De elektronische componentenbasis voor het ontwerp van elektronische apparaten wordt steeds ingewikkelder. Apparaten worden gecombineerd tot geïntegreerde circuits met gedefinieerde functionaliteit en softwarebesturing. Maar de kern van de ontwikkeling wordt gevormd door de basiselementen: condensatoren, weerstanden, diodes en transistors.
Inhoud
Wat is een condensator?
Een apparaat dat elektriciteit opslaat in de vorm van elektrische ladingen wordt een condensator genoemd.
In de natuurkunde wordt de hoeveelheid elektriciteit of elektrische lading gemeten in coulomb (Cl). Elektrische capaciteit wordt gemeten in farads (F).
Een solitaire geleider met een elektrische capaciteit van 1 farad is een metalen bol met een straal gelijk aan 13 zonnestralingen. Daarom omvat een condensator ten minste 2 geleiders, die van elkaar gescheiden zijn door een diëlektricum. In eenvoudige apparaatontwerpen is het papier.
De werking van een condensator in een gelijkstroomcircuit vindt plaats bij het in- en uitschakelen van de voeding. Alleen tijdens transiënten verandert de potentiaal op de spoelen.
De condensator in een wisselstroomcircuit wordt opgeladen met een frequentie die gelijk is aan de frequentie van de voedingsspanning. Als gevolg van het voortdurend opladen en ontladen vloeit er stroom door het element. Hogere frequentie betekent sneller opladen van het apparaat.
De weerstand van een stroomkring met een condensator is afhankelijk van de frequentie van de stroom. Bij nul DC frequentie neigt de weerstandswaarde naar oneindig. Met toenemende AC-frequentie neemt de weerstand af.
Wanneer condensatoren worden gebruikt
De werking van elektronische, radio- en elektrische apparaten is niet mogelijk zonder condensatoren.
In de elektrotechniek worden zij gebruikt voor faseverschuiving bij het starten van asynchrone motoren. Zonder faseverschuiving zal een driefasige inductiemotor in een alternerend enkelfasig net niet functioneren.
Condensatoren met een capaciteit van enkele farads - ionische condensatoren - worden in elektrische voertuigen gebruikt als motor-energiebron.
Om te begrijpen waarom een condensator nodig is, is het van belang te weten dat 10-12% van de meettoestellen werkt volgens het principe dat de elektrische capaciteit verandert bij veranderingen in de externe omgeving. De capaciteitsresponsie van speciale apparaten wordt gebruikt om:
- het registreren van zwakke bewegingen door de afstand tussen de schelpen te vergroten of te verkleinen;
- die vochtigheid opspoort door veranderingen in de diëlektrische weerstand te registreren;
- het meten van het niveau van een vloeistof die de capaciteit van een element verandert wanneer het gevuld is.
Condensatoren zijn niet meer weg te denken bij het ontwerpen van automaten en relaisbeveiligingen. Sommige beschermingslogica houdt rekening met de overbelastingsveelvoud van het toestel.
Capacitieve elementen worden gebruikt in de circuits van mobiele telefoons, radio- en televisietoestellen. Condensatoren worden gebruikt in:
- Hoog- en laagfrequent versterkers;
- voedingseenheden;
- frequentiefilters;
- geluidsversterkers;
- processors en andere microschakelingen.
Het antwoord op de vraag waar een condensator voor dient, is gemakkelijk te vinden door naar de bedradingsschema's van elektronische apparaten te kijken.
Werkingsprincipe condensator
In een gelijkstroomcircuit worden positieve ladingen verzameld op één plaat en negatieve ladingen op de andere. Door wederzijdse aantrekkingskracht worden de deeltjes in het apparaat bijeengehouden en het diëlektricum tussen de deeltjes verhindert dat zij met elkaar in contact komen. Hoe dunner het diëlektricum, hoe sterker de ladingen met elkaar verbonden zijn.
De condensator neemt de hoeveelheid elektriciteit op die nodig is om de capaciteit te vullen en de stroom stopt.
Met een constante spanning in het circuit houdt het element de lading vast tot de stroom wordt uitgeschakeld. Vervolgens ontlaadt hij zich via de belastingen in het circuit.
Wisselstroom vloeit op een andere manier door een condensator. De eerste ¼ van de oscillatieperiode is het moment van oplading van het toestel. De amplitude van de laadstroom neemt exponentieel af en daalt tot nul tegen het einde van het kwartaal. De EMF bereikt op dit punt een amplitude.
In de tweede ¼ van de periode neemt de EMF af en begint de cel te ontladen. De afname van de EMF in het begin is gering en dat geldt ook voor de ontlaadstroom. Het stijgt volgens dezelfde exponentiële relatie. Aan het eind van de periode is de EMF nul en is de stroom gelijk aan zijn amplitudewaarde.
In de derde ¼ van de oscillatieperiode verandert de EMF van richting, gaat over nul en neemt toe. Het teken van de lading op de spoelen is omgekeerd. De stroom neemt in omvang af en behoudt zijn richting. Op dit punt loopt de elektrische stroom 90° voor op de spanning in fase.
In spoelen gebeurt het omgekeerde: de spanning loopt voor op de stroom. Deze eigenschap komt op de eerste plaats bij de beslissing of RC- of RL-circuits moeten worden gebruikt.
Aan het einde van de cyclus, bij de laatste ¼ van de trilling, daalt de EMF tot nul en bereikt de stroom zijn amplitudewaarde.
"De capaciteit ontlaadt en laadt zich 2 keer per periode op en geleidt een wisselstroom.
Dit is een theoretische beschrijving van de processen. Om te begrijpen hoe een element in een schakeling rechtstreeks in het toestel werkt, berekent u de inductieve en capacitieve weerstand van de schakeling, de parameters van de andere deelnemers, en houdt u rekening met de invloed van de externe omgeving.
Belangrijkste kenmerken en eigenschappen
Condensatorparameters die worden gebruikt bij de bouw en reparatie van elektronische apparaten zijn onder meer:
- Capaciteit - C. Bepaalt de hoeveelheid lading die het apparaat vasthoudt. De waarde van de nominale capaciteit is aangegeven op de behuizing. Cellen worden parallel of in serie geschakeld om de vereiste waarden te verkrijgen. De bedrijfswaarden komen niet overeen met de berekende waarden.
- De resonantiefrequentie is fp. Als de stroomfrequentie hoger is dan de resonantiefrequentie, worden de inductieve eigenschappen van het element duidelijk. Dit maakt de bediening moeilijk. Om het nominale vermogen in de stroomkring te waarborgen, is het verstandig de condensator te gebruiken bij frequenties lager dan de resonantiewaarden.
- De nominale spanning is Un. Om elementbreuk te voorkomen, wordt de bedrijfsspanning lager ingesteld dan de nominale spanning. Dit is aangegeven op de behuizing van de condensator.
- Polariteit. Een verkeerde aansluiting leidt tot storingen en defecten.
- Weerstand tegen elektrische isolatie - Rd. Bepaalt de lekstroom van het apparaat. In apparaten bevinden de onderdelen zich dicht bij elkaar. Hoge lekstromen kunnen parasitaire verbindingen in de circuits veroorzaken. Dit leidt tot storingen. De lekstroom zal de capacitieve eigenschappen van het element aantasten.
- De temperatuurcoëfficiënt - TKE. De waarde bepaalt hoe de capaciteit van een apparaat verandert als gevolg van temperatuurschommelingen in de omgeving. De parameter wordt gebruikt bij het ontwerpen van toestellen voor gebruik in ruwe omgevingen.
- Parasitisch piëzo effect. Sommige soorten condensatoren veroorzaken ruis in apparaten wanneer zij vervormd zijn.
Soorten en types condensatoren
Capacitieve elementen worden ingedeeld volgens het type diëlektricum dat bij hun constructie wordt gebruikt.
Condensatoren van papier en metaal
Elementen worden gebruikt in circuits met gelijkstroom of zwak pulserende spanningen. De eenvoud van het ontwerp leidt tot een 10-25% lagere stabiliteit van de karakteristieken en een hogere waarde van de verliezen.
In papiercondensatoren worden de deksels van aluminiumfolie gescheiden door papier. De assemblages worden gedraaid en in een cilindrische of rechthoekige parallellepipedumvormige behuizing geplaatst.
De apparaten werken bij temperaturen van -60...+125°C, met een nominale spanning tot 1600V voor laagspanningsapparaten, en meer dan 1600V voor hoogspanningsapparaten, en met een capaciteit tot tientallen μF.
In papier-metaalinrichtingen wordt in plaats van folie een dunne laag metaal op het diëlektrische papier aangebracht. Dit helpt om kleinere elementen te maken. In geval van een kleine storing kan het diëlektricum zichzelf herstellen. Metaal-papiercellen zijn inferieur aan papiercellen wat de isolatieweerstand betreft.
Elektrolytische condensatoren
De constructie van deze producten is vergelijkbaar met die van papiercondensatoren. Maar bij de vervaardiging van elektrolytische cellen wordt papier geïmpregneerd met metaaloxiden.
In een elektrolyt zonder papier wordt het oxide op een metalen elektrode aangebracht. Metaaloxiden hebben een eenrichtingsgeleidingsvermogen, wat het apparaat polair maakt.
Bij sommige elektrolytische celmodellen zijn de deksels voorzien van groeven die het oppervlak van de elektrode vergroten. De openingen tussen de platen worden weggewerkt door ze te vullen met elektrolyt. Dit verbetert de capacitieve eigenschappen van het product.
De hoge capaciteit van elektrolytische elementen, honderden μF, wordt in filters gebruikt om spanningsrimpels af te vlakken.
Elektrolytisch aluminium
Bij dit type instrument is de anodeplaat gemaakt van aluminiumfolie. Het oppervlak is bekleed met een metaaloxide, het diëlektricum. Het kathodekussentje is een vaste of vloeibare elektrolyt, die zo wordt gekozen dat de oxidelaag op de folie tijdens de werking wordt geregenereerd. Zelfherstel van het diëlektricum verlengt de bedrijfstijd van het element.
Condensatoren van dit ontwerp moeten de polariteit in acht nemen. Als u de polariteit omdraait, scheurt de behuizing.
Apparaten met tegengekoppelde polaire assemblages binnenin worden in 2 richtingen gebruikt. Elektrolytische cellen van aluminium hebben een capaciteit tot enkele duizenden µF.
Tantaal elektrolytisch
De anode-elektrode van deze toestellen is gemaakt van een poreuze structuur, die wordt verkregen door verhitting tot 2000°C van tantaalpoeder. Het materiaal ziet er uit als een spons. De porositeit vergroot het oppervlak.
Door middel van elektrochemische oxidatie wordt een tot 100 nanometer dikke laag tantaalpentoxide op de anode aangebracht. Het vaste diëlektricum is gemaakt van mangaandioxide. De afgewerkte constructie wordt geperst in een compound, een speciale hars.
Tantaalproducten worden gebruikt bij stroomfrequenties boven 100kHz. Capaciteiten worden opgebouwd tot honderden μF, met bedrijfsspanningen tot 75V.
Polymeer
In condensatoren wordt vast polymeer-elektrolyt gebruikt, dat verscheidene voordelen biedt:
- levensduur wordt verlengd tot 50.000 uur;
- parameters worden gehandhaafd bij verhitting;
- breder bereik van stroomrimpel;
- weerstand van terminals en elektroden geen shuntcapaciteit.
Type film
Diëlektricum in deze modellen is Teflon, polyester, fluoroplastic of polypropyleen film.
De afdekkingen zijn folie of metaal dat op de folie sputtert. Het ontwerp wordt gebruikt om meerlaagse assemblages te maken met een groter oppervlak.
Filmcondensatoren hebben een capaciteit van honderden μF bij miniatuurafmetingen. Afhankelijk van de rangschikking van de lagen en de contactdraden, worden axiale of radiale vormen van de producten gemaakt.
Sommige modellen hebben een nominale spanning van 2 kV of hoger.
Het verschil tussen polair en niet-polair
Bij niet-polaire ontwerpen kunnen condensatoren in een circuit worden opgenomen zonder rekening te houden met de stroomrichting. De elementen worden gebruikt in filters voor wisselstroomvoedingen, hoogfrequente versterkers.
Polaire producten worden aangesloten in overeenstemming met de markering. Indien in tegengestelde richting aangesloten, zal het toestel uitvallen of niet goed werken.
Polaire en apolaire condensatoren van hoge en lage capaciteit verschillen in diëlektrisch ontwerp. In elektrolytische condensatoren, als het oxide op 1 elektrode of 1 zijde van papier, film wordt aangebracht, zal het element polair zijn.
Niet-polaire elektrolytische condensatormodellen met metaaloxide symmetrisch aangebracht op beide diëlektrische oppervlakken zijn opgenomen in AC-circuits.
Polaire condensatoren zijn gemarkeerd als positieve of negatieve elektroden op de behuizing.
Waar de capaciteit van een condensator van afhangt
De belangrijkste functie en rol van de condensator in een stroomkring is het opslaan van ladingen en een bijkomende rol is het voorkomen van lekken.
De capaciteit van een condensator is recht evenredig met de diëlektrische constante van het medium en de oppervlakte van de platen, en omgekeerd evenredig met de afstand tussen de elektroden. Er ontstaan twee tegenstrijdigheden:
- Om de capaciteit te verhogen, moeten de elektroden zo dik, breed en lang mogelijk zijn. Tegelijkertijd mag de omvang van het apparaat niet worden vergroot.
- Om de ladingen vast te houden en voor de nodige aantrekkingskracht te zorgen, moet de afstand tussen de platen zo klein mogelijk worden gehouden. Tegelijkertijd mag de doorslagstroom niet worden verlaagd.
Om de tegenstrijdigheden op te lossen, gebruiken de ontwikkelaars
- meerlaagse structuren van het diëlektrisch-elektrode paar;
- poreuze anode structuren;
- vervanging van papier door oxiden en elektrolyten;
- parallelle verbinding van elementen;
- het vullen van de vrije ruimte met stoffen met een hogere diëlektrische constante.
De afmetingen van condensatoren worden kleiner en de eigenschappen worden met elke nieuwe uitvinding beter.
Verwante artikelen:
