Základňa elektronických súčiastok na navrhovanie elektronických zariadení je čoraz zložitejšia. Zariadenia sa spájajú do integrovaných obvodov s definovanou funkčnosťou a softvérovým riadením. Základom vývoja sú však základné zariadenia: kondenzátory, rezistory, diódy a tranzistory.
Obsah
Čo je to kondenzátor?
Zariadenie, ktoré uchováva elektrickú energiu vo forme elektrických nábojov, sa nazýva kondenzátor.
Vo fyzike sa množstvo elektriny alebo elektrického náboja meria v coulomboch (Cl). Elektrická kapacita sa meria vo faradoch (F).
Osamelý vodič s elektrickou kapacitou 1 farad je kovová guľa s polomerom rovným 13 slnečným polomerom. Preto kondenzátor obsahuje aspoň 2 vodiče, ktoré sú oddelené dielektrikom. V jednoduchých konštrukciách zariadení je to papier.
Činnosť kondenzátora v jednosmernom obvode prebieha pri zapnutí a vypnutí napájania. Iba počas prechodných javov sa mení potenciál na cievkach.
Kondenzátor v obvode striedavého prúdu sa nabíja s frekvenciou rovnajúcou sa frekvencii napájacieho napätia. V dôsledku nepretržitého nabíjania a vybíjania preteká prvkom prúd. Vyššia frekvencia znamená rýchlejšie dobíjanie zariadenia.
Odpor obvodu s kondenzátorom závisí od frekvencie prúdu. Pri nulovej frekvencii jednosmerného prúdu smeruje hodnota odporu k nekonečnu. So zvyšujúcou sa frekvenciou striedavého prúdu sa odpor znižuje.
Ak sa používajú kondenzátory
Prevádzka elektronických, rádiových a elektrických zariadení nie je možná bez kondenzátorov.
V elektrotechnike sa používajú na fázový posun pri spúšťaní asynchrónnych motorov. Bez fázového posunu nebude trojfázový indukčný motor v striedavej jednofázovej sieti fungovať.
Kondenzátory s kapacitou niekoľkých faradov - iónové kondenzátory - sa používajú v elektrických vozidlách ako zdroje energie pre motory.
Aby sme pochopili, prečo je potrebný kondenzátor, je dôležité vedieť, že 10-12 % meracích zariadení funguje na princípe zmeny elektrickej kapacity pri zmenách vonkajšieho prostredia. Kapacitná odozva špeciálnych zariadení sa používa na:
- zaznamenávanie slabých pohybov zväčšovaním alebo zmenšovaním vzdialenosti medzi plášťami;
- zisťovanie vlhkosti zaznamenávaním zmien dielektrického odporu;
- meranie hladiny kvapaliny, ktorá mení kapacitu prvku pri jeho naplnení.
Je ťažké predstaviť si navrhovanie automatiky a reléovej ochrany bez kondenzátorov. Niektoré ochranné logiky zohľadňujú násobnosť preťaženia zariadenia.
Kapacitné prvky sa používajú v obvodoch mobilných telefónov, rádiových a televíznych zariadení. Kondenzátory sa používajú v:
- Vysokofrekvenčné a nízkofrekvenčné zosilňovače;
- napájacie jednotky;
- frekvenčné filtre;
- zosilňovače zvuku;
- procesory a iné mikroobvody.
Odpoveď na otázku, na čo slúži kondenzátor, ľahko nájdete pri pohľade na schémy zapojenia elektronických zariadení.
Princíp činnosti kondenzátora
V jednosmernom obvode sa na jednej platni zhromažďujú kladné náboje a na druhej záporné. Častice sú v zariadení držané pohromade vďaka vzájomnej príťažlivosti a dielektrikum medzi nimi im bráni v spojení. Čím tenšie je dielektrikum, tým silnejšie sú náboje spojené.
Kondenzátor odoberie množstvo elektrickej energie potrebné na naplnenie kapacity a prúd sa zastaví.
Pri konštantnom napätí v obvode si prvok udržiava náboj až do vypnutia napájania. Potom sa vybíja cez záťaže v obvode.
Striedavý prúd preteká kondenzátorom iným spôsobom. Prvá ¼ periódy kmitania je momentom nabitia zariadenia. Amplitúda nabíjacieho prúdu exponenciálne klesá a na konci štvrťroka klesne na nulu. EMP v tomto bode dosiahne amplitúdu.
V druhej ¼ periódy sa EMP zníži a článok sa začne vybíjať. Pokles EMF na začiatku je malý a rovnako aj vybíjací prúd. Zvyšuje sa podľa rovnakého exponenciálneho vzťahu. Na konci periódy je EMP nulové a prúd sa rovná jeho amplitúdovej hodnote.
V tretej ¼ periódy kmitania EMF zmení smer, prekročí nulu a zvýši sa. Znamienko náboja na cievkach je opačné. Prúd sa zmenšuje a zachováva si svoj smer. V tomto bode je elektrický prúd vo fáze 90° pred napätím.
V induktoroch je to naopak: napätie predbieha prúd. Táto vlastnosť je na prvom mieste pri rozhodovaní, či použiť RC alebo RL obvody.
Na konci cyklu, v poslednej ¼ oscilácie, klesne EMF na nulu a prúd dosiahne hodnotu amplitúdy.
"Kapacita" sa vybíja a nabíja 2-krát za periódu a vedie striedavý prúd.
Ide o teoretický opis procesov. Ak chcete pochopiť, ako funguje prvok v obvode priamo v zariadení, vypočítajte indukčný a kapacitný odpor obvodu, parametre ostatných účastníkov a zohľadnite vplyv vonkajšieho prostredia.
Hlavné charakteristiky a vlastnosti
Medzi parametre kondenzátorov, ktoré sa používajú na výrobu a opravy elektronických zariadení, patria:
- Kapacita - C. Určuje množstvo náboja, ktoré zariadenie udrží. Hodnota menovitej kapacity je uvedená na puzdre. Bunky sú zapojené do obvodu paralelne alebo sériovo, aby sa vytvorili požadované hodnoty. Prevádzkové hodnoty nie sú rovnaké ako vypočítané hodnoty.
- Rezonančná frekvencia je fp. Ak je frekvencia prúdu vyššia ako rezonančná frekvencia, prejavia sa indukčné vlastnosti prvku. To sťažuje prevádzku. Na zabezpečenie menovitého výkonu v obvode je vhodné použiť kondenzátor pri frekvenciách nižších ako rezonančné hodnoty.
- Menovité napätie je Un. Aby sa zabránilo poruche prvku, prevádzkové napätie je nastavené nižšie ako menovité napätie. Je to uvedené na tele kondenzátora.
- Polarita. Pri nesprávnom pripojení dôjde k poruche a zlyhaniu.
- Elektrický izolačný odpor - Rd. Určuje únikový prúd zariadenia. V zariadeniach sú časti umiestnené blízko seba. Vysoké zvodové prúdy môžu spôsobiť parazitné spojenia v obvodoch. To vedie k poruchám. Unikajúci prúd zhorší kapacitné vlastnosti prvku.
- Teplotný koeficient - TKE. Táto hodnota určuje, ako sa mení kapacita zariadenia v dôsledku zmien teploty prostredia. Tento parameter sa používa pri navrhovaní zariadení na použitie v náročných podmienkach.
- Parazitný piezoelektrický efekt. Niektoré typy kondenzátorov vytvárajú v zariadeniach šum, keď sú deformované.
Typy a druhy kondenzátorov
Kapacitné prvky sa klasifikujú podľa typu dielektrika použitého v ich konštrukcii.
Papierové a kovové kondenzátory
Prvky sa používajú v obvodoch s jednosmerným alebo slabo pulzujúcim napätím. Jednoduchosť konštrukcie má za následok o 10-25 % nižšiu stabilitu charakteristík a zvýšenú hodnotu strát.
V papierových kondenzátoroch sú kryty z hliníkovej fólie oddelené papierom. Súpravy sú skrútené a umiestnené vo valcovom alebo obdĺžnikovom puzdre v tvare rovnobežníka.
Zariadenia pracujú pri teplotách -60...+125 °C, s menovitým napätím do 1600 V pre nízkonapäťové zariadenia a nad 1600 V pre vysokonapäťové zariadenia a s kapacitou do desiatok μF.
V zariadeniach s kovovým papierom sa na dielektrický papier namiesto fólie nanesie tenká vrstva kovu. To pomáha vytvárať menšie prvky. V prípade menšej poruchy sa dielektrikum môže samo opraviť. Kovovo-papierové články sú z hľadiska izolačného odporu horšie ako papierové články.
Elektrolytické kondenzátory
Konštrukcia týchto výrobkov je podobná konštrukcii papierových kondenzátorov. Pri výrobe elektrolytických článkov sa však papier impregnuje oxidmi kovov.
V prípade elektrolytu bez papiera sa oxid nanáša na kovovú elektródu. Oxidy kovov majú jednosmernú vodivosť, čo robí zariadenie polárnym.
V niektorých modeloch elektrolytických článkov sú kryty vyrobené s drážkami, ktoré zväčšujú povrch elektródy. Medzery medzi doskami sa odstránia vyplnením elektrolytom. Tým sa zlepšujú kapacitné vlastnosti výrobku.
Vysoká kapacita elektrolytických zariadení, stovky μF, sa používa vo filtroch na vyhladenie zvlnenia napätia.
Hliníkové elektrolytické
V tomto type prístroja je anódová doska vyrobená z hliníkovej fólie. Povrch je pokrytý oxidom kovu, dielektrikom. Katódová podložka je tuhý alebo kvapalný elektrolyt, ktorý je zvolený tak, aby sa oxidová vrstva na fólii počas prevádzky regenerovala. Samooprava dielektrika predlžuje prevádzkový čas prvku.
Kondenzátory tejto konštrukcie vyžadujú dodržiavanie polarity. Obrátenie polarity spôsobí roztrhnutie puzdra.
Zariadenia, ktoré majú vo vnútri protibežné polárne zostavy, sa používajú v 2 smeroch. Hliníkové elektrolytické články majú kapacitu až niekoľko tisíc µF.
Tantalové elektrolytické
Anódová elektróda týchto zariadení je vyrobená z poréznej štruktúry, ktorá sa získava zahrievaním tantalového prášku na teplotu až 2000 °C. Materiál má vzhľad huby. Pórovitosť zväčšuje povrch.
Elektrochemickou oxidáciou sa na anódu nanesie vrstva pentoxidu tantalu hrubá až 100 nanometrov. Pevné dielektrikum je vyrobené z oxidu manganičitého. Hotová konštrukcia sa lisuje do zmesi, špeciálnej živice.
Tantalové výrobky sa používajú pri frekvenciách prúdu nad 100 kHz. Kapacity sa vytvárajú až do stoviek μF, s prevádzkovým napätím do 75 V.
Polymér
V kondenzátoroch sa používa pevný polymérny elektrolyt, ktorý má niekoľko výhod:
- životnosť je predĺžená na 50 000 hodín;
- parametre sú pri zahrievaní zachované;
- širší rozsah zvlnenia prúdu;
- odpor svoriek a elektród neznižuje kapacitu.
Typ filmu
Dielektrikom týchto modelov je teflónová, polyesterová, fluoroplastová alebo polypropylénová fólia.
Kryty sú z fólie alebo kovu rozprašovaného na fóliu. Konštrukcia sa používa na vytváranie viacvrstvových zostáv so zväčšeným povrchom.
Filmové kondenzátory majú kapacitu stoviek μF pri miniatúrnych rozmeroch. V závislosti od usporiadania vrstiev a kontaktných vodičov sa vyrábajú výrobky axiálneho alebo radiálneho tvaru.
Niektoré modely majú menovité napätie 2 kV alebo vyššie.
Rozdiel medzi polárnym a nepolárnym
Nepolárne konštrukcie umožňujú zapojenie kondenzátorov do obvodu bez ohľadu na smer prúdu. Prvky sa používajú vo filtroch pre zdroje striedavého prúdu, vysokofrekvenčné zosilňovače.
Polárne výrobky sú pripojené v súlade s označením. Ak sa pripojí opačným smerom, zariadenie zlyhá alebo nebude fungovať správne.
Polárne a nepolárne kondenzátory s vysokou a nízkou kapacitou sa líšia konštrukciou dielektrika. Ak sa v elektrolytických kondenzátoroch nanesie oxid na 1 elektródu alebo 1 stranu papiera, fólie, prvok bude polárny.
Modely nepolárnych elektrolytických kondenzátorov s oxidom kovu naneseným symetricky na oboch povrchoch dielektrika sú zahrnuté v obvodoch striedavého prúdu.
Polárne kondenzátory sú na plášti označené ako kladné alebo záporné elektródy.
Od čoho závisí kapacita kondenzátora
Hlavnou funkciou a úlohou kondenzátora v obvode je uchovávať náboje a ďalšou úlohou je zabrániť úniku.
Kapacita kondenzátora je priamo úmerná dielektrickej konštante média a ploche dosiek a nepriamo úmerná vzdialenosti medzi elektródami. Vznikajú dva rozpory:
- Na zvýšenie kapacity musia byť elektródy čo najhrubšie, najširšie a najdlhšie. Zároveň sa nesmie zväčšiť veľkosť zariadenia.
- Aby sa nálože udržali a poskytli potrebnú príťažlivú silu, vzdialenosť medzi platňami musí byť čo najmenšia. Zároveň sa nesmie znížiť prierazný prúd.
Na vyriešenie rozporov vývojári používajú
- viacvrstvové štruktúry páru dielektrikum-elektróda;
- porézne anódové štruktúry;
- nahradenie papiera oxidmi a elektrolytmi;
- paralelné spojenie prvkov;
- vyplnenie voľného priestoru látkami s vyššou dielektrickou konštantou.
Veľkosť kondenzátorov sa zmenšuje a ich vlastnosti sa zlepšujú s každým novým vynálezom.
Súvisiace články:
