Basen för elektroniska komponenter för konstruktion av elektroniska apparater blir alltmer komplicerad. Enheterna kombineras till integrerade kretsar med definierad funktionalitet och programvarustyrning. Men kärnan i utvecklingen är de grundläggande enheterna: kondensatorer, motstånd, dioder och transistorer.
Innehåll
Vad är en kondensator?
En apparat som lagrar elektricitet i form av elektriska laddningar kallas kondensator.
Inom fysiken mäts mängden elektricitet eller elektrisk laddning i coulombs (Cl). Elektrisk kapacitans mäts i farads (F).
En solitär ledare med en elektrisk kapacitans på 1 farad är en metallkula med en radie på 13 solradier. Därför innehåller en kondensator minst två ledare som är åtskilda av ett dielektrikum. I enkla konstruktioner är anordningen av papper.
En kondensator i en likströmskrets fungerar när strömförsörjningen kopplas på och av. Det är endast vid transienter som spolarnas potential ändras.
Kondensatorn i en växelströmskrets laddas upp med en frekvens som är lika med frekvensen för matningsspänningen. Som ett resultat av kontinuerlig laddning och urladdning strömmar strömmen genom elementet. Högre frekvens innebär snabbare uppladdning av enheten.
Motståndet i en krets med en kondensator beror på strömmens frekvens. Vid en likströmsfrekvens på noll tenderar motståndsvärdet mot oändligheten. Motståndet minskar med ökande växelströmsfrekvens.
När kondensatorer används
Elektroniska, radio- och elektriska apparater kan inte fungera utan kondensatorer.
Inom elektroteknik används de för fasförskjutning vid start av asynkrona motorer. Utan fasförskjutning fungerar inte en trefasinduktionsmotor i ett växlande enfasnät.
Kondensatorer med en kapacitans på flera farads - jonkondensatorer - används i elbilar som motorströmkällor.
För att förstå varför en kondensator behövs är det viktigt att veta att 10-12 % av alla mätinstrument fungerar enligt principen att den elektriska kapacitansen ändras med förändringar i den yttre miljön. Kapacitansresponsen hos speciella enheter används för att:
- Registrera svaga rörelser genom att öka eller minska avståndet mellan skalen;
- Detektering av fukt genom registrering av förändringar i dielektrisk resistans;
- Mätning av nivån på en vätska som ändrar kapacitansen hos ett element när det fylls.
Det är svårt att tänka sig att konstruera automatik och reläskydd utan kondensatorer. En del skyddslogik tar hänsyn till enhetens överladdningsmångfald.
Kapacitiva element används i kretsar för mobiltelefoner, radio- och tv-apparater. Kondensatorer används i:
- Hög- och lågfrekvensförstärkare;
- strömförsörjningsenheter;
- frekvensfilter;
- ljudförstärkare;
- processorer och andra mikrokretsar.
Det är lätt att hitta svaret på frågan om vad en kondensator är till för genom att titta på kopplingsscheman för elektroniska apparater.
Kondensatorprincipen
I en likströmskrets samlas positiva laddningar på den ena plattan och negativa laddningar på den andra. Genom ömsesidig attraktion hålls partiklarna samman i anordningen och dielektriskan mellan dem hindrar dem från att kopplas samman. Ju tunnare dielektricum, desto starkare är laddningarna sammanlänkade.
Kondensatorn tar emot den mängd el som behövs för att fylla kapaciteten och strömmen stannar.
Med en konstant spänning i kretsen håller elementet en laddning tills strömmen stängs av. Den laddas sedan ur genom belastningarna i kretsen.
Växelströmmen passerar genom en kondensator på ett annat sätt. Den första ¼ av svängningsperioden är anordningens laddningsögonblick. Amplituden för laddningsströmmen minskar exponentiellt och sjunker till noll i slutet av kvartalet. EMF når en amplitud vid denna punkt.
Under den andra ¼ av perioden minskar EMF:n och cellen börjar urladdas. Minskningen av EMF i början är liten och det är även urladdningsströmmen. Den ökar enligt samma exponentiella förhållande. I slutet av perioden är EMF noll och strömmen är lika med sitt amplitudvärde.
