Elektronisko komponentu bāze elektronisko ierīču projektēšanai kļūst arvien sarežģītāka. Ierīces tiek apvienotas integrālās shēmās ar noteiktu funkcionalitāti un programmatūras vadību. Taču izstrādes pamatā ir pamata ierīces: kondensatori, rezistori, diodes un tranzistori.
Saturs
Kas ir kondensators?
Ierīci, kas glabā elektroenerģiju elektrisko lādiņu veidā, sauc par kondensatoru.
Fizikā elektrības vai elektriskā lādiņa daudzumu mēra kulonos (Cl). Elektrisko kapacitāti mēra farados (F).
Atsevišķs vadītājs ar elektrisko kapacitāti 1 farads ir metāla lodīte, kuras rādiuss ir vienāds ar 13 Saules stariem. Tāpēc kondensatorā ir vismaz 2 vadītāji, kurus atdala dielektriķis. Vienkāršā dizainā ierīce ir papīrs.
Kondensatora darbība līdzstrāvas ķēdē notiek, kad tiek ieslēgts un izslēgts barošanas avots. Tikai pārejas periodu laikā potenciāls uz spolēm mainās.
Kondensatoru maiņstrāvas ķēdē uzlādē ar frekvenci, kas ir vienāda ar barošanas sprieguma frekvenci. Nepārtrauktas uzlādes un izlādes rezultātā caur elementu plūst strāva. Augstāka frekvence nozīmē ātrāku ierīces uzlādi.
Ķēdes ar kondensatoru pretestība ir atkarīga no strāvas frekvences. Pie nulles līdzstrāvas frekvences pretestības vērtība tiecas uz bezgalību. Pieaugot maiņstrāvas frekvencei, pretestība samazinās.
Ja tiek izmantoti kondensatori
Elektronisko, radio un elektrisko ierīču darbība nav iespējama bez kondensatoriem.
Elektrotehnikā tos izmanto fāžu maiņai, iedarbinot asinhronos motorus. Bez fāžu maiņas trīsfāžu indukcijas motors maiņstrāvas vienfāzu tīklā nedarbosies.
Kondensatorus ar vairāku faradu kapacitāti - jonu kondensatorus - izmanto elektriskajos transportlīdzekļos kā motoru enerģijas avotus.
Lai saprastu, kāpēc ir nepieciešams kondensators, ir svarīgi zināt, ka 10-12% mērierīču darbojas pēc principa, kad, mainoties ārējai videi, mainās elektriskā kapacitāte. Īpašu ierīču kapacitātes reakcija tiek izmantota, lai:
- reģistrē vājas kustības, palielinot vai samazinot attālumu starp čaulām;
- nosaka mitrumu, reģistrējot dielektriskās pretestības izmaiņas;
- šķidruma līmeņa mērīšana, kas maina elementa kapacitāti, kad tas ir piepildīts.
Ir grūti iedomāties automātikas un releju aizsardzības projektēšanu bez kondensatoriem. Dažas aizsardzības loģika ņem vērā ierīces pārlādes daudzkārtību.
Kapacitatīvie elementi tiek izmantoti mobilo telefonu, radio un televīzijas ierīču shēmās. Kondensatorus izmanto:
- Augstfrekvenču un zemfrekvenču pastiprinātāji;
- barošanas bloki;
- frekvenču filtri;
- skaņas pastiprinātāji;
- procesori un citas mikroshēmas.
Atbildi uz jautājumu, kādam nolūkam ir paredzēts kondensators, ir viegli atrast, aplūkojot elektronisko ierīču elektroinstalāciju shēmas.
Kondensatora princips
Līdzstrāvas ķēdē pozitīvie lādiņi tiek uzkrāti uz vienas plates un negatīvie lādiņi - uz otras. Savstarpējās pievilkšanās dēļ daļiņas tiek turētas kopā ierīcē, un dielektriķis starp tām neļauj tām savienoties. Jo plānāks dielektriķis, jo spēcīgāk ir savienoti lādiņi.
Kondensatorā tiek ievadīts tik daudz elektrības, cik nepieciešams, lai piepildītu kapacitāti, un strāva apstājas.
Ja ķēdē ir nemainīgs spriegums, elements saglabā lādiņu, līdz tiek izslēgta strāva. Pēc tam tas izlādējas, izmantojot ķēdes slodzes.
Maiņstrāva caur kondensatoru plūst citādā veidā. Pirmā ¼ daļa no svārstību perioda ir ierīces uzlādes moments. Uzlādes strāvas amplitūda eksponenciāli samazinās un līdz ceturkšņa beigām samazinās līdz nullei. Šajā punktā EML sasniedz amplitūdu.
Otrajā ¼ perioda daļā EML samazinās, un šūna sāk izlādi. EMF samazinājums sākumā ir neliels, tāpat kā izlādes strāva. Tā pieaug saskaņā ar to pašu eksponenciālo sakarību. Perioda beigās EML ir nulle un strāva ir vienāda ar tās amplitūdas vērtību.
Svārstību perioda trešajā ¼ daļā EML maina virzienu, pārsniedz nulli un palielinās. Uz spoles esošā lādiņa zīme ir apgriezta. Strāvas lielums samazinās un saglabā savu virzienu. Šajā brīdī elektriskā strāva ir 90° priekšā spriegumam fāzē.
Pretējais notiek induktoros: spriegums apsteidz strāvu. Šī īpašība ir pirmajā vietā, pieņemot lēmumu par to, vai izmantot RC vai RL ķēdes.
Cikla beigās, svārstību pēdējā ¼ daļā, EML samazinās līdz nullei un strāva sasniedz savu amplitūdas vērtību.
"Kapacitāte izlādējas un uzlādējas 2 reizes periodā un vada maiņstrāvu.
Šis ir teorētisks procesu apraksts. Lai saprastu, kā ķēdes elements darbojas tieši ierīcē, aprēķiniet ķēdes induktīvo un kapacitatīvo pretestību, citu dalībnieku parametrus un ņemiet vērā ārējās vides ietekmi.
Galvenie raksturlielumi un īpašības
Kondensatoru parametri, ko izmanto elektronisko ierīču izgatavošanā un remontā, ir šādi:
- Kapacitāte - C. Nosaka lādiņa daudzumu, ko ierīce satur. Nominālās kapacitātes vērtība ir norādīta uz korpusa. Šūnas tiek savienotas paralēli vai virknē, lai radītu vajadzīgās vērtības. Darbības vērtības nesakrīt ar aprēķinātajām vērtībām.
- Rezonanses frekvence ir fp. Ja strāvas frekvence ir augstāka par rezonanses frekvenci, izpaužas elementa induktīvās īpašības. Tas apgrūtina darbību. Lai ķēdē nodrošinātu nominālo jaudu, kondensatoru ir lietderīgi izmantot frekvencēs, kas ir mazākas par rezonanses vērtībām.
- Nominālais spriegums ir Un. Lai novērstu elementu bojājumus, darba spriegums ir iestatīts zemāks par nominālo spriegumu. Tas ir norādīts uz kondensatora korpusa.
- Polaritāte. Nepareizi pieslēdzot, var rasties bojājums un kļūme.
- Elektriskās izolācijas pretestība - Rd. Nosaka ierīces noplūdes strāvu. Ierīcēs detaļas ir izvietotas tuvu viena otrai. Lielas noplūdes strāvas var izraisīt parazītiskus savienojumus ķēdēs. Tā rezultātā rodas darbības traucējumi. Noplūdes strāva pasliktina elementa kapacitatīvās īpašības.
- Temperatūras koeficients - TKE. Vērtība nosaka, kā mainās ierīces kapacitāte apkārtējās vides temperatūras svārstību dēļ. Šo parametru izmanto, izstrādājot ierīces lietošanai skarbos apstākļos.
- Parazītiskais pjezoefekts. Daži kondensatoru veidi rada troksni ierīcēs, kad tie tiek deformēti.
Kondensatoru veidi un tipi
Kapacitatīvos elementus klasificē pēc to konstrukcijā izmantotā dielektrika tipa.
Papīra un metāla kondensatori
Elementi tiek izmantoti ķēdēs ar līdzstrāvas vai vāji pulsējošu spriegumu. Konstrukcijas vienkāršības dēļ raksturlielumu stabilitāte ir par 10-25% zemāka un palielinās zudumu vērtība.
Papīra kondensatoriem alumīnija folijas vāki ir atdalīti ar papīru. Mezgli ir savīti un ievietoti cilindriskā vai taisnstūra paralēleipēda formas korpusā.
Ierīces darbojas temperatūrā no -60°C līdz 125°C, ar nominālo spriegumu līdz 1600 V zemsprieguma ierīcēm un virs 1600 V augstsprieguma ierīcēm, un ar jaudu līdz pat desmitiem μF.
Papīra-metāla ierīcēs uz dielektriskā papīra folijas vietā tiek uzklāts plāns metāla slānis. Tas palīdz izveidot mazākus elementus. Neliela bojājuma gadījumā dielektriķis var atjaunoties pats. Metāla-papīra šūnas ir zemākas par papīra šūnām izolācijas pretestības ziņā.
Elektrolītiskie kondensatori
Šo izstrādājumu konstrukcija ir līdzīga papīra kondensatoriem. Bet elektrolītisko elementu ražošanā papīru impregnē ar metālu oksīdiem.
Bezpapīra elektrolītu izstrādājumos oksīds tiek uzklāts uz metāla elektroda. Metālu oksīdiem ir vienvirziena vadītspēja, kas padara ierīci polāru.
Dažos elektrolītisko elementu modeļos vāciņi ir izgatavoti ar rievām, kas palielina elektroda virsmas laukumu. Spraugas starp plāksnēm tiek novērstas, aizpildot tās ar elektrolītu. Tas uzlabo izstrādājuma kapacitatīvās īpašības.
Elektrolītisko ierīču lielo kapacitāti - simtiem μF - izmanto filtros, lai izlīdzinātu sprieguma svārstības.
Alumīnija elektrolītiskais
Šāda tipa instrumentiem anoda plāksne ir izgatavota no alumīnija folijas. Virsma ir pārklāta ar metāla oksīdu - dielektriķi. Katoda spilventiņš ir ciets vai šķidrs elektrolīts, kas ir izvēlēts tā, lai darbības laikā uz folijas esošais oksīda slānis tiktu reģenerēts. Dielektriķa pašatjaunošanās paildzina elementa darbības laiku.
Šīs konstrukcijas kondensatoriem ir jāievēro polaritāte. Apgriežot polaritāti pretējā virzienā, tiek saplēsts korpuss.
Ierīces, kuru iekšpusē ir pretēji savienoti polārie bloki, tiek izmantotas 2 virzienos. Alumīnija elektrolītisko elementu kapacitāte ir līdz vairākiem tūkstošiem µF.
Tantāla elektrolītiskais
Šo ierīču anoda elektrods ir izgatavots no porainas struktūras, ko iegūst, karsējot tantala pulveri līdz 2000°C. Materiālam ir sūklim līdzīgs izskats. Porainība palielina virsmas laukumu.
Izmantojot elektroķīmisko oksidāciju, uz anoda uzklāj līdz 100 nanometru biezu tantala pentoksīda slāni. Cietais dielektriķis ir izgatavots no mangāna dioksīda. Gatavā konstrukcija tiek iespiesta savienojumā, īpašā sveķī.
Tantāla izstrādājumi tiek izmantoti strāvas frekvencēs virs 100 kHz. Kapacitātes ir veidotas līdz pat simtiem μF, ar darba spriegumu līdz 75 V.
Polimērs
Kondensatoros izmanto cieto polimēru elektrolītu, kam ir vairākas priekšrocības:
- kalpošanas laiks ir pagarināts līdz 50 000 stundām;
- parametri tiek saglabāti, kad tiek uzkarsēts;
- plašāks strāvas pulsāciju diapazons;
- spaiļu un elektrodu pretestība nenovirza jaudu.
Filmas veids
Dielektriķis šajos modeļos ir teflona, poliestera, fluoroplasta vai polipropilēna plēve.
Pārsegi ir folija vai metāla izsmidzināšana uz plēves. Dizains tiek izmantots, lai izveidotu daudzslāņu mezglus ar palielinātu virsmas laukumu.
Plēves kondensatoriem ir simtiem μF ietilpība pie miniatūras izmēra. Atkarībā no slāņu un kontaktvadu izvietojuma tiek veidoti aksiālas vai radiālas formas izstrādājumi.
Dažu modeļu nominālais spriegums ir 2 kV vai lielāks.
Atšķirība starp polāro un nepolāro
Nepolārie modeļi ļauj kondensatorus iekļaut ķēdē, neņemot vērā strāvas virzienu. Elementi tiek izmantoti maiņstrāvas barošanas avotu, augstfrekvences pastiprinātāju filtros.
Polārie izstrādājumi ir savienoti saskaņā ar marķējumu. Ja ierīce ir pieslēgta pretējā virzienā, tā nedarbosies vai darbosies nepareizi.
Polārie un nepolārie kondensatori ar lielu un mazu ietilpību atšķiras pēc dielektriķa konstrukcijas. Ja elektrolītiskajos kondensatoros oksīds tiek uzklāts uz 1 elektroda vai papīra, plēves 1 puses, elements būs polārs.
Maiņstrāvas ķēdēs ir iekļauti nepolāro elektrolītisko kondensatoru modeļi ar metāla oksīdu, kas simetriski uzklāts uz abām dielektriskām virsmām.
Polārie kondensatori uz korpusa ir marķēti kā pozitīvi vai negatīvi elektrodi.
No kā ir atkarīga kondensatora kapacitāte
Kondensatora galvenā funkcija un loma ķēdē ir uzglabāt lādiņus, un papildu loma ir novērst noplūdi.
Kondensatora kapacitāte ir tieši proporcionāla materiāla dielektriskajai konstantei un plākšņu laukumam un apgriezti proporcionāla attālumam starp elektrodiem. Rodas divas pretrunas:
- Lai palielinātu kapacitāti, elektrodiem jābūt pēc iespējas biezākiem, platākiem un garākiem. Tajā pašā laikā nedrīkst palielināt ierīces izmēru.
- Lai noturētu lādiņus un nodrošinātu nepieciešamo pievilkšanas spēku, attālumam starp plāksnēm jābūt pēc iespējas mazākam. Tajā pašā laikā sadalīšanās strāva nedrīkst samazināties.
Lai atrisinātu pretrunas, izstrādātāji izmanto
- dielektriķa-elektroda pāra daudzslāņu struktūras;
- porainas anoda struktūras;
- papīra aizstāšana ar oksīdiem un elektrolītiem;
- paralēls elementu savienojums;
- brīvās telpas aizpildīšana ar vielām ar augstāku dielektrisko konstanti.
Kondensatoru izmēri kļūst arvien mazāki, un ar katru jaunu izgudrojumu uzlabojas arī to īpašības.
Saistītie raksti:
