Baza de componente electronice pentru proiectarea dispozitivelor electronice devine din ce în ce mai complicată. Dispozitivele sunt combinate în circuite integrate cu funcționalitate definită și control software. Dar în centrul dezvoltării se află dispozitivele de bază: condensatori, rezistențe, diode și tranzistori.
Conținut
Ce este un condensator?
Un aparat care stochează energia electrică sub formă de sarcini electrice se numește condensator.
În fizică, cantitatea de electricitate sau de sarcină electrică se măsoară în coulombi (Cl). Capacitatea electrică se măsoară în farade (F).
Un conductor solitar cu o capacitate electrică de 1 farad este o bilă metalică cu raza egală cu 13 raze solare. Prin urmare, un condensator include cel puțin 2 conductori, care sunt separați de un dielectric. În cazul dispozitivelor simple, este vorba de hârtie.
Funcționarea unui condensator într-un circuit de curent continuu are loc atunci când sursa de alimentare este pornită și oprită. Numai în timpul tranzițiilor se schimbă potențialul pe bobine.
Condensatorul dintr-un circuit de curent alternativ este reîncărcat la o frecvență egală cu frecvența tensiunii de alimentare. Ca urmare a încărcării și descărcării continue, curentul trece prin element. O frecvență mai mare înseamnă o reîncărcare mai rapidă a dispozitivului.
Rezistența unui circuit cu un condensator depinde de frecvența curentului. La o frecvență de curent continuu zero, valoarea rezistenței tinde spre infinit. Odată cu creșterea frecvenței de curent alternativ, rezistența scade.
În cazul în care se utilizează condensatori
Funcționarea dispozitivelor electronice, radio și electrice nu este posibilă fără condensatori.
În electrotehnică, acestea sunt utilizate pentru schimbarea de fază la pornirea motoarelor asincrone. Fără defazare, un motor de inducție trifazat într-o rețea monofazată alternativă nu va funcționa.
Condensatorii cu o capacitate de câțiva farads - condensatori ionici - sunt utilizați în vehiculele electrice ca surse de energie pentru motoare.
Pentru a înțelege de ce este nevoie de un condensator, este important de știut că 10-12% din dispozitivele de măsurare funcționează pe principiul modificării capacității electrice în funcție de schimbările din mediul extern. Răspunsul de capacitate al dispozitivelor speciale este utilizat pentru:
- înregistrarea mișcărilor slabe prin mărirea sau micșorarea distanței dintre cochilii;
- detectarea umidității prin înregistrarea modificărilor rezistenței dielectrice;
- măsurarea nivelului unui lichid care modifică capacitatea unui element atunci când acesta este umplut.
Este greu de imaginat proiectarea de automate și de relee de protecție fără condensatori. O anumită logică de protecție ia în considerare multiplicitatea de supraîncărcare a dispozitivului.
Elementele capacitive sunt utilizate în circuitele de telefonie mobilă, radio și televiziune. Condensatoarele sunt utilizate în:
- Amplificatoare de înaltă și joasă frecvență;
- unități de alimentare;
- filtre de frecvență;
- amplificatoare de sunet;
- procesoare și alte microcircuite.
Este ușor să găsiți răspunsul la întrebarea la ce servește un condensator uitându-vă la diagramele de cablare ale dispozitivelor electronice.
Principiul condensatorului
Într-un circuit de curent continuu, sarcinile pozitive sunt colectate pe o placă și sarcinile negative pe cealaltă. Prin atracție reciprocă, particulele sunt ținute împreună în dispozitiv, iar dielectricul dintre ele le împiedică să se conecteze. Cu cât dielectricul este mai subțire, cu atât mai puternic sunt conectate sarcinile.
Condensatorul preia cantitatea de energie electrică necesară pentru a umple capacitatea și curentul se oprește.
Cu o tensiune constantă în circuit, elementul se menține încărcat până la oprirea alimentării. Acesta se descarcă apoi prin sarcinile din circuit.
Curentul alternativ trece printr-un condensator într-un mod diferit. Primul ¼ din perioada de oscilație este momentul de încărcare a dispozitivului. Amplitudinea curentului de încărcare scade exponențial și scade la zero până la sfârșitul trimestrului. În acest punct, câmpul electromagnetic atinge o anumită amplitudine.
În al doilea ¼ din perioadă, CEM scade și celula începe să se descarce. Scăderea câmpului electromagnetic la început este mică, la fel ca și curentul de descărcare. Acesta crește în funcție de aceeași relație exponențială. La sfârșitul perioadei, câmpul electromagnetic este zero, iar curentul este egal cu valoarea amplitudinii sale.
În al treilea ¼ din perioada de oscilație, EMF își schimbă direcția, trece peste zero și crește. Semnul sarcinii de pe bobine este inversat. Curentul scade în mărime și își menține direcția. În acest moment, curentul electric este cu 90° înaintea tensiunii în fază.
În cazul inductoarelor se întâmplă opusul: tensiunea este înaintea curentului. Această proprietate este pe primul loc în alegerea utilizării circuitelor RC sau RL.
La sfârșitul ciclului, la ultimul ¼ din oscilație, câmpul electromagnetic scade la zero, iar curentul atinge valoarea amplitudinii sale.
"Capacitatea" se descarcă și se încarcă de 2 ori pe perioadă și conduce curent alternativ.
Aceasta este o descriere teoretică a proceselor. Pentru a înțelege modul în care un element dintr-un circuit funcționează direct în dispozitiv, calculați rezistența inductivă și capacitivă a circuitului, parametrii celorlalți participanți și luați în considerare influența mediului extern.
Principalele caracteristici și proprietăți
Parametrii condensatorului care sunt utilizați pentru a construi și repara dispozitive electronice includ:
- Capacitate - C. Determină cantitatea de sarcină pe care o deține dispozitivul. Valoarea capacității nominale este indicată pe carcasă. Celulele sunt conectate într-un circuit în paralel sau în serie pentru a crea valorile necesare. Valorile de funcționare nu coincid cu cele calculate.
- Frecvența de rezonanță este fp. În cazul în care frecvența curentului este mai mare decât frecvența de rezonanță, proprietățile inductive ale elementului devin evidente. Acest lucru îngreunează funcționarea. Pentru a asigura puterea nominală în circuit, este înțelept să se utilizeze condensatorul la frecvențe mai mici decât valorile de rezonanță.
- Tensiunea nominală este Un. Pentru a preveni defectarea elementului, tensiunea de funcționare este setată mai mică decât tensiunea nominală. Acest lucru este indicat pe corpul condensatorului.
- Polaritate. În cazul unei conexiuni incorecte, se va produce o defecțiune și o defecțiune.
- Rezistența de izolare electrică - Rd. Determină curentul de scurgere al dispozitivului. În cadrul dispozitivelor, piesele sunt amplasate aproape una de cealaltă. Curenții de scurgere mari pot provoca conexiuni parazite în circuite. Acest lucru duce la disfuncționalități. Curentul de scurgere va afecta proprietățile capacitive ale elementului.
- Coeficientul de temperatură - TKE. Valoarea determină modul în care capacitatea unui dispozitiv se modifică în funcție de variațiile de temperatură din mediul înconjurător. Acest parametru este utilizat la proiectarea dispozitivelor destinate utilizării în medii dificile.
- Efectul piezoparazit. Unele tipuri de condensatori creează zgomot în dispozitive atunci când sunt deformate.
Tipuri și tipuri de condensatori
Elementele capacitive sunt clasificate în funcție de tipul de dielectric utilizat în construcția lor.
Condensatoare de hârtie și metal
Elementele sunt utilizate în circuitele cu tensiuni continue sau slab pulsatorii. Simplitatea construcției are ca rezultat o stabilitate cu 10-25% mai mică a caracteristicilor și o valoare crescută a pierderilor.
În cazul condensatorilor de hârtie, capacele din folie de aluminiu sunt separate de hârtie. Ansamblurile sunt răsucite și plasate într-o carcasă cilindrică sau dreptunghiulară în formă de paralelipiped.
Dispozitivele funcționează la temperaturi de -60...+125°C, cu o tensiune nominală de până la 1600V pentru dispozitivele de joasă tensiune și de peste 1600V pentru dispozitivele de înaltă tensiune și cu o capacitate de până la zeci de μF.
În cazul dispozitivelor din hârtie-metal, un strat subțire de metal este aplicat pe hârtie dielectrică în locul foliei. Acest lucru ajută la realizarea unor componente mai mici. În cazul unei defecțiuni minore, dielectricul se poate autorepara. Celulele din metal-hârtie sunt inferioare celor din hârtie în ceea ce privește rezistența izolației.
Condensatoare electrolitice
Construcția acestor produse este similară cu cea a condensatorilor de hârtie. Dar, în fabricarea celulelor electrolitice, hârtia este impregnată cu oxizi metalici.
Într-un produs cu electrolit fără hârtie, oxidul este aplicat pe un electrod metalic. Oxizii metalici au o conductivitate unidirecțională, ceea ce face ca dispozitivul să fie polar.
În unele modele de celule electrolitice, capacele sunt realizate cu caneluri care măresc suprafața electrodului. Lacunele dintre plăci sunt eliminate prin umplerea lor cu electrolit. Acest lucru îmbunătățește proprietățile capacitive ale produsului.
Capacitatea ridicată a dispozitivelor electrolitice, de sute de μF, este utilizată în filtre pentru a netezi undele de tensiune.
Aluminiu electrolitic
În acest tip de instrument, placa anodică este realizată din folie de aluminiu. Suprafața este acoperită cu un oxid metalic, dielectricul. Plăcuța catodică este un electrolit solid sau lichid, care este selectat astfel încât stratul de oxid de pe folie să fie regenerat în timpul funcționării. Auto-repararea dielectricului prelungește durata de funcționare a elementului.
Condensatoarele de acest tip necesită respectarea polarității. Inversarea polarității va rupe carcasa.
Dispozitivele care au în interior ansambluri polare cuplate în sens invers sunt utilizate în două direcții. Celulele electrolitice din aluminiu au o capacitate de până la câteva mii de µF.
Tantal electrolitic
Electrodul anodic al acestor dispozitive este realizat dintr-o structură poroasă, care se obține prin încălzirea până la 2000°C a pulberii de tantal. Materialul are un aspect de burete. Porozitatea crește suprafața.
Prin oxidare electrochimică, pe anod se aplică un strat de pentoxid de tantal cu o grosime de până la 100 nanometri. Dielectricul solid este realizat din dioxid de mangan. Construcția finită este presată într-un compus, o rășină specială.
Produsele cu tantal sunt utilizate la frecvențe de curent de peste 100kHz. Capacitățile sunt construite până la sute de μF, cu tensiuni de funcționare de până la 75V.
Polimer
În cazul condensatorilor se utilizează un electrolit polimeric solid, care oferă mai multe avantaje:
- durata de viață este extinsă la 50.000 de ore;
- parametrii sunt menținuți la încălzire;
- o gamă mai largă de ondulație a curentului;
- rezistența terminalelor și a electrozilor nu șunt capacitatea.
Tipul de film
Dielectricul din aceste modele este format din teflon, poliester, fluoroplastic sau folie de polipropilenă.
Acoperirile sunt din folie sau metal pulverizat pe film. Proiectul este utilizat pentru a crea ansambluri multistrat cu o suprafață mai mare.
Condensatoarele cu film au o capacitate de sute de μF la dimensiuni miniaturale. În funcție de dispunerea straturilor și a conductelor de contact, se realizează forme axiale sau radiale ale produselor.
Unele modele au o tensiune nominală de 2 kV sau mai mare.
Diferența dintre polare și nepolare
Proiectele nepolare permit condensatoarelor să fie încorporate într-un circuit fără a ține cont de direcția curentului. Elementele sunt utilizate în filtre pentru sursele de alimentare de curent alternativ, amplificatoare de înaltă frecvență.
Produsele Polar sunt conectate în conformitate cu marcajul. Dacă este conectat în direcția opusă, dispozitivul va eșua sau nu va funcționa corect.
Condensatoarele polare și nepolare de capacitate mare și mică diferă în ceea ce privește designul dielectric. În cazul condensatorilor electrolitici, dacă oxidul este aplicat pe 1 electrod sau pe 1 parte a hârtiei, filmului, elementul va fi polar.
În circuitele de curent alternativ sunt incluse modele de condensatoare electrolitice nepolare, în care oxidul metalic este aplicat simetric pe ambele suprafețe dielectrice.
Condensatoarele polare au marcaje de electrod pozitiv sau negativ pe carcasă.
De ce depinde capacitatea unui condensator
Principala funcție și rolul principal al condensatorului într-un circuit este de a stoca sarcini, iar un rol suplimentar este de a preveni scurgerile.
Capacitatea unui condensator este direct proporțională cu constanta dielectrică a mediului și cu suprafața plăcilor și invers proporțională cu distanța dintre electrozi. Apar două contradicții:
- Pentru a crește capacitatea, electrozii trebuie să fie cât mai groși, mai largi și mai lungi posibil. În același timp, dimensiunea dispozitivului nu trebuie să fie mărită.
- Pentru a menține încărcăturile și pentru a asigura forța de atracție necesară, distanța dintre plăci trebuie să fie cât mai mică posibil. În același timp, curentul de defecțiune nu trebuie să fie redus.
Pentru a rezolva aceste contradicții, dezvoltatorii folosesc
- structuri multistrat ale perechii dielectric-electrod;
- structuri anodice poroase;
- înlocuirea hârtiei cu oxizi și electroliți;
- conectarea în paralel a elementelor;
- umplerea spațiului liber cu substanțe cu o constantă dielectrică mai mare.
Dimensiunea condensatoarelor este din ce în ce mai mică, iar caracteristicile lor se îmbunătățesc cu fiecare nouă invenție.
Articole conexe:
