Baza komponentów elektronicznych do projektowania urządzeń elektronicznych staje się coraz bardziej skomplikowana. Urządzenia są łączone w układy scalone o określonej funkcjonalności i sterowane programowo. Jednak w centrum rozwoju znajdują się podstawowe urządzenia: kondensatory, rezystory, diody i tranzystory.
Spis treści
Co to jest kondensator?
Urządzenie, które przechowuje energię elektryczną w postaci ładunków elektrycznych, nazywa się kondensatorem.
W fizyce ilość energii elektrycznej lub ładunku elektrycznego mierzy się w kulombach (Cl). Pojemność elektryczną mierzy się w faradach (F).
Samotnym przewodnikiem o pojemności elektrycznej 1 farada jest metalowa kula o promieniu równym 13 promieniom słonecznym. Dlatego kondensator zawiera co najmniej 2 przewodniki oddzielone dielektrykiem. W prostych konstrukcjach urządzeń jest to papier.
Praca kondensatora w obwodzie prądu stałego odbywa się przy włączonym i wyłączonym zasilaniu. Tylko podczas stanów nieustalonych zmienia się potencjał na cewkach.
Kondensator w obwodzie prądu przemiennego jest ładowany z częstotliwością równą częstotliwości napięcia zasilającego. W wyniku ciągłego ładowania i rozładowywania przez element płynie prąd. Wyższa częstotliwość oznacza szybsze ładowanie urządzenia.
Rezystancja obwodu z kondensatorem zależy od częstotliwości prądu. Przy zerowej częstotliwości prądu stałego wartość rezystancji dąży do nieskończoności. Wraz ze wzrostem częstotliwości prądu zmiennego maleje rezystancja.
Tam, gdzie stosowane są kondensatory
Działanie urządzeń elektronicznych, radiowych i elektrycznych nie jest możliwe bez kondensatorów.
W elektrotechnice są one stosowane do przesuwania fazy przy rozruchu silników asynchronicznych. Bez przesunięcia fazowego trójfazowy silnik indukcyjny w sieci jednofazowej nie będzie działał.
Kondensatory o pojemności kilku faradów - kondensatory jonowe - są stosowane w pojazdach elektrycznych jako źródła zasilania silnika.
Aby zrozumieć, dlaczego kondensator jest potrzebny, należy wiedzieć, że 10-12% urządzeń pomiarowych działa na zasadzie zmiany pojemności elektrycznej wraz ze zmianami w środowisku zewnętrznym. Reakcja pojemnościowa specjalnych urządzeń jest wykorzystywana do:
- rejestrowanie słabych ruchów przez zwiększanie lub zmniejszanie odległości między muszlami;
- wykrywanie wilgotności poprzez rejestrowanie zmian rezystancji dielektrycznej;
- pomiar poziomu cieczy, która zmienia pojemność elementu po napełnieniu.
Trudno sobie wyobrazić projektowanie automatyki i zabezpieczeń przekaźnikowych bez kondensatorów. Niektóre układy logiczne uwzględniają wielokrotność przeładowania urządzenia.
Elementy pojemnościowe są stosowane w obwodach telefonów komórkowych, urządzeń radiowych i telewizyjnych. Kondensatory są stosowane w:
- Wzmacniacze wysokich i niskich częstotliwości;
- zasilacze;
- filtry częstotliwości;
- wzmacniacze dźwięku;
- procesory i inne mikroukłady.
Odpowiedź na pytanie, do czego służy kondensator, można łatwo znaleźć, przeglądając schematy elektryczne urządzeń elektronicznych.
Zasada działania kondensatora
W obwodzie prądu stałego na jednej płytce gromadzą się ładunki dodatnie, a na drugiej ujemne. Dzięki wzajemnemu przyciąganiu cząsteczki są utrzymywane razem w urządzeniu, a znajdujący się między nimi dielektryk uniemożliwia ich połączenie. Im cieńszy dielektryk, tym silniej połączone są ładunki.
Kondensator pobiera ilość energii elektrycznej niezbędną do wypełnienia pojemności i prąd się zatrzymuje.
Przy stałym napięciu w obwodzie element utrzymuje ładunek do momentu wyłączenia zasilania. Następnie rozładowuje się poprzez obciążenia w obwodzie.
Prąd zmienny przepływa przez kondensator w inny sposób. Pierwsza ¼ okresu oscylacji to moment naładowania urządzenia. Amplituda prądu ładowania maleje wykładniczo i spada do zera pod koniec kwartału. W tym momencie EMF osiąga amplitudę.
W drugiej ¼ okresu EMF maleje i ogniwo zaczyna się rozładowywać. Spadek EMF na początku jest niewielki, podobnie jak prąd rozładowania. Wzrasta on zgodnie z tą samą zależnością wykładniczą. Pod koniec okresu EMF wynosi zero, a prąd jest równy wartości amplitudy.
W trzeciej ¼ okresu oscylacji EMF zmienia kierunek, przekracza zero i wzrasta. Znak ładunku na cewkach jest odwrócony. Natężenie prądu maleje, a jego kierunek pozostaje niezmieniony. W tym momencie natężenie prądu elektrycznego wyprzedza napięcie o 90°.
W cewkach indukcyjnych jest odwrotnie: napięcie wyprzedza prąd. Ta właściwość jest najważniejsza przy podejmowaniu decyzji, czy użyć obwodów RC czy RL.
Na końcu cyklu, w ostatniej ¼ oscylacji, EMF spada do zera, a prąd osiąga swoją wartość amplitudy.
"Kapacytancja" rozładowuje się i ładuje 2 razy na okres i przewodzi prąd zmienny.
Jest to teoretyczny opis procesów. Aby zrozumieć, jak dany element obwodu działa bezpośrednio w urządzeniu, należy obliczyć rezystancję indukcyjną i pojemnościową obwodu, parametry pozostałych uczestników oraz uwzględnić wpływ środowiska zewnętrznego.
Główne cechy i właściwości
Parametry kondensatorów, które są wykorzystywane do budowy i naprawy urządzeń elektronicznych, obejmują:
- Pojemność - C. Określa ilość ładunku przechowywanego przez urządzenie. Wartość pojemności znamionowej jest podana na obudowie. Ogniwa są łączone w obwodzie równolegle lub szeregowo, aby uzyskać wymagane wartości. Wartości robocze nie pokrywają się z wartościami obliczonymi.
- Częstotliwość rezonansowa wynosi fp. Jeśli częstotliwość prądu jest wyższa niż częstotliwość rezonansowa, ujawniają się właściwości indukcyjne elementu. Utrudnia to obsługę. Aby zapewnić moc znamionową w obwodzie, warto używać kondensatora przy częstotliwościach mniejszych niż wartości rezonansowe.
- Napięcie znamionowe wynosi Un. Aby zapobiec uszkodzeniu elementu, napięcie robocze jest niższe niż napięcie znamionowe. Informacja o tym znajduje się na obudowie kondensatora.
- Polaryzacja. Nieprawidłowe podłączenie spowoduje awarię i uszkodzenie urządzenia.
- Oporność izolacji elektrycznej - Rd. Określa prąd upływu urządzenia. W urządzeniach części są umieszczone blisko siebie. Duże prądy upływu mogą powodować powstawanie pasożytniczych połączeń w obwodach. Powoduje to nieprawidłowe działanie. Prąd upływu powoduje pogorszenie właściwości pojemnościowych elementu.
- Współczynnik temperaturowy - TKE. Wartość ta określa, jak zmienia się pojemność urządzenia w zależności od zmian temperatury otoczenia. Parametr ten jest wykorzystywany przy projektowaniu urządzeń przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach środowiskowych.
- Pasożytniczy efekt piezoelektryczny. Niektóre typy kondensatorów powodują zakłócenia w urządzeniach, gdy są odkształcone.
Rodzaje i typy kondensatorów
Elementy pojemnościowe klasyfikuje się według rodzaju dielektryka użytego do ich budowy.
Kondensatory papierowe i metalowe
Elementy są stosowane w obwodach z napięciem stałym lub słabo pulsującym. Prostota konstrukcji powoduje obniżenie stabilności charakterystyki o 10-25% i zwiększenie wartości strat.
W kondensatorach papierowych okładki z folii aluminiowej są oddzielone papierem. Zespoły są skręcane i umieszczane w cylindrycznej lub prostokątnej obudowie w kształcie równoległościanu.
Urządzenia te pracują w temperaturach -60...+125°C, przy napięciu znamionowym do 1600 V dla urządzeń niskonapięciowych i powyżej 1600 V dla urządzeń wysokonapięciowych oraz przy pojemności do kilkudziesięciu μF.
W urządzeniach papierowo-metalowych cienka warstwa metalu jest nakładana na papier dielektryczny zamiast folii. Pozwala to na wykonanie mniejszych elementów. W przypadku niewielkiego uszkodzenia dielektryk może ulec samoregeneracji. Ogniwa metalowo-papierowe są gorsze od papierowych pod względem odporności izolacji.
Kondensatory elektrolityczne
Konstrukcja tych produktów jest podobna do konstrukcji kondensatorów papierowych. Jednak w produkcji ogniw elektrolitycznych papier jest impregnowany tlenkami metali.
W produkcie z elektrolitem bez papieru tlenek jest nanoszony na elektrodę metalową. Tlenki metali mają przewodnictwo jednokierunkowe, co sprawia, że urządzenie jest polarne.
W niektórych modelach ogniw elektrolitycznych osłony są wykonane z rowkami, które zwiększają powierzchnię elektrody. Szczeliny między płytami są eliminowane przez wypełnienie ich elektrolitem. Poprawia to właściwości pojemnościowe produktu.
Duża pojemność przyrządów elektrolitycznych, rzędu setek μF, jest wykorzystywana w filtrach do wygładzania tętnień napięcia.
Elektrolityczne aluminium
W tym typie przyrządu płyta anodowa jest wykonana z folii aluminiowej. Powierzchnia jest pokryta tlenkiem metalu, który jest dielektrykiem. Podkładka katodowa to stały lub ciekły elektrolit, który jest tak dobrany, aby warstwa tlenku na folii była regenerowana podczas pracy. Samonaprawa dielektryka wydłuża czas pracy elementu.
Kondensatory o tej konstrukcji wymagają zachowania polaryzacji. Odwrócenie polaryzacji spowoduje rozerwanie obudowy.
Urządzenia, które mają wewnątrz przeciwbieżne zespoły biegunów, są używane w dwóch kierunkach. Ogniwa elektrolityczne z aluminium mają pojemność do kilku tysięcy µF.
Tantal elektrolityczny
Elektroda anodowa tych urządzeń jest wykonana z porowatej struktury, którą uzyskuje się przez podgrzanie do temperatury 2000°C proszku tantalu. Materiał ma wygląd przypominający gąbkę. Porowatość zwiększa powierzchnię.
W procesie elektrochemicznego utleniania na anodę nakładana jest warstwa pięciotlenku tantalu o grubości do 100 nanometrów. Dielektryk stały jest wykonany z dwutlenku manganu. Gotowa konstrukcja jest wtłaczana do mieszanki, czyli specjalnej żywicy.
Produkty tantalowe są stosowane przy częstotliwościach prądu powyżej 100kHz. Pojemności sięgają setek μF, a napięcia robocze do 75 V.
Polimer
W kondensatorach stosowany jest stały elektrolit polimerowy, który ma kilka zalet:
- żywotność jest wydłużona do 50 000 godzin;
- parametry są zachowane po podgrzaniu;
- szerszy zakres tętnień prądu;
- rezystancja zacisków i elektrod nie powoduje bocznikowania pojemności.
Typ folii
Dielektrykiem w tych modelach jest folia teflonowa, poliestrowa, fluoroplastyczna lub polipropylenowa.
Osłony to folia lub metal napylany na folię. Konstrukcja ta jest wykorzystywana do tworzenia wielowarstwowych zespołów o zwiększonej powierzchni.
Kondensatory foliowe mają pojemność setek μF przy miniaturowych rozmiarach. W zależności od ułożenia warstw i wyprowadzeń stykowych, produkty mają kształt osiowy lub promieniowy.
Niektóre modele mają napięcie znamionowe 2 kV lub wyższe.
Różnica między polarnymi i niepolarnymi
Konstrukcje niepolarne umożliwiają włączenie kondensatorów do obwodu bez względu na kierunek prądu. Elementy są stosowane w filtrach zasilaczy prądu przemiennego i wzmacniaczy wysokiej częstotliwości.
Produkty Polar są połączone zgodnie z oznakowaniem. Jeśli urządzenie zostanie podłączone w przeciwnym kierunku, ulegnie awarii lub nie będzie działać prawidłowo.
Kondensatory polarne i niepolarne o dużej i małej pojemności różnią się konstrukcją dielektryczną. W kondensatorach elektrolitycznych, jeżeli tlenek jest przyłożony do jednej elektrody lub jednej strony papieru, folii, element będzie polarny.
Modele niepolarnych kondensatorów elektrolitycznych z tlenkiem metalu przyłożonym symetrycznie do obu powierzchni dielektrycznych są uwzględnione w obwodach prądu przemiennego.
Kondensatory biegunowe mają na obudowie oznaczenia elektrod dodatnich lub ujemnych.
Od czego zależy pojemność kondensatora
Główną funkcją i rolą kondensatora w obwodzie jest przechowywanie ładunków, a dodatkową - zapobieganie wyciekom.
Pojemność kondensatora jest wprost proporcjonalna do stałej dielektrycznej ośrodka i powierzchni płyt, a odwrotnie proporcjonalna do odległości między elektrodami. Pojawiają się dwie sprzeczności:
- Aby zwiększyć pojemność, elektrody muszą być jak najgrubsze, jak najszersze i jak najdłuższe. Jednocześnie nie wolno zwiększać rozmiarów urządzenia.
- Aby utrzymać ładunki i zapewnić niezbędną siłę przyciągania, odległość między płytkami musi być jak najmniejsza. Jednocześnie nie wolno zmniejszać prądu przebicia.
Aby rozwiązać te sprzeczności, programiści używają
- wielowarstwowe struktury pary dielektryk-elektroda;
- porowate struktury anodowe;
- zastąpienie papieru tlenkami i elektrolitami;
- równoległe połączenie elementów;
- wypełnienie wolnej przestrzeni substancjami o wyższej stałej dielektrycznej.
Rozmiar kondensatorów jest coraz mniejszy, a ich charakterystyka jest coraz lepsza z każdym nowym wynalazkiem.
Powiązane artykuły:
