Elementární základna pro návrh elektronických zařízení je stále komplikovanější. Zařízení jsou kombinována do integrovaných obvodů s danou funkčností a programovým řízením. Ale vývoj je založen na základních zařízeních: kondenzátory, odpory, diody a tranzistory.
Obsah
Co je to kondenzátor
Zařízení, které ukládá elektrickou energii ve formě elektrických nábojů, se nazývá kondenzátor.
Množství elektřiny nebo elektrického náboje se ve fyzice měří v coulombech (C). Kapacita se měří ve farades (F).
Osamělý vodič s elektrickou kapacitou 1 farad je kovová koule o poloměru rovném 13 poloměrům Slunce.Kondenzátor tedy obsahuje minimálně 2 vodiče, které jsou odděleny dielektrikem. V jednoduchých provedeních zařízení - papír.
Činnost kondenzátoru ve stejnosměrném obvodu se provádí při zapnutí a vypnutí napájení, pouze v přechodných okamžicích se mění potenciál na deskách.
Kondenzátor ve střídavém obvodu se dobíjí frekvencí rovnou frekvenci napájecího napětí. V důsledku neustálého nabíjení a vybíjení protéká prvkem proud. Vyšší frekvence – zařízení se rychleji dobíjí.
Odpor obvodu s kondenzátorem závisí na frekvenci proudu. Při nulové DC frekvenci má hodnota odporu tendenci k nekonečnu. S rostoucí frekvencí střídavého proudu se odpor snižuje.
Kde se používají kondenzátory?
Provoz elektronických, radiotechnických a elektrických zařízení není možný bez kondenzátorů.
V elektrotechnice se používají k posunu fází při spouštění indukčních motorů. Bez fázového posunu nefunguje třífázový asynchronní motor ve variabilní jednofázové síti.
Kondenzátory s kapacitou několika farad - ionistorů, se používají v elektrických vozidlech jako zdroje energie motoru.
Abyste pochopili, proč je potřeba kondenzátor, musíte vědět, že 10-12% měřicích zařízení pracuje na principu změny elektrické kapacity při změně parametrů vnějšího prostředí. Reakční kapacita speciálních zařízení se používá pro:
- registrace slabých pohybů prostřednictvím zvětšení nebo zmenšení vzdálenosti mezi deskami;
- stanovení vlhkosti stanovením změn odporu dielektrika;
- měření hladiny kapaliny, které při plnění mění kapacitu prvku.
Je těžké si představit, jak jsou automatizace a reléové ochrany navrženy bez kondenzátorů. Některé ochranné logiky berou v úvahu mnohonásobnost dobití zařízení.
Kapacitní prvky se používají v obvodech mobilních komunikačních zařízení, rozhlasových a televizních zařízení. Kondenzátory se používají v:
- zesilovače vysokých a nízkých frekvencí;
- zásoby energie;
- frekvenční filtry;
- zesilovače zvuku;
- procesory a další mikroobvody.
Je snadné najít odpověď na otázku, k čemu je kondenzátor, pokud se podíváte na elektrické obvody elektronických zařízení.
Princip činnosti kondenzátoru
Ve stejnosměrném obvodu se kladné náboje shromažďují na jedné desce a záporné náboje na druhé. Vzájemnou přitažlivostí se částice drží v zařízení a dielektrikum mezi nimi neumožňuje spojení. Čím tenčí je dielektrikum, tím pevněji jsou náboje vázány.
Kondenzátor odebere množství elektřiny potřebné k naplnění nádoby a proud se zastaví.
Při konstantním napětí v obvodu si prvek zachovává náboj až do vypnutí napájení. Poté je vybit přes zátěže v okruhu.
Střídavý proud protéká kondenzátorem jiným způsobem. První ¼ periody oscilace je okamžik, kdy je zařízení nabito. Amplituda nabíjecího proudu exponenciálně klesá a na konci čtvrtletí klesne na nulu. EMF v tomto okamžiku dosáhne amplitudy.
Ve druhé ¼ periodě EMF klesne a článek se začne vybíjet. Pokles EMF je zpočátku malý a vybíjecí proud také. Roste podle stejné exponenciální závislosti. Na konci periody je EMF nula, proud se rovná hodnotě amplitudy.
Ve třetí ¼ periody oscilace EMF změní směr, prochází nulou a zvyšuje se.Znak náboje na deskách je obrácený. Proud klesá na velikosti a zachovává si směr. V tomto okamžiku elektrický proud vede napětí o 90° ve fázi.
U induktorů se děje opak: napětí vede proud. Tato vlastnost je na prvním místě při výběru obvodů, které se mají v obvodu použít: RC nebo RL.
Na konci cyklu, při poslední ¼ oscilaci, EMF klesne na nulu a proud dosáhne své špičkové hodnoty.
"Kapacita" se vybíjí a nabíjí 2krát za periodu a vede střídavý proud.
Toto je teoretický popis procesů. Pro pochopení toho, jak prvek v obvodu funguje přímo v zařízení, se vypočítá indukční a kapacitní odpor obvodu, parametry ostatních účastníků a zohlední se vliv vnějšího prostředí.
Hlavní charakteristiky a vlastnosti
Parametry kondenzátoru, které se používají k vytváření a opravě elektronických zařízení, zahrnují:
- Kapacita - C. Určuje množství nabití, které zařízení pojme. Hodnota jmenovité kapacity je uvedena na pouzdru. Pro vytvoření požadovaných hodnot jsou prvky zařazeny do obvodu paralelně nebo sériově. Provozní hodnoty neodpovídají vypočteným.
- Rezonanční frekvence - fr. Pokud je frekvence proudu větší než rezonanční, pak se projeví indukční vlastnosti prvku. To ztěžuje práci. Pro zajištění vypočteného výkonu v obvodu je rozumné použít kondenzátor při frekvencích nižších, než jsou rezonanční hodnoty.
- Jmenovité napětí - Un. Aby se zabránilo průrazu prvku, je provozní napětí nastaveno nižší než jmenovité napětí. Parametr je uveden na pouzdru kondenzátoru.
- Polarita. Pokud je připojení nesprávné, dojde k poruše a selhání.
- Elektrický izolační odpor - Rd. Definuje svodový proud zařízení. V zařízeních jsou části umístěny blízko sebe. Při vysokém svodovém proudu jsou možná parazitní spojení v obvodech. To vede k poruchám. Svodový proud zhoršuje kapacitní vlastnosti prvku.
- Teplotní koeficient - TKE. Hodnota určuje, jak se mění kapacita zařízení s kolísáním teploty prostředí. Parametr se používá při vývoji zařízení pro provoz v náročných klimatických podmínkách.
- parazitní piezoelektrický jev. Některé typy kondenzátorů při deformaci vytvářejí v zařízeních šum.
Typy a typy kondenzátorů
Kapacitní prvky jsou klasifikovány podle typu dielektrika použitého v návrhu.
Papírové a kov-papírové kondenzátory
Prvky se používají v obvodech s konstantním nebo mírně pulzujícím napětím. Jednoduchost konstrukce má za následek o 10-25 % nižší stabilitu výkonu a zvýšené ztráty.
V papírových kondenzátorech oddělují papír hliníkové fólie. Sestavy jsou zkrouceny a umístěny do pouzdra ve formě válce nebo obdélníkového hranolu.
Zařízení pracují při teplotách -60 ... + 125 ° C, se jmenovitým napětím nízkonapěťových zařízení do 1600 V, vysokonapěťových zařízení - nad 1600 V a kapacitou až desítky mikrofaradů.
V zařízeních s kovovým papírem se místo fólie nanáší tenká vrstva kovu na dielektrický papír. To pomáhá vyrábět menší prvky. Při menších poruchách je možné samoléčení dielektrika. Kovové papírové prvky jsou z hlediska izolačního odporu horší než papírové prvky.
Elektrolytické kondenzátory
Design výrobků připomíná papírové. Ale při výrobě elektrolytických článků je papír impregnován oxidy kovů.
U výrobků s elektrolytem bez papíru se oxid ukládá na kovové elektrodě. Oxidy kovů mají jednostrannou vodivost, díky čemuž je zařízení polární.
U některých modelů elektrolytických článků jsou desky vyrobeny s drážkami, které zvětšují povrch elektrody. Mezery v prostoru mezi deskami se eliminují zaplavením elektrolytem. Tím se zlepšují kapacitní vlastnosti produktu.
K vyhlazení vlnění napětí se ve filtrech používá velká kapacita elektrolytických zařízení - stovky mikrofaradů.
Hliníkový elektrolytický
U zařízení tohoto typu je obložení anody vyrobeno z hliníkové fólie. Povrch je potažen oxidem kovu - dielektrikem. Výstelka katody je pevný nebo kapalný elektrolyt, který se volí tak, aby se vrstva oxidu na fólii během provozu obnovila. Samoopravné dielektrikum prodlužuje životnost prvku.
Kondenzátory této konstrukce vyžadují polaritu. Při opětovném zapnutí se pouzdro rozbije.
Zařízení, uvnitř kterých jsou umístěny antisekvenční polární sestavy, se používají ve 2 směrech. Kapacita hliníkových elektrolytických článků dosahuje několika tisíc mikrofaradů.
Tantalový elektrolytický
Anodová elektroda takových zařízení je vyrobena z porézní struktury získané zahřátím tantalového prášku na +2000 °C. Materiál vypadá jako houba. Pórovitost zvětšuje povrch.
Pomocí elektrochemické oxidace se na anodu nanese vrstva oxidu tantaličného o tloušťce až 100 nanometrů. Pevné dielektrikum je vyrobeno z oxidu manganičitého.Hotová konstrukce se lisuje do směsi - speciální pryskyřice.
Tantalové produkty se používají při aktuálních frekvencích nad 100 kHz. Kapacita se vytváří až stovky mikrofaradů, při provozním napětí až 75 V.
Polymer
Kondenzátory používají elektrolyt vyrobený z pevných polymerů, což poskytuje řadu výhod:
- životnost se zvyšuje až na 50 tisíc hodin;
- parametry se ukládají během ohřevu;
- rozšiřuje se rozsah přípustného zvlnění proudu;
- odpor desek a vodičů nesnižuje kapacitu.
Film
Dielektrikum v těchto modelech je fólie z teflonu, polyesteru, fluoroplastu nebo polypropylenu.
Kryty - fólie nebo nános kovu na film. Konstrukce se používá k vytváření vícevrstvých sestav se zvýšenou plochou.
Filmové kondenzátory s miniaturními rozměry mají kapacitu stovek mikrofaradů. V závislosti na uložení vrstev a závěrech kontaktů se vyrábí axiální nebo radiální tvary výrobků.
U některých modelů je jmenovité napětí 2 kV a vyšší.
Jaký je rozdíl mezi polárním a nepolárním
Nepolární umožňují zapojení kondenzátorů do obvodu bez ohledu na směr proudu. Prvky se používají ve filtrech proměnných napájecích zdrojů, vysokofrekvenčních zesilovačů.
Produkty Polar jsou připojeny v souladu s označením. Pokud jej zapnete v opačném směru, zařízení selže nebo nebude fungovat normálně.
Polární a nepolární kondenzátory velkých a malých kapacit se liší konstrukcí dielektrika. V elektrolytických kondenzátorech, pokud je oxid aplikován na 1 elektrodu nebo 1 stranu papíru, filmu, bude prvek polární.
Do obvodů střídavého proudu jsou zařazeny modely nepolárních elektrolytických kondenzátorů, v jejichž provedeních byl oxid kovu nanesen symetricky na oba povrchy dielektrika.
U polárních je na těle označení kladné nebo záporné elektrody.
Co určuje kapacitu kondenzátoru
Hlavní funkcí a úlohou kondenzátoru v obvodu je akumulovat náboje a další funkcí je zabránit úniku.
Hodnota kapacity kondenzátoru je přímo úměrná dielektrické konstantě média a ploše desek a nepřímo úměrná vzdálenosti mezi elektrodami. Existují 2 rozpory:
- Pro zvýšení kapacity jsou zapotřebí elektrody co nejtlustší, širší a delší. V tomto případě nelze rozměry zařízení zvětšit.
- Pro udržení nábojů a poskytnutí požadované přitažlivé síly je vzdálenost mezi deskami minimální. V tomto případě nelze průrazný proud snížit.
K vyřešení konfliktů vývojáři používají:
- vícevrstvé konstrukce dvojice dielektrika a elektrody;
- porézní anodové struktury;
- nahrazení papíru oxidy a elektrolyty;
- paralelní spojení prvků;
- vyplnění volného prostoru látkami se zvýšenou dielektrickou konstantou.
Kondenzátory jsou s každým novým vynálezem stále menší a lepší.
Podobné články:
