Елементната база за проектиране на електронни устройства става все по-сложна. Устройствата се обединяват в интегрални схеми със зададена функционалност и програмно управление. Но разработката се основава на основни устройства: кондензатори, резистори, диоди и транзистори.
Съдържание
Какво е кондензатор
Устройство, което съхранява електрическа енергия под формата на електрически заряди, се нарича кондензатор.
Количеството електричество или електрически заряд във физиката се измерва в кулони (C). Капацитетът се измерва във фаради (F).
Самотен проводник с електрически капацитет 1 фарад е метална топка с радиус, равен на 13 радиуса на Слънцето.Следователно кондензаторът включва най-малко 2 проводника, които са разделени от диелектрик. В прости дизайни на устройството - хартия.
Работата на кондензатор в DC верига се осъществява при включване и изключване на захранването.Само в преходни моменти се променя потенциалът на плочите.
Кондензаторът във веригата за променлив ток се презарежда с честота, равна на честотата на захранващото напрежение. В резултат на непрекъснати заряди и разряди през елемента протича ток. По-висока честота - устройството се зарежда по-бързо.
Съпротивлението на верига с кондензатор зависи от честотата на тока. При нулева DC честота стойността на съпротивлението клони към безкрайност. С увеличаване на честотата на променлив ток съпротивлението намалява.
Къде се използват кондензатори?
Работата на електронни, радиотехнически и електрически устройства е невъзможна без кондензатори.
В електротехниката те се използват за изместване на фазите при стартиране на асинхронни двигатели. Без фазово изместване трифазен асинхронен двигател в променлива еднофазна мрежа не функционира.
Кондензатори с капацитет от няколко фарада - йонистори, се използват в електрическите превозни средства като източници на мощност на двигателя.
За да разберете защо е необходим кондензатор, трябва да знаете, че 10-12% от измервателните устройства работят на принципа на промяна на електрическия капацитет при промяна на параметрите на външната среда. Реакционният капацитет на специални устройства се използва за:
- регистриране на слаби движения чрез увеличаване или намаляване на разстоянието между плочите;
- определяне на влажността чрез фиксиране на промените в съпротивлението на диелектрика;
- измерване на нивото на течността, което променя капацитета на елемента при напълване.
Трудно е да си представим как автоматизацията и релейната защита са проектирани без кондензатори. Някои логики за защита отчитат множеството презареждане на устройството.
Капацитивните елементи се използват във вериги на мобилни комуникационни устройства, радио и телевизионно оборудване. Кондензаторите се използват в:
- усилватели на високи и ниски честоти;
- захранвания;
- честотни филтри;
- звукови усилватели;
- процесори и други микросхеми.
Лесно е да намерите отговора на въпроса за какво е кондензатор, ако погледнете електрическите вериги на електронните устройства.
Принципът на работа на кондензатора
В DC верига положителните заряди се събират на една плоча, а отрицателните заряди се събират на другата. Поради взаимното привличане, частиците се задържат в устройството, а диелектрикът между тях не позволява да се свърже. Колкото по-тънък е диелектрикът, толкова по-силни са зарядите.
Кондензаторът взема количеството електричество, необходимо за запълване на контейнера, и токът спира.
При постоянно напрежение във веригата елементът запазва заряд до изключване на захранването. След това се разрежда през товарите във веригата.
Променливият ток протича през кондензатор по различен начин. Първата ¼ от периода на трептене е моментът на зареждане на устройството. Амплитудата на зарядния ток намалява експоненциално и до края на тримесечието пада до нула. ЕМП в този момент достига амплитудата.
През втория ¼ период ЕМП спада и клетката започва да се разрежда. Намалението на EMF първоначално е малко и съответно на разрядния ток. Той расте според същата експоненциална зависимост. До края на периода EMF е нула, токът е равен на стойността на амплитудата.