Under den tredje ¼ av svängningsperioden byter EMF riktning, går över noll och ökar. Laddningen på spolarna har omvänt tecken. Strömmen minskar i storlek och behåller sin riktning. I denna punkt ligger den elektriska strömmen 90° före spänningen.
I induktorer är det tvärtom: spänningen ligger före strömmen. Denna egenskap är viktigast när man beslutar om man ska använda RC- eller RL-kretsar.
I slutet av cykeln, vid den sista ¼ av svängningen, faller EMF till noll och strömmen når sitt amplitudvärde.
"Kapacitansen urladdas och laddas två gånger per period och leder en växelström.
Detta är en teoretisk beskrivning av processerna. För att förstå hur ett element i en krets fungerar direkt i enheten, beräkna kretsens induktiva och kapacitiva motstånd, parametrarna för de andra deltagarna och ta hänsyn till den yttre miljöns påverkan.
Huvudsakliga kännetecken och egenskaper
Kondensatorparametrar som används för att bygga och reparera elektroniska apparater är bland annat:
- Kapacitans - C. Bestämmer hur mycket laddning som enheten har. Värdet på den nominella kapaciteten anges på höljet. Cellerna kopplas parallellt eller i serie i en krets för att skapa de nödvändiga värdena. Driftsvärdena överensstämmer inte med de beräknade värdena.
- Resonansfrekvensen är fp. Om strömfrekvensen är högre än resonansfrekvensen blir elementets induktiva egenskaper uppenbara. Detta gör det svårt att använda den. För att säkerställa den nominella effekten i kretsen är det klokt att använda kondensatorn vid frekvenser som är lägre än resonansvärdena.
- Den nominella spänningen är Un. För att förhindra att elementet går sönder är driftsspänningen lägre än den nominella spänningen. Detta anges på kondensatorns kropp.
- Polaritet. Om den ansluts på fel sätt kommer det att uppstå ett haveri och fel.
- Elektriskt isoleringsmotstånd - Rd. Bestämmer enhetens läckström. I enheter är delarna placerade nära varandra. Höga läckströmmar kan orsaka parasitkopplingar i kretsarna. Detta leder till funktionsstörningar. Läckströmmen försämrar elementets kapacitiva egenskaper.
- Temperaturkoefficienten - TKE. Värdet bestämmer hur kapacitansen hos en enhet förändras på grund av temperaturvariationer i miljön. Parametern används när man konstruerar enheter för användning i tuffa miljöer.
- Parasitär piezoeffekt. Vissa typer av kondensatorer skapar buller i apparater när de deformeras.
Typer och typer av kondensatorer
Kapacitiva element klassificeras enligt den typ av dielektrikum som används i deras konstruktion.
Kondensatorer av papper och metall
Elementen används i kretsar med likström eller svagt pulserande spänningar. Enkelheten i konstruktionen resulterar i en 10-25 % lägre stabilitet hos egenskaperna och ett högre värde på förlusterna.
I papperskondensatorer är aluminiumfoliernas skydd åtskilda av papper. Förbanden vrids och placeras i ett cylindriskt eller rektangulärt parallelepipedformat hölje.
Enheterna fungerar vid temperaturer på -60...+125 °C, med en nominell spänning på upp till 1600 V för lågspänningsenheter och över 1600 V för högspänningsenheter, och med en kapacitet på upp till tiotals μF.
I pappers-metallanordningar appliceras ett tunt metallskikt på dielektriskt papper i stället för folie. Detta bidrar till att göra mindre komponenter. I händelse av en mindre skada kan dielektrikumet reparera sig självt. Metallpappersceller är sämre än pappersceller när det gäller isoleringsmotstånd.
Elektrolytiska kondensatorer
Dessa produkter är uppbyggda på samma sätt som papperskondensatorer. Men vid tillverkning av elektrolytiska celler impregneras papper med metalloxider.
I en papperslös elektrolytprodukt appliceras oxiden på en metallelektrod. Metalloxider har en enkelriktad ledningsförmåga, vilket gör anordningen polär.
I vissa modeller av elektrolytiska celler är locken försedda med rännor som ökar elektrodens yta. Mellanrummen mellan plattorna elimineras genom att de fylls med elektrolyt. Detta förbättrar produktens kapacitiva egenskaper.
Den höga kapacitansen hos elektrolytiska enheter, hundratals μF, används i filter för att jämna ut spänningsvariationer.
Aluminium elektrolytisk
I denna typ av instrument är anodplattan tillverkad av aluminiumfolie. Ytan är belagd med en metalloxid, dielektrisk. Katodplattan är en fast eller flytande elektrolyt som väljs så att oxidskiktet på folien regenereras under drift. Dielektrikets självreparation förlänger elementets drifttid.
Kondensatorer av denna konstruktion kräver att polariteten följs. Om du vänder på polariteten kommer fallet att gå sönder.
Enheter som har motkopplade polära enheter inuti används i två riktningar. Aluminiumelektrolytiska celler har en kapacitet på upp till flera tusen µF.
Tantal elektrolytisk
Anodelektroden i dessa anordningar är tillverkad av en porös struktur som erhålls genom att tantalpulver värms upp till 2000°C. Materialet har ett svampliknande utseende. Porositeten ökar ytan.
Genom elektrokemisk oxidation appliceras ett upp till 100 nanometer tjockt skikt av tantalpentoxid på anoden. Det fasta dielektrikumet är tillverkat av mangandioxid. Den färdiga konstruktionen pressas in i en förening, en speciell harts.
Tantalprodukter används vid strömfrekvenser över 100 kHz. Kapaciteten byggs upp till hundratals μF, med driftsspänningar på upp till 75V.
Polymer
I kondensatorer används fast polymerelektrolyt, vilket ger flera fördelar:
- livslängden förlängs till 50 000 timmar;
- parametrarna bibehålls vid uppvärmning;
- bredare intervall av strömrippel;
- motstånd hos terminaler och elektroder inte shuntar kapaciteten.
Typ av film
Dielektricitet i dessa modeller är teflon-, polyester-, fluorplast- eller polypropenfilm.
Täckarna är folie eller metall som sprutas på filmen. Konstruktionen används för att skapa flerskiktsförband med ökad yta.
Filmkondensatorer har en kapacitet på hundratals μF i miniatyrstorlek. Beroende på hur skikten och kontaktledningarna är placerade kan produkterna få axial eller radiell form.
Vissa modeller har en märkspänning på 2 kV eller högre.
Skillnaden mellan polärt och opolärt
Med opolära konstruktioner kan kondensatorer integreras i en krets utan hänsyn till strömriktningen. Elementen används i filter för växelströmsaggregat, högfrekvensförstärkare.
Polarprodukterna ansluts i enlighet med märkningen. Om den ansluts i motsatt riktning kommer enheten att misslyckas eller inte fungera korrekt.
Polära och opolära kondensatorer med hög och låg kapacitet skiljer sig åt i dielektrisk konstruktion. I elektrolytkondensatorer är elementet polärt om oxiden appliceras på en elektrod eller en sida av papper eller film.
Icke-polära elektrolytkondensatormodeller, där metalloxid appliceras symmetriskt på båda dielektriska ytorna, ingår i växelströmskretsar.
Polära kondensatorer är markerade som positiva eller negativa elektroder på höljet.
Vad kapaciteten hos en kondensator beror på
Kondensatorns huvudsakliga funktion och roll i en krets är att lagra laddningar och en ytterligare roll är att förhindra läckage.
Kapaciteten hos en kondensator är direkt proportionell mot mediets dielektriska konstant och plattornas area, och omvänt proportionell mot avståndet mellan elektroderna. Två motsättningar uppstår:
- För att öka kapacitansen måste elektroderna vara så tjocka, breda och långa som möjligt. Samtidigt får anordningens storlek inte öka.
- För att laddningarna ska kunna hållas kvar och för att ge den nödvändiga attraktionskraften måste avståndet mellan plattorna vara så litet som möjligt. Samtidigt får inte nedbrytningsströmmen minskas.
För att lösa motsättningarna använder utvecklarna följande metoder
- flerskiktsstrukturer i paret dielektricum-elektrod;
- porösa anodstrukturer;
- Ersättning av papper genom oxider och elektrolyter;
- parallellkoppling av element;
- fylla det fria utrymmet med ämnen med högre dielektricitetskonstant.
Kondensatorerna blir allt mindre och egenskaperna blir bättre med varje ny uppfinning.
Relaterade artiklar:
