritakse töötamise ajal.Dielektriku iseparandus pikendab elemendi tööaega.
Sellise konstruktsiooniga kondensaatorid nõuavad polaarsuse jälgimist. Polaarsuse muutmine rebeneb korpuse.
Seadmeid, mille sees on vastupidised polaarsõlmed, kasutatakse kahes suunas. Alumiiniumist elektrolüütiliste elementide võimsus ulatub mitme tuhande μF-ni.
Tantaal elektrolüütiline
Selliste seadmete anoodelektrood on valmistatud poorsest struktuurist, mis saadakse tantaalipulbri kuumutamisel temperatuurini 2000°C. Materjal on käsna välimusega. Poorsus suurendab pindala.
Elektrokeemilise oksüdatsiooni abil sadestatakse anoodile kuni 100 nanomeetri paksune tantaalpentoksiidi kiht. Tahke dielektrik on valmistatud mangaandioksiidist. Valmis konstruktsioon pressitakse ühendiks, spetsiaalseks vaiguks.
Tantaalitooteid kasutatakse voolusagedustel üle 100 kHz. Mahtuvus tekib kuni sadade μF, tööpingetega kuni 75 V.
Polümeer
Kondensaatorites kasutatakse tahket polümeerset elektrolüüti, millel on mitmeid eeliseid:
- kasutusiga pikeneb kuni 50 tuhande tunnini;
- parameetrid säilivad kuumutamisel;
- laiem voolu pulsatsiooni ulatus;
- tihvtide ja klemmide takistus ei šunti võimsust.
Film
Nendes mudelites on dielektrik teflon, polüester, fluoroplast või polüpropüleenkile.
Kaaned on kilele pritsinud fooliumist või metallist. Disaini kasutatakse suurema pinnaga mitmekihiliste sõlmede loomiseks.
Kilekondensaatorite maht on miniatuurses suuruses sadu μF. Sõltuvalt kihtide ja kontaktjuhtmete paigutusest valmistatakse toodete aksiaalne või radiaalne kuju.
Mõne mudeli nimipinge on 2 kV või kõrgem.
Mis vahe on polaarsel ja mittepolaarsel
Mittepolaarsed võimaldavad kondensaatorite lülitamist vooluringi, arvestamata voolu suunda.Elemente kasutatakse vahelduvvooluallikate filtrites, kõrgsagedusvõimendites.
Polari tooted on ühendatud vastavalt märgistusele. Kui ühendate vastupidises suunas, siis seade ebaõnnestub või ei tööta korralikult.
Suure ja väikese võimsusega polaarsed ja mittepolaarsed kondensaatorid erinevad dielektrilise konstruktsiooni poolest. Kui elektrolüütkondensaatorites kantakse oksiid ühele elektroodile või paberi, kile ühele küljele, on element polaarne.
Mittepolaarsete elektrolüütkondensaatorite mudelid, milles metalloksiidi kantakse sümmeetriliselt dielektriku mõlemale pinnale, kuuluvad vahelduvvooluahelatesse.
Polaarkondensaatorid on korpusel märgitud positiivsete või negatiivsete elektroodidena.
Millest sõltub kondensaatori mahtuvus
Kondensaatori põhiülesanne ja roll vooluringis on laengute kogumine ja lisaroll on lekke vältimine.
Kondensaatori mahtuvus on otseselt võrdeline keskkonna dielektrilise konstandi ja plaatide pindalaga ning pöördvõrdeline elektroodide vahelise kaugusega. Tekib kaks vastuolu:
- Mahtuvuse suurendamiseks peavad elektroodid olema võimalikult paksud, laiad ja pikad. Samal ajal ei saa seadme suurust suurendada.
- Laengute hoidmiseks ja vajaliku tõmbejõu tagamiseks on plaatide vaheline kaugus minimaalne. Samal ajal ei saa läbilöögivoolu vähendada.
Vastuolude lahendamiseks kasutavad arendajad:
- dielektri-elektroodi paari mitmekihilised struktuurid;
- poorsed anoodistruktuurid;
- paberi asendamine oksiidide ja elektrolüütidega;
- elementide paralleelne kaasamine;
- vaba ruumi täitmine suurenenud dielektrilise läbilaskvusega ainetega.
Kondensaatorite mõõtmed vähenevad ja omadused paranevad iga uue leiutisega.
Seotud artiklid:
