Un condensator electric este unul dintre elementele din circuitul electric al oricărui dispozitiv electronic. Funcția sa principală este de a stoca energie și de a o elibera ulterior în circuit. Industria oferă o mare varietate de condensatori cu diferite tipuri, capacități, dimensiuni și aplicații.
Principiul și caracteristicile condensatorului
Un condensator este format din două plachete metalice împărțite de un strat dielectric subțire. Raportul dintre dimensiunea și dispunerea fațetelor și caracteristicile materialului dielectric determină valoarea capacității.
Proiectarea oricărui tip de condensator are ca scop obținerea capacității maxime în raport cu dimensiunile minime pentru a economisi spațiu pe placa de circuit a dispozitivului. Una dintre cele mai populare forme din punct de vedere al aspectului este forma de butoi, în care capacele metalice sunt răsucite împreună cu dielectric între ele. Primul condensator, inventat în Leiden, Olanda, în 1745, a fost numit "borcanul Leiden".
Principiul componentei este capacitatea de încărcare și descărcare. Încărcarea este posibilă prin menținerea electrozilor la o distanță scurtă unul față de celălalt. Încărcăturile foarte apropiate, separate de dielectric, sunt atrase una de cealaltă și prinse la borne, iar condensatorul în sine stochează astfel energie. Atunci când sursa de alimentare este oprită, componenta este gata să elibereze energie în circuit, să se descarce.
Parametrii și proprietățile care determină performanța, calitatea și durabilitatea
- capacitate electrică;
- capacitatea specifică;
- toleranță;
- rezistență electrică;
- inductanță intrinsecă;
- absorbție dielectrică;
- pierderi;
- stabilitate;
- fiabilitate.
Capacitatea de a stoca o sarcină determină capacitatea electrică a unui condensator. La calcularea capacității este necesar să se cunoască
- suprafața înfășurărilor;
- distanța dintre bobine;
- Constanta dielectrică a materialului dielectric.
Pentru a crește capacitatea, este necesar să se mărească suprafața înfășurărilor, să se reducă distanța dintre ele și să se utilizeze un dielectric al cărui material are o constantă dielectrică ridicată.
Unitatea de măsură utilizată pentru capacitate este Faradul (F), numit după fizicianul englez Michael Faraday. Cu toate acestea, 1 Farad este o valoare prea mare. De exemplu, capacitatea planetei noastre este mai mică de 1 Farad. Valorile mai mici sunt utilizate în electronica radio: microfaradii (µF, o milionime dintr-un Farad) și picofaradii (pF, o milionime dintr-un microfarad).
Capacitatea specifică se calculează din raportul dintre capacitatea și masa (volumul) dielectricului. Acest lucru este influențat de dimensiunile geometrice, iar o creștere a capacității specifice se obține prin reducerea volumului dielectric, dar acest lucru crește riscul de defecțiune.
Abaterea admisibilă a valorii capacității de pe placa de identificare față de valoarea reală determină clasa de precizie. Conform GOST, există 5 clase de precizie care determină utilizarea viitoare. Componentele din clasa de cea mai mare precizie sunt utilizate în circuitele de înaltă responsabilitate.
Rezistența electrică determină capacitatea de a menține o încărcătură și de a păstra performanța. Încărcăturile stocate pe înfășurări tind să se deplaseze una spre cealaltă pe măsură ce acționează asupra dielectricului. Rezistența electrică este o proprietate importantă a unui condensator care determină durata de utilizare a acestuia. Funcționarea necorespunzătoare va duce la defectarea dielectricității și la defectarea componentelor.
Inductanța intrinsecă este luată în considerare în circuitele de curent alternativ cu bobine de inductanță. În cazul circuitelor de curent continuu, nu se ia în considerare.
Absorbția dielectrică reprezintă apariția tensiunii pe bobine în timpul descărcării rapide. Fenomenul de absorbție este luat în considerare pentru funcționarea în siguranță a dispozitivelor electrice de înaltă tensiune, deoarece există pericol de moarte în cazul unui scurtcircuit.
Pierderile se datorează capacității scăzute de transport al curentului din dielectric. Atunci când componentele electronice sunt exploatate în condiții diferite de temperatură și umiditate, factorul de calitate al pierderilor are un efect. Este, de asemenea, afectată de frecvența de funcționare. La frecvențe joase, sunt afectate pierderile dielectrice; la frecvențe mai mari, sunt afectate pierderile metalice.
Stabilitatea este un parametru al condensatorului, care este, de asemenea, influențat de temperatura ambiantă. Efectele sale sunt împărțite în reversibile, caracterizate de un coeficient de temperatură, și ireversibile, caracterizate de un coeficient de instabilitate a temperaturii.
Fiabilitatea funcționării unui condensator depinde în primul rând de condițiile de funcționare. Analiza defecțiunilor indică faptul că defecțiunile sunt responsabile pentru 80% din toate defecțiunile.
În funcție de aplicație, de tipul și de zona de utilizare, condensatorii sunt dimensionați diferit. Cele mai mici, cu dimensiuni cuprinse între câțiva milimetri și câțiva centimetri, sunt utilizate în electronică, în timp ce cele mai mari sunt folosite în industrie.
Scop
Proprietatea de a stoca și de a elibera energie a determinat utilizarea pe scară largă a condensatorilor în electronica modernă. La fel ca și rezistențele și tranzistorii, acestea reprezintă coloana vertebrală a ingineriei electrice. Nu există un singur dispozitiv modern care să nu le folosească într-o anumită capacitate.
Capacitatea lor de a se încărca și de a se descărca, împreună cu inductanța care are aceleași proprietăți, este utilizată pe scară largă în tehnologia radio și de televiziune. Circuitul oscilant format din condensator și inductanță reprezintă baza pentru transmiterea și recepția semnalelor. Schimbarea capacității condensatorului face posibilă modificarea frecvenței circuitului oscilant. De exemplu, posturile de radio pot transmite pe frecvențele lor, iar radiourile se pot conecta la aceste frecvențe.
O funcție importantă este netezirea undelor de curent alternativ. Orice dispozitiv electronic alimentat cu curent alternativ are nevoie de condensatoare electrice de filtrare pentru a produce curent continuu de bună calitate.
Mecanismul de încărcare și descărcare este utilizat în mod activ în echipamentele fotografice. Toate aparatele de fotografiat moderne folosesc un bliț pentru a face fotografii, care este realizat prin proprietatea de descărcare rapidă. Bateriile, care stochează energie, dar se descarcă lent, nu sunt avantajoase în acest domeniu. Condensatoarele, pe de altă parte, eliberează toată energia stocată instantaneu, ceea ce este suficient pentru un flash luminos.
Capacitatea condensatorilor de a genera impulsuri de mare putere este utilizată în radiolocație și lasere.
Condensatorii îndeplinesc rolul de contacte de stingere a scânteilor în telegrafie și telefonie, precum și în telemecanică și automatizare, unde trebuie comutate relee foarte încărcate.
Reglarea tensiunii liniilor de transport lungi este posibilă prin utilizarea condensatorilor de compensare.
Condensatorii moderni, datorită capacităților lor, nu sunt utilizați numai în domeniul radioelectronicii. Acestea sunt utilizate în industriile de prelucrare a metalelor, mineritului și cărbunelui.
Soiuri principale
Datorită diversității aplicațiilor și a condițiilor de funcționare a dispozitivelor electronice, există o mare varietate de componente care diferă în ceea ce privește tipurile și caracteristicile. Diviziunea principală se bazează pe clase și pe tipul de dielectric utilizat.
Tipuri de condensatoare împărțite pe clase:
- cu capacitate constantă;
- cu capacitate variabilă;
- reglabil.
Componentele cu capacitate constantă sunt utilizate în fiecare dispozitiv radioelectronic.
Condensatoarele variabile sunt utilizate pentru a modifica capacitatea și parametrii circuitului, de exemplu, frecvența în circuitele oscilante. Acestea au în construcție mai multe secțiuni de plăci metalice mobile, ceea ce le asigură longevitatea.
Condensatoarele de reglare sunt utilizate pentru reglarea unică a aparatului. Acestea sunt disponibile în diferite valori de capacitate (de la câteva picofarade la câteva sute de picofarade) și sunt concepute pentru tensiuni de până la 60 de volți. Fără acestea, nu ar fi posibilă nicio reglare fină a echipamentului.
Tipuri de condensatoare, clasificate în funcție de tipul de dielectric:
- dielectric ceramic;
- cu o peliculă dielectrică;
- electrolitic;
- schimbătoare de ioni.
Condensatoarele ceramice sunt realizate sub forma unei plăci mici de material ceramic pe care sunt pulverizate terminale metalice. Aceste condensatoare au proprietăți diferite și sunt utilizate atât pentru circuitele de înaltă tensiune, cât și pentru cele de joasă tensiune.
Pentru circuitele de joasă tensiune, se utilizează cel mai frecvent componente mici multistrat în carcase epoxidice sau din plastic cu capacități cuprinse între zeci de picofarade și unități de microfarade. Acestea sunt utilizate în circuitele radio de înaltă frecvență și pot funcționa în medii dificile.
Pentru circuitele de înaltă tensiune, sunt disponibile condensatoare ceramice mai mari, cu capacități de la zeci de picofarade la mii de picofarade. Acestea sunt utilizate în circuitele de impulsuri și în echipamentele de conversie a tensiunii.
Dielectricele de film sunt de diferite tipuri. Cel mai comun este lavsan, care este foarte durabil. Mai puțin obișnuit este dielectricul din polipropilenă, care are pierderi mai mici și este utilizat în circuitele de înaltă tensiune, cum ar fi circuitele de amplificare audio și circuitele de mijloc de gamă.
Un tip separat de condensator cu film este condensatorul de pornire, care este utilizat la pornirea motoarelor și, datorită capacității sale ridicate și a materialului dielectric special, reduce sarcina motorului electric. Acestea se disting prin tensiunea de funcționare ridicată și prin puterea reactivă electrică.
Condensatoarele electrolitice sunt realizate într-un design clasic. Carcasa este realizată din aluminiu, iar în interior sunt dispuse cochilii metalice spiralate. Unul dintre capace este acoperit chimic cu un oxid de metal, iar celălalt cu un electrolit lichid sau solid pentru a forma un dielectric. Datorită acestei construcții, condensatorii electrolitici au o capacitate ridicată, dar particularitatea utilizării lor în timp este schimbarea acesteia în timp.
Spre deosebire de condensatorii ceramici și de film, condensatorii electrolitici au polaritate. Acestea, la rândul lor, sunt subdivizate în nepolare, fără acest dezavantaj, radiale, miniaturale și axiale. Domeniile lor de aplicare sunt calculatoarele tradiționale și tehnologia modernă a microcalculatoarelor.
Un tip special, care a apărut relativ recent, sunt schimbătoarele de ioni. Construcția lor este similară condensatorilor electrolitici, dar au o capacitate mare (până la câțiva Faradii). Cu toate acestea, utilizarea lor este restricționată de o tensiune maximă mică, de câțiva volți. Ionizorii sunt utilizați pentru a stoca memoria: dacă bateria unui telefon mobil sau a unui computer miniatural se epuizează, informațiile stocate nu se vor pierde iremediabil.
În plus față de componentele cu design pin-out, care există de mult timp și sunt utilizate în mod tradițional, componentele moderne sunt disponibile în design SMD sau, așa cum mai este cunoscut, pentru montare pe suprafață. De exemplu, condensatorii ceramici pot fi produși într-o varietate de dimensiuni, de la cele mai mici (1 mm pe 0,5 mm) la cele mai mari (5,7 mm pe 5 mm) și cu tensiuni corespunzătoare de la zeci de volți la sute de volți.
Condensatoarele electrolitice pot fi, de asemenea, produse în carcase de montare pe suprafață. Acestea pot fi condensatoare electrolitice standard din aluminiu sau condensatoare cu tantal, care seamănă puțin cu condensatoarele ceramice, dar diferă de acestea prin capacitatea lor mai mare și pierderile mai mici. Acestea sunt disponibile atât în modele SMD fără plumb, cât și fără plumb.
Condensatoarele cu tantal sunt caracterizate de o durată de viață lungă și pierderi minime, cu o limită de capacitate ușor mai mică, dar sunt, de asemenea, foarte scumpe. Acestea sunt utilizate în circuitele de înaltă responsabilitate, unde este necesară o capacitate mare.
Articole conexe:
