Mikä on kondensaattori, kondensaattorityypit ja niiden sovellukset

Elektronisten laitteiden suunnittelussa käytettävien elektronisten komponenttien perusta on yhä monimutkaisempi. Laitteet yhdistetään integroiduiksi piireiksi, joilla on määritelty toiminnallisuus ja ohjelmisto-ohjaus. Kehityksen ytimessä ovat kuitenkin peruslaitteet: kondensaattorit, vastukset, diodit ja transistorit.

Mikä on kondensaattori?

Laitetta, joka varastoi sähköä sähkövarauksina, kutsutaan kondensaattoriksi.

Fysiikassa sähkön tai sähkövarauksen määrä mitataan coulombeina (Cl). Sähkökapasitanssi mitataan faradeina (F).

Yksittäinen johdin, jonka sähkökapasitanssi on 1 farad, on metallipallo, jonka säde on 13 auringon sädettä. Kondensaattorissa on siis vähintään kaksi johdinta, jotka on erotettu toisistaan dielektrisellä aineella. Yksinkertaisissa laitemalleissa se on paperia.

Kondensaattorin toiminta tasavirtapiirissä tapahtuu, kun virtalähde kytketään päälle ja pois päältä. Vain transienttien aikana käämien potentiaali muuttuu.

Vaihtovirtapiirin kondensaattori latautuu taajuudella, joka on sama kuin syöttöjännitteen taajuus. Jatkuvan latauksen ja purkauksen seurauksena elementin läpi kulkee virta. Korkeampi taajuus tarkoittaa laitteen nopeampaa latautumista.

Kondensaattorilla varustetun piirin resistanssi riippuu virran taajuudesta. Tasajännitteen nollataajuudella resistanssin arvo pyrkii äärettömään. Vaihtovirtataajuuden kasvaessa resistanssi pienenee.

Jos käytetään kondensaattoreita

Elektronisten, radio- ja sähkölaitteiden toiminta ei ole mahdollista ilman kondensaattoreita.

Sähkötekniikassa niitä käytetään vaiheiden siirtämiseen asynkronimoottoreita käynnistettäessä. Ilman vaiheensiirtoa kolmivaiheinen induktiomoottori ei toimi yksivaiheisessa vaihtoverkossa.

Kondensaattoreita, joiden kapasitanssi on useita faradeja, eli ionikondensaattoreita, käytetään sähköajoneuvoissa moottorin voimanlähteinä.

Jotta ymmärtäisit, miksi kondensaattoria tarvitaan, on tärkeää tietää, että 10-12 prosenttia mittauslaitteista toimii periaatteella, jonka mukaan sähkökapasitanssi muuttuu ulkoisen ympäristön muuttuessa. Erikoislaitteiden kapasitanssivasteen avulla:

• heikkojen liikkeiden rekisteröinti lisäämällä tai vähentämällä kuorien välistä etäisyyttä;
• kosteuden havaitseminen rekisteröimällä dielektrisen resistanssin muutokset;
• mitataan nesteen taso, joka muuttaa elementin kapasitanssia, kun se täytetään.

On vaikea kuvitella suunnittelevansa automatiikkaa ja relesuojausta ilman kondensaattoreita. Joissakin suojauslogiikoissa otetaan huomioon laitteen ylilatauskerroin.

Kapasitiivisia elementtejä käytetään matkapuhelinten, radio- ja televisiolaitteiden piireissä. Kondensaattoreita käytetään:

• Korkean ja matalan taajuuden vahvistimet;
• virtalähteet;
• taajuussuodattimet;
• äänenvahvistimet;
• prosessorit ja muut mikropiirit.

Vastaus kysymykseen, mitä varten kondensaattori on, on helppo löytää tarkastelemalla elektronisten laitteiden kytkentäkaavioita.

Kondensaattorin toimintaperiaate

Tasavirtapiirissä positiiviset varaukset kerääntyvät toiseen levyyn ja negatiiviset varaukset toiseen levyyn. Keskinäisen vetovoiman ansiosta hiukkaset pysyvät laitteessa yhdessä, ja niiden välinen dielektrinen aine estää hiukkasia liittymästä toisiinsa. Mitä ohuempi dielektrinen aine on, sitä voimakkaammin varaukset ovat yhteydessä toisiinsa.

Kondensaattoriin kuluu kapasitanssin täyttymiseen tarvittava määrä sähköä, ja virta lakkaa.

Kun virtapiirissä on vakiojännite, elementti pysyy latautuneena, kunnes virta katkaistaan. Sitten se purkautuu piirin kuormien kautta.

Vaihtovirta kulkee kondensaattorin läpi eri tavalla. Värähtelyjakson ensimmäinen ¼ on laitteen lataushetki. Latausvirran amplitudi pienenee eksponentiaalisesti ja laskee nollaan neljänneksen loppuun mennessä. Sähkömagneettinen kenttä saavuttaa tässä vaiheessa amplitudin.

Jakson toisella ¼:llä sähkömagneettinen kenttä pienenee ja kenno alkaa purkautua. Sähkömagneettisen kentän aleneminen alussa on pientä, samoin purkausvirta. Se kasvaa saman eksponentiaalisen suhteen mukaisesti. Jakson lopussa sähkömagneettinen kenttä on nolla ja virta on yhtä suuri kuin sen amplitudiarvo.

Värähtelyjakson kolmannessa ¼:ssä sähkömagneettinen kenttä muuttaa suuntaa, menee nollan yli ja kasvaa. Kelojen varauksen merkki on käänteinen. Virran suuruus pienenee ja suunta säilyy. Tässä vaiheessa sähkövirta on 90° edellä jännitteen vaiheesta.

Induktoreissa tapahtuu päinvastoin: jännite on virran edellä. Tämä ominaisuus on tärkein, kun päätetään, käytetäänkö RC- vai RL-piirejä.

Jakson lopussa, värähtelyn viimeisen ¼:n kohdalla, sähkömagneettinen kenttä laskee nollaan ja virta saavuttaa amplitudiarvonsa.

"Kapasitanssi purkautuu ja latautuu 2 kertaa jaksossa ja johtaa vaihtovirtaa.

Tämä on teoreettinen kuvaus prosesseista. Ymmärtääksesi, miten piirin elementti toimii suoraan laitteessa, laske piirin induktiivinen ja kapasitiivinen vastus, muiden osallistujien parametrit ja ota huomioon ulkoisen ympäristön vaikutus.

Tärkeimmät ominaisuudet ja ominaisuudet

Elektronisten laitteiden rakentamisessa ja korjaamisessa käytettäviä kondensaattoriparametreja ovat mm. seuraavat:

1. Kapasitanssi - C. Määrittää laitteen varauksen määrän. Nimelliskapasitanssin arvo on merkitty koteloon. Kennot kytketään rinnakkain tai sarjaan tarvittavien arvojen luomiseksi. Toiminta-arvot eivät vastaa laskettuja arvoja.
2. Resonanssitaajuus on fp. Jos virran taajuus on suurempi kuin resonanssitaajuus, elementin induktiiviset ominaisuudet tulevat näkyviin. Tämä vaikeuttaa toimintaa. Nimellistehon varmistamiseksi piirissä on viisasta käyttää kondensaattoria resonanssiarvoja pienemmillä taajuuksilla.
3. Nimellisjännite on Un. Elementin rikkoutumisen estämiseksi käyttöjännite asetetaan nimellisjännitettä pienemmäksi. Tämä on merkitty kondensaattorin runkoon.
4. Napaisuus. Jos kytketään väärin, tapahtuu vikaantuminen ja häiriö.
5. Sähköinen eristysresistanssi - Rd. Määrittää laitteen vuotovirran. Laitteissa osat sijaitsevat lähellä toisiaan. Suuret vuotovirrat voivat aiheuttaa loiskytkentöjä piireissä. Tämä johtaa toimintahäiriöihin. Vuotovirta heikentää elementin kapasitiivisia ominaisuuksia.
6. Lämpötilakerroin - TKE. Arvo määrittää, miten laitteen kapasitanssi muuttuu ympäristön lämpötilavaihteluiden vuoksi. Parametria käytetään suunniteltaessa laitteita käytettäväksi vaativissa ympäristöissä.
7. Parasiittinen pietsovaikutus. Jotkin kondensaattorityypit aiheuttavat laitteissa kohinaa, kun ne epämuodostuvat.

Kondensaattorien tyypit ja tyypit

Kapasitiiviset elementit luokitellaan niiden rakenteessa käytetyn dielektrisen aineen tyypin mukaan.

Paperi- ja metallikondensaattorit

Elementtejä käytetään piireissä, joissa on tasajännite tai heikosti sykkivä jännite. Suunnittelun yksinkertaisuus johtaa 10-25 prosenttia alhaisempaan ominaisuuksien vakauteen ja suurempiin häviöihin.

Paperikondensaattoreissa alumiinifolion suojukset on erotettu toisistaan paperilla. Kokoonpanot kierretään ja sijoitetaan sylinterin tai suorakulmaisen parallelepipedin muotoiseen koteloon.

Laitteet toimivat -60...+125 °C:n lämpötiloissa, nimellisjännite on enintään 1600 V pienjännitelaitteissa ja yli 1600 V suurjännitelaitteissa ja kapasiteetti on jopa kymmeniä μF.

Paperi-metalli-laitteissa ohut metallikerros levitetään folion sijasta dielektriseen paperiin. Tämä auttaa tekemään pienempiä komponentteja. Pienessä rikkoutumistapauksessa dielektrinen aine voi korjaantua itsestään. Metalli-paperikennot ovat huonompia kuin paperikennot eristyskestävyydeltään.

Elektrolyyttikondensaattorit

Näiden tuotteiden rakenne on samanlainen kuin paperikondensaattoreiden. Elektrolyyttikennojen valmistuksessa paperi kyllästetään kuitenkin metallioksideilla.

Paperittomassa elektrolyyttituotteessa oksidi levitetään metallielektrodille. Metallioksidien johtavuus on yksisuuntainen, mikä tekee laitteesta polaarisen.

Joissakin elektrolyyttikennomalleissa kannet on tehty urilla, jotka lisäävät elektrodin pinta-alaa. Levyjen väliset aukot poistetaan täyttämällä ne elektrolyytillä. Tämä parantaa tuotteen kapasitiivisia ominaisuuksia.

Elektrolyyttisten laitteiden suurta kapasitanssia, satoja μF, käytetään suodattimissa tasoittamaan jännitteen aaltoilua.

Alumiinielektrolyyttinen

Tämäntyyppisessä laitteessa anodilevy on valmistettu alumiinifoliosta. Pinta on päällystetty metallioksidilla eli dielektrisellä aineella. Katodityyny on kiinteä tai nestemäinen elektrolyytti, joka valitaan siten, että kalvon oksidikerros regeneroituu käytön aikana. Dielektrisen osan itsekorjautuminen pidentää elementin käyttöaikaa.

Tämän rakenteen kondensaattorit edellyttävät napaisuuden noudattamista. Napaisuuden kääntäminen päinvastaiseksi repii kotelon.

Laitteita, joiden sisällä on vastakkain kytkettyjä napakokoonpanoja, käytetään kahteen suuntaan. Alumiinielektrolyyttikennojen kapasiteetti on jopa useita tuhansia µF.

Tantaali elektrolyyttinen

Näiden laitteiden anodielektrodi on valmistettu huokoisesta rakenteesta, joka saadaan kuumentamalla tantaalijauhetta 2000 °C:seen. Materiaali näyttää sienimäiseltä. Huokoisuus lisää pinta-alaa.

Sähkökemiallisen hapetuksen avulla anodille levitetään jopa 100 nanometrin paksuinen tantaalipentoksidikerros. Kiinteä dielektrinen aine on valmistettu mangaanidioksidista. Valmis rakenne puristetaan yhdisteeseen, joka on erikoishartsia.

Tantaalituotteita käytetään yli 100 kHz:n taajuuksilla. Kapasiteetit ovat jopa satoja μF, ja käyttöjännitteet ovat jopa 75 V.

Polymeeri

Kondensaattoreissa käytetään kiinteää polymeerielektrolyyttiä, jolla on useita etuja:

• käyttöikä pitenee 50 000 tuntiin;
• parametrit säilyvät lämmitettäessä;
• laajempi virran aaltoilun vaihteluväli;
• liittimien ja elektrodien resistanssi ei shunttaa kapasiteettia.

Filmityyppi

Näiden mallien dielektrinen materiaali on teflon-, polyesteri-, fluorimuovi- tai polypropyleenikalvo.

Kannet ovat kalvoa tai metallia, joka on sputteroitu kalvon päälle. Suunnittelua käytetään luomaan monikerroksisia kokoonpanoja, joiden pinta-ala on kasvanut.

Kalvokondensaattoreiden kapasiteetti on satoja μF pienoiskoossa. Kerrosten ja kosketinjohtimien sijoittelusta riippuen tuotteista saadaan aksiaalisia tai radiaalisia muotoja.

Joidenkin mallien nimellisjännite on 2 kV tai enemmän.

Ero polaaristen ja ei-polaaristen

Epänapaiset mallit mahdollistavat kondensaattoreiden liittämisen piiriin virran suunnasta riippumatta. Elementtejä käytetään vaihtovirtalähteiden suodattimissa ja suurtaajuusvahvistimissa.

Polar-tuotteet liitetään merkinnän mukaisesti. Jos laite kytketään vastakkaiseen suuntaan, se ei toimi tai ei toimi kunnolla.

Suuren ja pienen kapasiteetin poolittomat ja poolittomat kondensaattorit eroavat toisistaan dielektrisen rakenteensa puolesta. Elektrolyyttikondensaattoreissa, jos oksidi levitetään yhdelle elektrodille tai paperin tai kalvon yhdelle puolelle, elementti on poolinen.

Vaihtovirtapiireissä on mukana ei-polaarisia elektrolyyttikondensaattorimalleja, joissa metallioksidi on levitetty symmetrisesti molemmille dielektrisille pinnoille.

Polaarisissa kondensaattoreissa on positiivisen tai negatiivisen elektrodin merkinnät kotelossa.

Mistä kondensaattorin kapasitanssi riippuu?

Kondensaattorin päätehtävä ja rooli piirissä on varastoida varauksia, ja lisäksi sen tehtävänä on estää vuotoja.

Kondensaattorin kapasitanssi on suoraan verrannollinen väliaineen dielektrisyysvakioon ja levyjen pinta-alaan ja kääntäen verrannollinen elektrodien väliseen etäisyyteen. Tästä seuraa kaksi ristiriitaa:

1. Kapasitanssin lisäämiseksi elektrodien on oltava mahdollisimman paksuja, leveitä ja pitkiä. Samalla laitteen kokoa ei saa kasvattaa.
2. Jotta varaukset pysyisivät paikoillaan ja tarvittava vetovoima syntyisi, levyjen välinen etäisyys on pidettävä mahdollisimman pienenä. Samanaikaisesti läpilyöntivirta ei saa pienentyä.

Ristiriitojen ratkaisemiseksi kehittäjät käyttävät

• dielektrisen elektrodiparin monikerrosrakenteet;
• huokoiset anodirakenteet;
• paperin korvaaminen oksideilla ja elektrolyytteillä;
• elementtien rinnakkaisliitäntä;
• täyttämällä vapaa tila aineilla, joiden dielektrisyysvakio on suurempi.

Kondensaattorien koko pienenee ja ominaisuudet paranevat jokaisen uuden keksinnön myötä.

Aiheeseen liittyvät artikkelit: