Elementna baza za načrtovanje elektronskih naprav postaja vse bolj zapletena. Naprave so združene v integrirana vezja z določeno funkcionalnostjo in programskim nadzorom. Toda v središču razvoja so osnovne naprave: kondenzatorji, upori, diode in tranzistorji.
Vsebina
Kaj je kondenzator
Naprava, ki shranjuje elektriko v obliki električnih nabojev, se imenuje kondenzator.
Količina elektrike ali električni naboj se v fiziki meri v kulonih (Cl). Električna kapacitivnost se šteje v faradih (F).
Osamljeni prevodnik z električno kapaciteto 1 farad je kovinska krogla s polmerom, ki je enak 13 sončnim polmerom. Zato kondenzator vključuje vsaj 2 prevodnika, ki sta ločena z dielektrikom. V preprostih oblikah je naprava papirna.
Kondenzator v enosmernem tokokrogu deluje, ko je napajanje vklopljeno in izklopljeno. Le med prehodnimi pojavi se spremeni potencial na tuljavah.
Kondenzator v izmeničnem tokokrogu se ponovno polni s frekvenco, ki je enaka frekvenci napajalne napetosti. Zaradi nenehnih polnjenj in praznjenj teče tok skozi element. Višja frekvenca pomeni hitrejše polnjenje naprave.
Upornost vezja s kondenzatorjem je odvisna od frekvence toka. Pri ničelni enosmerni frekvenci se vrednost upora nagiba k neskončnosti. Ko se frekvenca AC poveča, se upor zmanjša.
Kjer se uporabljajo kondenzatorji
Delovanje elektronskih, radijskih in električnih naprav je nemogoče brez kondenzatorjev.
V elektrotehniki se uporabljajo za premik faz pri zagonu asinhronih motorjev. Brez faznega premika trifazni indukcijski motor v izmeničnem enofaznem omrežju ne bo deloval.
Kondenzatorji s kapacitivnostjo več faradov so ionski kondenzatorji, ki se uporabljajo v električnih avtomobilih kot viri energije za motorje.
Da bi razumeli, zakaj je kondenzator potreben, morate vedeti, da 10-12% merilnih naprav deluje na principu spreminjanja električne kapacitivnosti, ko se spremenijo parametri zunanjega okolja. Odziv kapacitivnosti posebnih naprav se uporablja za:
- snemanje šibkih gibov s povečanjem ali zmanjšanjem razdalje med lupinami;
- določanje vlažnosti z beleženjem sprememb dielektrične upornosti;
- merjenje nivoja tekočine, ki spremeni kapaciteto elementa, ko je napolnjen.
Težko si je predstavljati načrtovanje avtomatike in relejne zaščite brez kondenzatorjev. Nekatera logika zaščite upošteva večkratnost polnjenja naprave.
Kapacitivni elementi se uporabljajo v vezjih mobilnih komunikacijskih naprav, radijske in televizijske opreme. Kondenzatorji se uporabljajo v:
- visoko- in nizkofrekvenčni ojačevalniki;
- napajalniki;
- frekvenčni filtri;
- ojačevalniki zvoka;
- procesorji in druga mikrovezja.
Odgovor na vprašanje, za kaj je kondenzator, je enostavno najti, če pogledamo sheme ožičenja elektronskih naprav.
Kako deluje kondenzator
V enosmernem tokokrogu se pozitivni naboji zbirajo na eni plošči, negativni pa na drugi. Z medsebojno privlačnostjo se delci v napravi držijo skupaj, dielektrik med njimi pa jim preprečuje povezovanje. Tanjši kot je dielektrik, močnejši so naboji povezani.
Kondenzator vzame toliko električne energije, da zapolni kapacitivnost, in tok se ustavi.
S konstantno napetostjo v vezju element zadrži naboj, dokler se napajanje ne izklopi. Nato se izprazni skozi obremenitve v tokokrogu.
Izmenični tok skozi kondenzator teče drugače. Prva ¼ obdobja nihanja je trenutek polnjenja naprave. Amplituda polnilnega toka se eksponentno zmanjšuje in do konca četrtletja pade na nič. EMF na tej točki doseže amplitudo.
V drugi ¼ obdobja se EMF zmanjša in celica se začne prazniti. Zmanjšanje EMF na začetku je majhno, prav tako pa tudi razelektritveni tok. Povečuje se po enaki eksponentni odvisnosti. Do konca obdobja je EMF enak nič, tok je enak vrednosti amplitude.
V tretji ¼ nihajne dobe EMF spremeni smer, gre skozi ničlo in narašča. Predznak naboja na sponkah je obrnjen. Tok se zmanjšuje po velikosti in ohranja svojo smer. Na tej točki je električni tok 90° pred napetostjo v fazi.
V tuljavah induktivnosti se zgodi nasprotno: napetost je pred tokom. Ta lastnost je v ospredju pri izbiri uporabe vezja RC ali RL.
Na koncu cikla pri zadnji ¼ nihanja EMF pade na nič in tok doseže vrednost amplitude.
"Kapacitivnost" se prazni in polni 2-krat na obdobje in prevaja izmenični tok.
To je teoretični opis procesov. Da bi razumeli, kako element v vezju deluje neposredno v napravi, izračunajte induktivni in kapacitivni upor vezja, parametre drugih udeležencev in upoštevajte vpliv zunanjega okolja.
Osnovne značilnosti in lastnosti
Parametri kondenzatorja, ki se uporabljajo za izdelavo in popravilo elektronskih naprav, vključujejo:
- Kapacitivnost - C. Določa količino naboja, ki ga naprava zadrži. Vrednost nazivne zmogljivosti je navedena na ohišju. Celice so povezane v vezju vzporedno ali zaporedno, da ustvarijo zahtevane vrednosti. Operativne vrednosti niso enake izračunanim vrednostim.
- Resonančna frekvenca je fp. Če je trenutna frekvenca večja od resonančne frekvence, se pokažejo induktivne lastnosti elementa. To otežuje delovanje. Da bi zagotovili nazivno moč v tokokrogu, je pametno uporabiti kondenzator pri frekvencah, nižjih od resonančnih vrednosti.
- Nazivna napetost je Un. Da bi preprečili okvaro elementa, je delovna napetost nastavljena nižje od nazivne napetosti. To je označeno na ohišju kondenzatorja.
- Polarnost. Če je priključen nepravilno, bo prišlo do okvare in okvare.
- Električna izolacijska upornost - Rd. Določa tok uhajanja naprave. V napravah so deli nameščeni blizu drug drugega. Če je tok uhajanja visok, je možna parazitska sklopka v tokokrogih. To vodi do okvar. Uhajajoči tok poslabša kapacitivne lastnosti elementa.
- Temperaturni koeficient - TKE. Vrednost določa, kako se kapacitivnost naprave spreminja, ko temperatura medija niha. Parameter se uporablja pri načrtovanju naprav za uporabo v težkih okoljih.
- Parazitski piezo učinek. Nekatere vrste kondenzatorjev povzročajo hrup v napravah, ko so deformirani.
Vrste in tipi kondenzatorjev
Kapacitivni elementi so razvrščeni glede na vrsto dielektrika, uporabljenega pri načrtovanju.
Papirni in kovinski kondenzatorji
Elementi se uporabljajo v tokokrogih z enosmernimi ali šibko pulzirajočimi napetostmi. Enostavnost zasnove povzroči 10-25% nižjo stabilnost delovanja in povečane izgube.
V papirnatih kondenzatorjih so pokrovi iz aluminijaste folije ločeni s papirjem. Sklopi so zviti in nameščeni v cilindričnem ali pravokotnem paralelopipednem ohišju.
Naprave delujejo pri temperaturah -60 ... +125 ° C, z nazivnimi napetostmi nizkonapetostnih naprav do 1600 V, visokonapetostnih - nad 1600 V in z zmogljivostjo do več deset μF.
V kovinsko-papirnih napravah se namesto folije na dielektrični papir nanese tanka plast kovine. To pomaga pri izdelavi manjših elementov. Če pride do nepomembnih okvar, se lahko dielektrik sam popravi. Kovinsko-papirne celice so glede izolacijske odpornosti slabše od papirnatih.
Elektrolitski kondenzatorji
Zasnova izdelkov spominja na papirnate kondenzatorje. Toda pri izdelavi elektrolitskih celic je papir impregniran s kovinskimi oksidi.
Pri izdelkih z elektrolitom brez papirja se oksid nanese na kovinsko elektrodo. Kovinski oksidi imajo enosmerno prevodnost, zaradi česar je naprava polarna.
Pri nekaterih modelih elektrolitičnih celic so pokrovi izdelani z utori, ki povečajo površino elektrode. Vrzeli v prostoru med ploščami se odpravijo z vlivanjem elektrolita. To izboljša kapacitivne lastnosti izdelka.
Velika kapacitivnost elektrolitskih naprav - na stotine μF, se uporablja v filtrih za glajenje napetostnih valov.
Aluminijev elektrolit.
Pri tej vrsti naprave je anodna obloga izdelana iz aluminijaste folije. Površina je prevlečena z dielektrikom iz kovinskega oksida. Katodna blazinica je trden ali tekoč elektrolit, ki je izbran tako, da se med delovanjem regenerira oksidna plast na foliji.Samopopravilo dielektrika podaljša čas delovanja elementa.
Kondenzatorji te zasnove zahtevajo upoštevanje polarnosti. Obrnitev polarnosti bo raztrgala ohišje.
Naprave z nasprotno zaporednimi polarnimi sklopi v notranjosti se uporabljajo v 2 smereh. Kapaciteta aluminijevih elektrolitskih celic doseže več tisoč μF.
Tantal elektrolit
Anodna elektroda takih naprav je izdelana iz porozne strukture, ki jo dobimo s segrevanjem do 2000 °C tantalovega prahu. Material ima videz gobe. Poroznost poveča površino.
Z elektrokemijsko oksidacijo se na anodo nanese do 100 nanometrov debela plast tantalovega pentoksida. Trdni dielektrik je izdelan iz manganovega dioksida. Končana konstrukcija je stisnjena v spojino, posebno smolo.
Izdelki iz tantala se uporabljajo pri trenutnih frekvencah nad 100 kHz. Kapacitivnost se ustvari do več sto μF, z delovno napetostjo do 75 V.
polimer
Kondenzatorji uporabljajo trden polimerni elektrolit, ki ponuja številne prednosti:
- življenjska doba se poveča na 50 tisoč ur;
- parametri se ohranijo pri segrevanju;
- širši razpon tokovnega valovanja;
- odpornost zatičev in sponk ne vpliva na zmogljivost ranžiranja.
Film
Dielektrik v teh modelih je teflon, poliestrski, fluoroplastični ali polipropilenski film.
Prevleke so folija ali kovinsko napršenje na filmu. Zasnova se uporablja za ustvarjanje večplastnih sklopov s povečano površino.
Filmski kondenzatorji imajo pri miniaturni velikosti kapaciteto več sto μF. Glede na postavitev slojev in kontaktnih vodnikov izdelujemo aksialne ali radialne oblike izdelkov.
Nekateri modeli imajo nazivno napetost 2 kV ali več.
Kakšna je razlika med polarnimi in nepolarnimi
Nepolarni omogočajo vključitev kondenzatorjev v vezje ne glede na smer toka.Elementi se uporabljajo v filtrih izmeničnega napajanja, visokofrekvenčnih ojačevalnikih.
Izdelki Polar so povezani v skladu z oznako. Če je priključen v nasprotni smeri, bo naprava odpovedala ali ne bo delovala pravilno.
Polarni in nepolarni kondenzatorji velike in nizke kapacitete se razlikujejo po dielektrični zasnovi. V elektrolitskih kondenzatorjih, če se oksid nanese na 1 elektrodo ali 1 stran papirja, filma, bo element polarni.
Modeli nepolarnih elektrolitskih kondenzatorjev, v katerih je kovinski oksid simetrično nanesen na obe površini dielektrika, so vključeni v tokokroge z izmeničnim tokom.
Polarni kondenzatorji so na ohišju označeni kot pozitivne ali negativne elektrode.
Od česa je odvisna kapacitivnost kondenzatorja
Glavna funkcija in vloga kondenzatorja v vezju je kopičenje nabojev, dodatna vloga pa je preprečevanje uhajanja.
Kapacitivnost kondenzatorja je premo sorazmerna z dielektrično konstanto medija in površino plošč ter obratno sorazmerna z razdaljo med elektrodama. Pojavita se dve protislovnosti:
- Za povečanje kapacitivnosti morajo biti elektrode čim debelejše, širše in dolge. Hkrati velikosti naprave ni mogoče povečati.
- Da bi zadržali naboje in zagotovili potrebno silo privlačnosti, je razdalja med ploščama minimalna. Hkrati ni mogoče zmanjšati razgradnega toka.
Za rešitev protislovij razvijalci uporabljajo:
- večplastne strukture para dielektrik-elektroda;
- porozne anodne strukture;
- zamenjava papirja z oksidi in elektroliti;
- vzporedna vključitev elementov;
- polnjenje prostega prostora s snovmi s povečano dielektrično prepustnostjo.
Velikosti kondenzatorjev se zmanjšujejo, lastnosti pa so z vsakim novim izumom vse boljše.
Povezani članki:
