電子機器を設計するための要素ベースはますます複雑になっています。デバイスは、指定された機能とソフトウェア制御を備えた集積回路に結合されます。しかし、開発の中心にあるのは、コンデンサ、抵抗器、ダイオード、トランジスタなどの基本的なデバイスです。
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コンデンサとは
電気を電荷の形で蓄える装置をコンデンサと呼びます。
物理学における電気または電荷の量は、クーロン (Cl) で測定されます。電気容量はファラッド (F) でカウントされます。
1 ファラッドの電気容量を持つ単独導体は、13 太陽半径に等しい半径を持つ金属球です。したがって、コンデンサには、誘電体によって分離された少なくとも 2 つの導体が含まれます。シンプルなデザインでは、デバイスは紙です。
直流回路のコンデンサは、電源のオンオフで動作します。コイルの電位が変化するのは、トランジェントの間だけです。
AC回路のコンデンサは、電源電圧の周波数に等しい周波数で再充電されます。充放電を繰り返すことで素子に電流が流れます。周波数が高いほど、デバイスの充電が速くなります。
コンデンサを含む回路の抵抗は、電流の周波数に依存します。 DC 周波数がゼロの場合、抵抗値は無限大になる傾向があります。 AC 周波数が増加すると、抵抗は減少します。
コンデンサが使用されている場所
電子、ラジオ、および電気機器の操作は、コンデンサなしでは不可能です。
電気工学では、非同期モーターを始動するときに位相をシフトするために使用されます。位相シフトがなければ、交流単相ネットワークの三相誘導電動機は機能しません。
数ファラッドの静電容量を持つコンデンサは、電気自動車のモーター電源として使用されるイオン コンデンサです。
コンデンサが必要な理由を理解するには、測定デバイスの 10 ～ 12% が、外部環境パラメータが変化したときに静電容量を変化させるという原理に基づいて動作することを知っておく必要があります。特別なデバイスの静電容量応答は、次の目的で使用されます。
- シェル間の距離の増減による弱い動きの記録。
- 誘電抵抗の変化を記録することによる湿度の決定;
- 液体のレベルを測定します。これにより、要素が満たされたときに要素の容量が変化します。
コンデンサなしでオートマチックとリレー保護を設計することを想像するのは困難です。一部の保護ロジックでは、デバイスの再充電の多重度が考慮されます。
容量性素子は、移動体通信機器、ラジオ、テレビ機器の回路に使用されています。コンデンサは次の用途に使用されます。
- 高周波および低周波増幅器;
- 電源装置;
- 周波数フィルター;
- サウンドアンプ;
- プロセッサおよびその他のマイクロ回路。
電子機器の配線図を見れば、コンデンサとは何かという疑問に対する答えを簡単に見つけることができます。
コンデンサの仕組み
DC 回路では、プラスの電荷が一方のプレートに集められ、マイナスの電荷がもう一方のプレートに集められます。相互引力により、粒子はデバイス内で一緒に保持され、粒子間の誘電体が結合を防ぎます。誘電体が薄いほど、電荷は強く結合します。
コンデンサは、静電容量を満たすのに必要な量の電気を受け取り、電流は止まります。
回路内の電圧が一定の場合、素子は電源がオフになるまで電荷を保持します。その後、回路内の負荷を通して放電します。
コンデンサを通る交流電流は、異なる動きをします。振動の最初の ¼ 周期は、デバイスの充電の瞬間です。充電電流の振幅は指数関数的に減少し、四半期の終わりまでにゼロに減少します。この時点でEMFは振幅に達します。
期間の 2 番目の 1/4 では、EMF が減少し、セルは放電を開始します。最初のEMFの減少は小さく、放電電流もそうです。同じ指数依存性に従って増加します。期間の終わりまでに EMF はゼロに等しくなり、電流は振幅値に等しくなります。
振動周期の 3 番目の 1/4 で、EMF は方向を変え、ゼロを通過して増加します。端子の電荷の符号が逆になります。電流の大きさが減少し、その方向を維持します。この時点で、電流は電圧より 90°位相が進んでいます。
インダクタンス コイルでは逆のことが起こります。つまり、電圧が電流よりも進んでいます。この特性は、RC 回路を使用するか RL 回路を使用するかの選択の最前線にあります。
振動の最後の 1/4 でのサイクルの終わりに、EMF はゼロに低下し、電流は振幅値に達します。
「静電容量」は、1周期に2回の放電と充電を繰り返し、交流電流を流します。
これは、プロセスの理論的な説明です。回路内の要素がデバイス内で直接どのように機能するかを理解するには、回路の誘導抵抗と容量抵抗、他の関係者のパラメーターを計算し、外部環境の影響を考慮します。
基本特性と性質
電子機器の製造および修理に使用されるコンデンサのパラメータには、次のものがあります。
- 静電容量 - C. デバイスが保持する電荷の量を決定します。定格容量の値はケースに表示されています。必要な値を作成するために、セルを並列または直列に回路に接続します。運用値は計算値と同じではありません。
- 共振周波数は fp です。電流周波数が共振周波数よりも高い場合、要素の誘導特性が明らかになります。これにより、操作が困難になります。回路に定格電力を供給するには、共振値よりも低い周波数でコンデンサを使用するのが賢明です。
- 定格電圧は Un です。素子の破壊を防ぐため、動作電圧を定格電圧より低く設定しています。これはコンデンサのケースに表示されています。
- 極性。接続を誤ると故障・故障の原因となります。
- 電気絶縁抵抗 - Rd。デバイスの漏れ電流を決定します。デバイスでは、パーツは互いに近くに配置されています。漏れ電流が大きい場合、回路内の寄生結合が発生する可能性があります。誤動作の原因となります。漏れ電流は、素子の容量特性を低下させます。
- 温度係数 - TKE。この値は、媒体の温度が変動したときにデバイスの静電容量がどのように変化するかを決定します。このパラメータは、過酷な環境で使用するデバイスを設計するときに使用されます。
- 寄生ピエゾ効果。コンデンサの種類によっては、変形するとデバイスにノイズが発生することがあります。
コンデンサの種類と種類
容量素子は、設計に使用される誘電体の種類によって分類されます。
紙および金属コンデンサ
エレメントは、DC または微弱な脈動電圧を伴う回路で使用されます。設計が単純であるため、パフォーマンスの安定性が 10 ～ 25% 低下し、損失が増加します。
紙コンデンサは、アルミ箔のカバーが紙で区切られています。アセンブリはねじられ、円筒形または直方体のケースに入れられます。
デバイスは、-60 ... +125°C の温度で動作し、低電圧デバイスの定格電圧は最大 1600V、高電圧デバイスの定格電圧は 1600V を超え、容量は最大数十 μF です。
金属紙デバイスでは、ホイルの代わりに、金属の薄い層が誘電体紙に適用されます。これは、より小さな要素を作成するのに役立ちます。重大な故障が発生した場合、誘電体は自己修復する可能性があります。金属紙セルは、紙セルに比べて絶縁抵抗が劣ります。
電解コンデンサ
製品のデザインは紙コンデンサに似ています。しかし、電解セルの製造では、紙に金属酸化物が含浸されます。
ペーパーレス電解質製品では、酸化物は金属電極に適用されます。金属酸化物は一方向の導電性を持ち、デバイスを極性にします。
電解セルの一部のモデルでは、カバーに電極の表面積を増やす溝が付いています。プレート間の隙間は、電解液を注入することで解消されます。これにより、製品の容量特性が向上します。
数百 μF の電解デバイスの大きな静電容量は、電圧リップルを平滑化するためにフィルターで使用されます。
アルミ電解。
このタイプの装置では、陽極ライニングはアルミホイルでできています。表面は金属酸化物誘電体でコーティングされています。カソードパッドは固体または液体の電解質であり、動作中に箔上の酸化物層が再生されるように選択されます。誘電体の自己修復により、エレメントの動作時間が延長されます。
この設計のコンデンサでは、極性を確認する必要があります。極性を逆にするとケースが破れます。
内部にカウンターシーケンシャル極性アセンブリを備えたデバイスは、2 方向で使用されます。アルミ電解セルの容量は数千μFに達します。
タンタル電解
このようなデバイスのアノード電極は、タンタル粉末を 2000°C まで加熱することによって得られる多孔質構造でできています。材質はスポンジのような外観です。多孔性により、表面積が増加します。
電気化学的酸化によって、最大 100 ナノメートルの厚さの五酸化タンタルの層がアノード上に堆積します。固体誘電体は二酸化マンガンでできています。完成した構造は、特殊な樹脂であるコンパウンドに圧入されます。
タンタル製品は、100 kHz を超える電流周波数で使用されます。最大数百 μF の静電容量が生成され、動作電圧は最大 75 V です。
ポリマー
コンデンサは、多くの利点を提供する固体ポリマー電解質を使用します。
- 耐用年数は最大5万時間延長されます。
- 加熱してもパラメータは維持されます。
- 電流リップルの広い範囲;
- ピンと端子の抵抗はシャント容量ではありません。
映画
これらのモデルの誘電体は、テフロン、ポリエステル、フッ素樹脂、またはポリプロピレン フィルムです。
カバーは、フィルム上にホイルまたは金属をスパッタリングしたものです。この設計は、表面積が増加した多層アセンブリを作成するために使用されます。
フィルムコンデンサは、小型サイズで数百μFの容量があります。層とコンタクトリードの配置に応じて、製品の軸方向または放射状の形状が作成されます。
定格電圧が2kV以上の機種もあります。
極性と非極性の違いは何ですか
無極性コンデンサを使用すると、電流の方向に関係なく回路に含めることができます。要素は、交流電源のフィルター、高周波の増幅器に使用されます。
Polar 製品はマーキングに従って接続されます。反対方向に接続すると、デバイスが故障したり、正常に動作しなくなります。
高容量と低容量の極性コンデンサと無極性コンデンサは、誘電体の設計が異なります。電解コンデンサでは、酸化物が 1 つの電極または紙、フィルムの 1 つの面に適用される場合、要素は極性になります。
誘電体の両面に金属酸化物を対称的に適用した無極性電解コンデンサのモデルは、交流回路に含まれます。
有極性コンデンサは、ケースに正または負の電極としてマークされています。
コンデンサの静電容量が依存するもの
回路内のコンデンサの主な機能と役割は電荷を蓄積することであり、追加の役割は漏れを防ぐことです。
コンデンサの静電容量は、媒体の誘電率とプレートの面積に正比例し、電極間の距離に反比例します。 2 つの矛盾が生じます。
- 静電容量を大きくするには、電極をできるだけ厚く、広く、長くする必要があります。同時に、デバイスのサイズを大きくすることはできません。
- 電荷を保持し、必要な引力を提供するために、プレート間の距離は最小限に抑えられています。同時に、ブレークダウン電流を減らすことはできません。
矛盾を解決するために、開発者は以下を使用します。
- 誘電体と電極のペアの多層構造。
- 多孔性アノード構造;
- 酸化物と電解質による紙の交換;
- 要素の並行包含;
- 誘電率が増加した物質で自由空間を満たします。
コンデンサのサイズは小さくなり、新しい発明のたびに特性が向上しています。
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