La base dei componenti elettronici per la progettazione di dispositivi elettronici sta diventando sempre più complicata. I dispositivi sono combinati in circuiti integrati con funzionalità definite e controllo software. Ma il cuore dello sviluppo sono i dispositivi di base: condensatori, resistenze, diodi e transistor.
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Cos'è un condensatore?
Un apparecchio che immagazzina elettricità sotto forma di cariche elettriche è chiamato condensatore.
In fisica, la quantità di elettricità o di carica elettrica si misura in coulomb (Cl). La capacità elettrica si misura in farad (F).
Un conduttore solitario con una capacità elettrica di 1 farad è una sfera di metallo con un raggio pari a 13 raggi solari. Pertanto, un condensatore comprende almeno 2 conduttori, che sono separati da un dielettrico. Nei disegni semplici, il dispositivo è la carta.
Il funzionamento di un condensatore in un circuito DC avviene quando l'alimentazione è accesa e spenta. Solo durante i transitori il potenziale sulle bobine cambia.
Il condensatore in un circuito AC viene ricaricato ad una frequenza uguale alla frequenza della tensione di alimentazione. Come risultato della continua carica e scarica, la corrente scorre attraverso l'elemento. Una frequenza più alta significa una ricarica più veloce del dispositivo.
La resistenza di un circuito con un condensatore dipende dalla frequenza della corrente. A frequenza zero DC il valore della resistenza tende all'infinito. Con l'aumento della frequenza AC la resistenza diminuisce.
Dove si usano i condensatori
Il funzionamento dei dispositivi elettronici, radio ed elettrici non è possibile senza condensatori.
In ingegneria elettrica, sono utilizzati per lo spostamento di fase quando si avviano i motori asincroni. Senza sfasamento, un motore a induzione trifase in una rete monofase alternata non funziona.
I condensatori con una capacità di diversi farad - condensatori ionici - sono utilizzati nei veicoli elettrici come fonti di alimentazione del motore.
Per capire perché un condensatore è necessario, è importante sapere che il 10-12% dei dispositivi di misurazione funziona sul principio di cambiare la capacità elettrica con i cambiamenti nell'ambiente esterno. La risposta di capacità di dispositivi speciali è usata per:
- registrare i movimenti deboli aumentando o diminuendo la distanza tra i gusci;
- rilevare l'umidità registrando i cambiamenti nella resistenza dielettrica;
- misurare il livello di un liquido che cambia la capacità di un elemento quando viene riempito.
È difficile immaginare di progettare automatismi e protezioni a relè senza condensatori. Alcune logiche di protezione tengono conto della molteplicità di sovraccarico del dispositivo.
Gli elementi capacitivi sono utilizzati nei circuiti dei dispositivi di telefonia mobile, radio e televisione. I condensatori sono utilizzati in:
- Amplificatori ad alta e bassa frequenza;
- unità di alimentazione;
- filtri di frequenza;
- amplificatori di suono;
- processori e altri microcircuiti.
È facile trovare la risposta alla domanda su cosa sia un condensatore guardando gli schemi elettrici dei dispositivi elettronici.
Principio del condensatore
In un circuito DC, le cariche positive sono raccolte su una piastra e quelle negative sull'altra. Attraverso l'attrazione reciproca, le particelle sono tenute insieme nel dispositivo e il dielettrico tra loro impedisce loro di collegarsi. Più sottile è il dielettrico, più forti sono le cariche collegate.
Il condensatore prende la quantità di elettricità necessaria per riempire la capacità e la corrente si ferma.
Con una tensione costante nel circuito, l'elemento mantiene una carica fino allo spegnimento. Poi si scarica attraverso i carichi del circuito.
La corrente alternata scorre attraverso un condensatore in modo diverso. Il primo ¼ del periodo di oscillazione è il momento di carica del dispositivo. L'ampiezza della corrente di carica diminuisce esponenzialmente e scende a zero alla fine del trimestre. Il campo elettromagnetico raggiunge un'ampiezza in questo punto.
Nel secondo ¼ del periodo il campo elettromagnetico diminuisce e la cella comincia a scaricarsi. La diminuzione dell'EMF all'inizio è piccola e così la corrente di scarica. Aumenta secondo la stessa relazione esponenziale. Alla fine del periodo il campo elettromagnetico è zero e la corrente è uguale al suo valore di ampiezza.
Nel terzo ¼ del periodo di oscillazione il campo elettromagnetico cambia direzione, va oltre lo zero e aumenta. Il segno della carica sulle bobine è invertito. La corrente diminuisce in grandezza e mantiene la sua direzione. A questo punto, la corrente elettrica è 90° avanti alla tensione in fase.
Negli induttori succede il contrario: la tensione è davanti alla corrente. Questa proprietà viene prima nel decidere se usare circuiti RC o RL.
Alla fine del ciclo, all'ultimo ¼ dell'oscillazione, l'EMF scende a zero e la corrente raggiunge il suo valore di ampiezza.
"La capacità si scarica e si carica 2 volte per periodo e conduce una corrente alternata.
Questa è una descrizione teorica dei processi. Per capire come funziona un elemento di un circuito direttamente nel dispositivo, calcolare la resistenza induttiva e capacitiva del circuito, i parametri degli altri partecipanti e prendere in considerazione l'influenza dell'ambiente esterno.
Caratteristiche e proprietà principali
I parametri dei condensatori che sono usati per costruire e riparare dispositivi elettronici includono:
- Capacità - C. Determina la quantità di carica che il dispositivo trattiene. Il valore della capacità nominale è indicato sulla custodia. Le celle sono collegate in un circuito in parallelo o in serie per creare i valori richiesti. I valori operativi non coincidono con i valori calcolati.
- La frequenza di risonanza è fp. Se la frequenza della corrente è superiore alla frequenza di risonanza, le proprietà induttive dell'elemento diventano evidenti. Questo rende difficile il funzionamento. Per garantire la potenza nominale nel circuito, è saggio utilizzare il condensatore a frequenze inferiori ai valori di risonanza.
- La tensione nominale è Un. Per prevenire la rottura dell'elemento, la tensione di funzionamento è impostata su un valore inferiore alla tensione nominale. Questo è indicato sul corpo del condensatore.
- Polarità. Se collegato in modo errato, si verificherà un guasto e un'avaria.
- Resistenza di isolamento elettrico - Rd. Determina la corrente di dispersione del dispositivo. Nei dispositivi, le parti si trovano vicine l'una all'altra. Correnti di perdita elevate possono causare connessioni parassite nei circuiti. Questo si traduce in malfunzionamenti. La corrente di dispersione compromette le proprietà capacitive dell'elemento.
- Il coefficiente di temperatura - TKE. Il valore determina come la capacità di un dispositivo cambia a causa delle variazioni di temperatura nell'ambiente. Il parametro viene utilizzato quando si progettano dispositivi per l'uso in ambienti difficili.
- Effetto piezo parassita. Alcuni tipi di condensatori creano rumore nei dispositivi quando sono deformati.
Tipi e tipi di condensatori
Gli elementi capacitivi sono classificati secondo il tipo di dielettrico utilizzato nella loro costruzione.
Condensatori di carta e metallo
Gli elementi sono utilizzati in circuiti con tensioni continue o debolmente pulsanti. La semplicità del design si traduce in una stabilità delle caratteristiche inferiore del 10-25% e in un aumento del valore delle perdite.
Nei condensatori di carta, le coperture in foglio di alluminio sono separate dalla carta. I gruppi sono attorcigliati e collocati in un alloggiamento cilindrico o rettangolare a forma di parallelepipedo.
I dispositivi funzionano a temperature di -60...+125°C, con una tensione nominale fino a 1600V per i dispositivi a bassa tensione e oltre 1600V per i dispositivi ad alta tensione, e con una capacità fino a decine di μF.
Nei dispositivi carta-metallo, un sottile strato di metallo è applicato alla carta dielettrica al posto della lamina. Questo aiuta a fare componenti più piccoli. In caso di una piccola rottura, il dielettrico può autoripararsi. Le celle metallo-carta sono inferiori a quelle di carta in termini di resistenza all'isolamento.
Condensatori elettrolitici
La costruzione di questi prodotti è simile a quella dei condensatori di carta. Ma nella fabbricazione delle celle elettrolitiche, la carta è impregnata di ossidi di metallo.
Nei prodotti elettrolitici senza carta, l'ossido è applicato ad un elettrodo metallico. Gli ossidi metallici hanno una conducibilità unidirezionale, il che rende il dispositivo polare.
In alcuni modelli di celle elettrolitiche, le coperture sono fatte con scanalature che aumentano la superficie dell'elettrodo. Gli spazi vuoti tra le piastre vengono eliminati riempiendole di elettrolita. Questo migliora le proprietà capacitive del prodotto.
L'alta capacità dei dispositivi elettrolitici, centinaia di μF, è usata nei filtri per smussare le ondulazioni di tensione.
Alluminio elettrolitico
In questo tipo di strumento, la piastra anodica è fatta di fogli di alluminio. La superficie è rivestita di un ossido di metallo, il dielettrico. Il cuscinetto catodico è un elettrolita solido o liquido, che è selezionato in modo che lo strato di ossido sulla lamina sia rigenerato durante il funzionamento. L'auto-riparazione del dielettrico estende il tempo di funzionamento dell'elemento.
I condensatori di questo tipo richiedono il rispetto della polarità. Invertendo la polarità si strappa la cassa.
I dispositivi che hanno all'interno dei gruppi polari contro-accoppiati sono utilizzati in 2 direzioni. Le celle elettrolitiche in alluminio hanno una capacità fino a diverse migliaia di µF.
Tantalio elettrolitico
L'elettrodo anodico di questi dispositivi è costituito da una struttura porosa, che si ottiene riscaldando fino a 2000°C la polvere di tantalio. Il materiale ha un aspetto simile a una spugna. La porosità aumenta la superficie.
Per mezzo dell'ossidazione elettrochimica, uno strato di pentossido di tantalio spesso fino a 100 nanometri viene applicato all'anodo. Il dielettrico solido è fatto di biossido di manganese. La costruzione finita viene pressata in un composto, una resina speciale.
I prodotti al tantalio sono utilizzati a frequenze di corrente superiori a 100kHz. Le capacità sono costruite fino a centinaia di μF, con tensioni operative fino a 75V.
Polimero
L'elettrolita polimerico solido è usato nei condensatori, il che offre diversi vantaggi:
- la vita utile è estesa a 50.000 ore;
- i parametri vengono mantenuti quando si riscalda;
- una gamma più ampia di ondulazioni di corrente;
- la resistenza dei terminali e degli elettrodi non shuntano la capacità.
Tipo di film
Il dielettrico in questi modelli è una pellicola di teflon, poliestere, fluoroplastica o polipropilene.
Le coperture sono lamine o sputtering di metallo sulla pellicola. Il design è usato per creare assemblaggi multistrato con una maggiore superficie.
I condensatori a film hanno una capacità di centinaia di μF a dimensioni miniaturizzate. A seconda della disposizione degli strati e dei conduttori di contatto, vengono realizzate forme assiali o radiali dei prodotti.
Alcuni modelli hanno una tensione nominale di 2 kV o superiore.
La differenza tra polari e non polari
I design non polari permettono ai condensatori di essere incorporati in un circuito senza tener conto della direzione della corrente. Gli elementi sono utilizzati in filtri per alimentatori AC, amplificatori ad alta frequenza.
I prodotti polari sono collegati in conformità con la marcatura. Se collegato nella direzione opposta, il dispositivo si guasta o non funziona correttamente.
I condensatori polari e non polari di alta e bassa capacità differiscono nel design dielettrico. Nei condensatori elettrolitici, se l'ossido è applicato a 1 elettrodo o 1 lato di carta, pellicola, l'elemento sarà polare.
I modelli di condensatori elettrolitici non polari con ossido di metallo applicato simmetricamente a entrambe le superfici dielettriche sono inclusi nei circuiti AC.
I condensatori polari hanno segni di elettrodi positivi o negativi sull'involucro.
Da cosa dipende la capacità di un condensatore
La funzione e il ruolo principale del condensatore in un circuito è quello di immagazzinare cariche e un ruolo aggiuntivo è quello di prevenire le perdite.
La capacità di un condensatore è direttamente proporzionale alla costante dielettrica del mezzo e all'area delle piastre, e inversamente proporzionale alla distanza tra gli elettrodi. Sorgono due contraddizioni:
- Per aumentare la capacità, gli elettrodi devono essere il più spesso, largo e lungo possibile. Allo stesso tempo la dimensione del dispositivo non deve essere aumentata.
- Per trattenere le cariche e fornire la forza attrattiva necessaria, la distanza tra le piastre deve essere mantenuta la più piccola possibile. Allo stesso tempo la corrente di guasto non deve essere ridotta.
Per risolvere le contraddizioni, gli sviluppatori usano
- strutture multistrato della coppia dielettrico-elettrodo;
- strutture anodiche porose;
- sostituzione della carta con ossidi ed elettroliti;
- collegamento in parallelo degli elementi;
- riempiendo lo spazio libero con sostanze con una costante dielettrica più alta.
Le dimensioni dei condensatori sono sempre più piccole e le caratteristiche migliorano con ogni nuova invenzione.
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