В третата ¼ от периода на трептене ЕМП променя посоката, преминава през нула и се увеличава.Знакът на заряда върху табелите е обърнат. Токът намалява по големина и запазва посоката. В този момент електрическият ток води напрежението с 90° във фаза.
При индукторите се случва обратното: напрежението води тока. Това свойство е на първо място, когато избирате кои вериги да използвате във веригата: RC или RL.
В края на цикъла, при последното ¼ трептене, ЕМП пада до нула и токът достига своята пикова стойност.
"Капацитет" се разрежда и зарежда 2 пъти на период и провежда променлив ток.
Това е теоретично описание на процесите. За да се разбере как елементът във веригата работи директно в устройството, се изчисляват индуктивното и капацитивното съпротивление на веригата, параметрите на останалите участници и се взема предвид влиянието на външната среда.
Основни характеристики и свойства
Параметрите на кондензатора, които се използват за създаване и ремонт на електронни устройства, включват:
- Капацитет - C. Определя количеството заряд, което устройството задържа. Стойността на номиналния капацитет е посочена върху кутията. За да се създадат необходимите стойности, елементите са включени във веригата паралелно или последователно. Оперативните стойности не съвпадат с изчислените.
- Резонансна честота - фр. Ако честотата на тока е по-голяма от резонансната, тогава се появяват индуктивните свойства на елемента. Това затруднява работата. За да се осигури изчислената мощност във веригата, е разумно да се използва кондензатор с честоти, по-ниски от резонансните стойности.
- Номинално напрежение - Un. За да се предотврати повреда на елемента, работното напрежение се задава по-малко от номиналното напрежение. Параметърът е посочен върху корпуса на кондензатора.
- полярност. Ако връзката е неправилна, ще възникне повреда и повреда.
- Електрическо изолационно съпротивление - Rd. Определя тока на утечка на устройството. В устройствата частите са разположени близо една до друга. При висок ток на утечка са възможни паразитни връзки във веригите. Това води до неизправности. Токът на утечка влошава капацитивните свойства на елемента.
- Температурен коефициент - TKE. Стойността определя как се променя капацитетът на устройството при колебания в температурата на околната среда. Параметърът се използва при разработване на устройства за работа в тежки климатични условия.
- паразитен пиезоелектричен ефект. Някои видове кондензатори, когато се деформират, създават шум в устройствата.
Видове и видове кондензатори
Капацитивните елементи се класифицират според вида на диелектрика, използван в дизайна.
Хартия и метално-хартиени кондензатори
Елементите се използват във вериги с постоянно или леко пулсиращо напрежение. Простотата на конструкцията води до 10-25% по-ниска стабилност на производителността и увеличени загуби.
В хартиените кондензатори плочите от алуминиево фолио разделят хартията. Сглобките се усукват и се поставят в кутия под формата на цилиндър или правоъгълен паралелепипед.
Устройствата работят при температури от -60 ... + 125 ° C, с номинално напрежение на устройства с ниско напрежение до 1600 V, високоволтови устройства - над 1600 V и капацитет до десетки микрофарада.
В устройствата от метална хартия вместо фолио върху диелектрична хартия се нанася тънък слой метал. Това помага за производството на по-малки елементи. При незначителни повреди е възможно самовъзстановяване на диелектрика. Метално-хартиените елементи са по-ниски от хартиените по отношение на изолационната устойчивост.
Електролитни кондензатори
Дизайнът на продуктите наподобява хартиените. Но при производството на електролитни клетки хартията се импрегнира с метални оксиди.
При продукти с електролит без хартия оксидът се отлага върху метален електрод. Металните оксиди имат едностранна проводимост, което прави устройството полярно.
В някои модели електролитни клетки плочите са направени с канали, които увеличават повърхността на електрода. Пролуките в пространството между плочите се елиминират чрез заливане с електролит. Това подобрява капацитивните свойства на продукта.
Голям капацитет на електролитни устройства - стотици микрофаради - се използва във филтрите за изглаждане на вълните на напрежението.
Алуминиев електролит
При устройства от този тип анодната облицовка е от алуминиево фолио. Повърхността е покрита с метален оксид - диелектрик. Катодната облицовка е твърд или течен електролит, който е избран така, че оксидният слой върху фолиото да се възстановява по време на работа. Самовъзстановяващият се диелектрик удължава живота на елемента.
Кондензаторите от този дизайн изискват полярност. Когато се включи отново, ще счупи корпуса.
Устройствата, вътре в които са разположени анти-последователни полярни възли, се използват в 2 посоки. Капацитетът на алуминиевите електролитни клетки достига няколко хиляди микрофарада.
Танталов електролитен
Анодният електрод на такива устройства е направен от пореста структура, получена чрез нагряване на танталов прах до +2000°C. Материалът прилича на гъба. Порьозността увеличава площта на повърхността.
С помощта на електрохимично окисляване върху анода се нанася слой от танталов пентоксид с дебелина до 100 нанометра. Твърдият диелектрик е направен от манганов диоксид.Готовата структура се пресова в съединение - специална смола.
Продуктите от тантал се използват при честоти на тока над 100 kHz. Капацитетът се създава до стотици микрофарада, при работно напрежение до 75 V.
Полимер
Кондензаторите използват електролит, изработен от твърди полимери, което осигурява редица предимства:
- експлоатационният живот се увеличава до 50 хиляди часа;
- параметрите се запазват по време на нагряване;
- диапазонът на допустимите вълни на тока се разширява;
- съпротивлението на пластините и проводниците не шунтира капацитета.
филм
Диелектрикът в тези модели е филм от тефлон, полиестер, флуоропласт или полипропилен.
Покрития - фолио или метално отлагане върху фолиото. Дизайнът се използва за създаване на многослойни сглобки с увеличена повърхност.
Филмовите кондензатори с миниатюрни размери имат капацитет от стотици микрофаради. В зависимост от разположението на слоевете и изводите на контактите се правят аксиални или радиални форми на изделията.
При някои модели номиналното напрежение е 2 kV и по-високо.
Каква е разликата между полярно и неполярно
Неполярните позволяват включване на кондензатори във веригата без оглед на посоката на тока. Елементите се използват във филтри на променливи захранвания, високочестотни усилватели.
Продуктите на Polar са свързани в съответствие с маркировката. Ако го включите в обратна посока, устройството ще се повреди или няма да работи нормално.
Полярните и неполярните кондензатори с голям и малък капацитет се различават по дизайна на диелектрика. В електролитните кондензатори, ако оксидът се приложи към 1 електрод или 1 страна на хартия, филм, тогава елементът ще бъде полярен.
Модели на неполярни електролитни кондензатори, в дизайна на които металният оксид е отложен симетрично върху двете повърхности на диелектрика, са включени в вериги на променлив ток.
За полярните има маркировка на положителен или отрицателен електрод върху тялото.
Какво определя капацитета на кондензатора
Основната функция и роля на кондензатора във веригата е да натрупва заряди, а допълнителна е да предотвратява изтичането.
Стойността на капацитета на кондензатора е право пропорционална на диелектричната константа на средата и площта на плочите и обратно пропорционална на разстоянието между електродите. Има 2 противоречия:
- За да се увеличи капацитетът, електродите са необходими възможно най-дебели, по-широки и по-дълги. В този случай размерите на устройството не могат да бъдат увеличени.
- За да се запазят зарядите и да се осигури желаната сила на привличане, разстоянието между плочите е направено минимално. В този случай токът на пробив не може да бъде намален.
За разрешаване на конфликти разработчиците използват:
- многослойни конструкции от двойка диелектрик и електрод;
- порести анодни структури;
- замяна на хартия с оксиди и електролити;
- паралелно свързване на елементи;
- запълване на свободното пространство с вещества с повишена диелектрична константа.
Кондензаторите стават все по-малки и по-добри с всяко ново изобретение.
Подобни статии:
