Elektroninių prietaisų projektavimo elementų bazė tampa vis sudėtingesnė. Įrenginiai sujungiami į integrinius grandynus, turinčius tam tikrą funkcionalumą ir programos valdymą. Tačiau kūrimas grindžiamas pagrindiniais įrenginiais: kondensatoriais, rezistoriais, diodais ir tranzistoriais.
Turinys
Kas yra kondensatorius
Įrenginys, kuris kaupia elektros energiją elektros krūvių pavidalu, vadinamas kondensatoriumi.
Elektros arba elektros krūvio kiekis fizikoje matuojamas kulonais (C). Talpa matuojama faradais (F).
Vienišas laidininkas, kurio elektrinė talpa yra 1 faradas, yra metalinis rutulys, kurio spindulys lygus 13 saulės spindulių.Todėl kondensatorius turi mažiausiai 2 laidininkus, kurie yra atskirti dielektriku. Paprastose įrenginio konstrukcijose - popierius.
Kondensatoriaus veikimas nuolatinės srovės grandinėje vykdomas įjungus ir išjungus maitinimą Tik pereinamaisiais momentais keičiasi potencialas ant plokštelių.
Kintamosios srovės grandinėje esantis kondensatorius įkraunamas tokiu dažniu, kuris lygus maitinimo įtampos dažniui. Dėl nuolatinių įkrovimų ir iškrovimų per elementą teka srovė. Didesnis dažnis – įrenginys greičiau įkraunamas.
Grandinės su kondensatoriumi varža priklauso nuo srovės dažnio. Esant nuliniam nuolatinės srovės dažniui, varžos vertė siekia begalybę. Didėjant kintamosios srovės dažniui, varža mažėja.
Kur naudojami kondensatoriai?
Elektroninių, radijo inžinerijos ir elektros prietaisų veikimas neįmanomas be kondensatorių.
Elektrotechnikoje jie naudojami fazių perjungimui paleidžiant indukcinius variklius. Be fazės poslinkio trifazis asinchroninis variklis kintamame vienfaziame tinkle neveikia.
Kelių faradų talpos kondensatoriai – jonistoriai, naudojami elektromobiliuose kaip variklių energijos šaltiniai.
Norint suprasti, kam reikalingas kondensatorius, reikia žinoti, kad 10-12% matavimo prietaisų veikia elektros talpos keitimo principu, kai keičiasi išorinės aplinkos parametrai. Specialių prietaisų reakcijos talpa naudojama:
- silpnų judesių registravimas padidinus arba sumažinus atstumą tarp plokščių;
- drėgmės nustatymas fiksuojant dielektriko varžos pokyčius;
- skysčio lygio matavimas, kuris užpildant keičia elemento talpą.
Sunku įsivaizduoti, kaip suprojektuota automatika ir relinė apsauga be kondensatorių. Kai kurios apsaugos logikos atsižvelgia į įrenginio įkrovimo dažnumą.
Talpiniai elementai naudojami mobiliojo ryšio įrenginių, radijo ir televizijos įrangos grandinėse. Kondensatoriai naudojami:
- Aukštų ir žemų dažnių stiprintuvai;
- maitinimo šaltiniai;
- dažnio filtrai;
- garso stiprintuvai;
- procesoriai ir kitos mikroschemos.
Pažvelgus į elektroninių prietaisų elektros grandines, nesunku rasti atsakymą į klausimą, kam skirtas kondensatorius.
Kondensatoriaus veikimo principas
Nuolatinės srovės grandinėje teigiami krūviai surenkami vienoje plokštelėje, o neigiami – kitoje. Dėl abipusės traukos dalelės laikomos įrenginyje, o tarp jų esantis dielektrikas neleidžia prisijungti. Kuo plonesnis dielektrikas, tuo stipresni krūviai surišami.
Kondensatorius paima tiek elektros energijos, kiek reikia talpai užpildyti, ir srovė sustoja.
Esant pastoviai įtampai grandinėje, elementas išlaiko įkrovą tol, kol išjungiamas maitinimas. Tada jis iškraunamas per grandinės apkrovas.
Kintamoji srovė per kondensatorių teka kitaip. Pirmoji ¼ svyravimų periodo yra momentas, kai prietaisas įkraunamas. Įkrovimo srovės amplitudė eksponentiškai mažėja, o ketvirčio pabaigoje nukrenta iki nulio. EML šiuo metu pasiekia amplitudę.
Antruoju ¼ periodo EML sumažėja ir ląstelė pradeda išsikrauti. EML sumažėjimas iš pradžių yra nedidelis, o iškrovos srovė taip pat yra maža. Jis auga pagal tą pačią eksponentinę priklausomybę. Iki laikotarpio pabaigos EMF yra lygus nuliui, srovė lygi amplitudės vertei.
Trečią ¼ svyravimų periodo EML keičia kryptį, praeina per nulį ir didėja.Įkrovimo ženklas ant plokštelių yra atvirkštinis. Srovė mažėja ir išlaiko kryptį. Šiuo metu elektros srovė nukreipia įtampą 90° faze.
Induktoriuje atsitinka priešingai: įtampa veda srovę. Ši savybė pirmiausia atsiranda renkantis, kurias grandines naudoti grandinėje: RC arba RL.
Ciklo pabaigoje, esant paskutiniam ¼ virpesių, EMF nukrenta iki nulio, o srovė pasiekia didžiausią vertę.
„Talpa“ iškraunama ir įkraunama 2 kartus per periodą ir veda kintamąją srovę.
Tai teorinis procesų aprašymas. Norint suprasti, kaip elementas grandinėje veikia tiesiogiai įrenginyje, apskaičiuojama grandinės indukcinė ir talpinė varža, kitų dalyvių parametrai, atsižvelgiama į išorinės aplinkos įtaką.
Pagrindinės savybės ir savybės
Kondensatorių parametrai, naudojami kuriant ir taisant elektroninius prietaisus, yra šie:
- Talpa – C. Nustato įrenginio talpos įkrovos dydį. Vardinės talpos vertė nurodyta ant korpuso. Norint sukurti reikiamas vertes, elementai į grandinę įtraukiami lygiagrečiai arba nuosekliai. Eksploatacinės vertės nesutampa su apskaičiuotomis.
- Rezonansinis dažnis - fр. Jei srovės dažnis yra didesnis už rezonansinį, tada atsiranda elemento indukcinės savybės. Tai apsunkina darbą. Norint pateikti apskaičiuotą galią grandinėje, tikslinga naudoti kondensatorių, kurio dažnis mažesnis už rezonansines vertes.
- Nominali įtampa – Un. Kad elementas nesugestų, darbo įtampa nustatoma mažesnė už vardinę įtampą. Parametras nurodytas ant kondensatoriaus korpuso.
- Poliškumas. Jei ryšys netinkamas, įvyks gedimas ir gedimas.
- Elektros izoliacijos varža - Rd. Apibrėžia įrenginio nuotėkio srovę. Įrenginiuose dalys yra arti viena kitos. Esant didelei nuotėkio srovei, galimos parazitinės jungtys grandinėse. Tai sukelia gedimus. Nuotėkio srovė pablogina elemento talpines savybes.
- Temperatūros koeficientas - TKE. Reikšmė lemia, kaip keičiasi įrenginio talpa svyruojant aplinkos temperatūrai. Parametras naudojamas kuriant įrenginius, skirtus veikti sunkiomis klimato sąlygomis.
- parazitinis pjezoelektrinis efektas. Kai kurių tipų kondensatoriai, deformuoti, sukuria triukšmą įrenginiuose.
Kondensatorių tipai ir tipai
Talpiniai elementai klasifikuojami pagal projektuojant naudojamo dielektriko tipą.
Popierius ir metalo-popieriaus kondensatoriai
Elementai naudojami grandinėse su pastovia arba šiek tiek pulsuojančia įtampa. Dėl konstrukcijos paprastumo 10-25% sumažėja eksploatacinių savybių stabilumas ir padidėja nuostoliai.
Popieriniuose kondensatoriuose popierių atskiria aliuminio folijos plokštės. Agregatai yra susukti ir dedami į cilindro arba stačiakampio gretasienio formos dėklą.
Prietaisai veikia esant -60 ... + 125 ° C temperatūrai, žemos įtampos įrenginių vardinė įtampa iki 1600 V, aukštos įtampos įrenginių - virš 1600 V, o talpa iki dešimčių mikrofaradų.
Metalo-popieriaus prietaisuose vietoj folijos ant dielektrinio popieriaus dedamas plonas metalo sluoksnis. Tai padeda gaminti mažesnius elementus. Esant nedideliems gedimams, dielektrikas gali savaime išgyti. Metalo-popieriaus elementai izoliacijos atsparumu yra prastesni už popierinius elementus.
Elektrolitiniai kondensatoriai
Gaminių dizainas primena popierinius. Tačiau gaminant elektrolitinius elementus popierius impregnuojamas metalo oksidais.
Gaminiuose su elektrolitu be popieriaus oksidas nusėda ant metalinio elektrodo. Metalo oksidai turi vienpusį laidumą, todėl prietaisas yra polinis.
Kai kuriuose elektrolitinių elementų modeliuose plokštės yra pagamintos su grioveliais, kurie padidina elektrodo paviršiaus plotą. Tarpai tarp plokščių pašalinami užliejant elektrolitu. Tai pagerina gaminio talpines savybes.
Didelės talpos elektrolitiniai prietaisai – šimtai mikrofaradų – naudojami filtruose tam, kad išlygintų įtampos bangavimą.
Aliuminio elektrolitas
Šio tipo įrenginiuose anodo pamušalas pagamintas iš aliuminio folijos. Paviršius padengtas metalo oksidu – dielektriku. Katodinis pamušalas yra kietas arba skystas elektrolitas, kuris parenkamas taip, kad eksploatacijos metu būtų atkurtas oksido sluoksnis ant folijos. Savaime gydantis dielektrikas prailgina elemento tarnavimo laiką.
Šios konstrukcijos kondensatoriams reikalingas poliškumas. Vėl įjungus, korpusas sulaužys.
Įrenginiai, kurių viduje yra antinuoseklūs poliniai mazgai, naudojami 2 kryptimis. Aliuminio elektrolitinių elementų talpa siekia kelis tūkstančius mikrofaradų.
Tantalo elektrolitas
Tokių prietaisų anodinis elektrodas pagamintas iš porėtos struktūros, gaunamos kaitinant tantalo miltelius iki +2000°C. Medžiaga atrodo kaip kempinė. Poringumas padidina paviršiaus plotą.
Taikant elektrocheminę oksidaciją, ant anodo uždedamas iki 100 nanometrų storio tantalo pentoksido sluoksnis. Kietas dielektrikas pagamintas iš mangano dioksido.Užbaigta struktūra presuojama į junginį – specialią dervą.
Tantalo gaminiai naudojami esant didesniems nei 100 kHz srovės dažniams. Talpa sukuriama iki šimtų mikrofaradų, esant darbinei įtampai iki 75 V.
Polimeras
Kondensatoriuose naudojamas elektrolitas, pagamintas iš kietų polimerų, o tai suteikia daug privalumų:
- tarnavimo laikas padidinamas iki 50 tūkstančių valandų;
- šildymo metu išsaugomi parametrai;
- plečiamas leistinų srovės bangų diapazonas;
- plokščių ir laidų varža nesumažina talpos.
Filmas
Šių modelių dielektrikas yra teflono, poliesterio, fluoroplasto arba polipropileno plėvelė.
Dangteliai – folijos arba metalo nusodinimas ant plėvelės. Dizainas naudojamas daugiasluoksniams surinkimams su padidintu paviršiaus plotu sukurti.
Miniatiūrinių dydžių plėvelinių kondensatorių talpa siekia šimtus mikrofaradų. Priklausomai nuo sluoksnių išdėstymo ir kontaktų išvadų, gaminamos ašinės arba radialinės gaminių formos.
Kai kuriuose modeliuose vardinė įtampa yra 2 kV ir didesnė.
Kuo skiriasi polinis ir nepolinis
Nepoliariniai leidžia į grandinę įtraukti kondensatorius, neatsižvelgiant į srovės kryptį. Elementai naudojami kintamo maitinimo šaltinių filtruose, aukšto dažnio stiprintuvuose.
„Polar“ gaminiai sujungiami pagal ženklinimą. Jei įjungsite jį priešinga kryptimi, įrenginys suges arba neveiks normaliai.
Didelės ir mažos talpos poliniai ir nepoliniai kondensatoriai skiriasi dielektriko konstrukcija. Elektrolitiniuose kondensatoriuose, jei oksidas dedamas ant 1 elektrodo arba 1 popieriaus, plėvelės pusės, tada elementas bus polinis.
Nepolinių elektrolitinių kondensatorių modeliai, kurių konstrukcijose metalo oksidas buvo nusodintas simetriškai ant abiejų dielektriko paviršių, yra įtraukiami į kintamosios srovės grandines.
Poliniams – ant kūno yra teigiamo arba neigiamo elektrodo žymėjimas.
Kas lemia kondensatoriaus talpą
Pagrindinė kondensatoriaus funkcija ir vaidmuo grandinėje yra kaupti įkrovas, o papildoma - užkirsti kelią nuotėkiui.
Kondensatoriaus talpos vertė yra tiesiogiai proporcinga terpės dielektrinei konstantai ir plokščių plotui ir atvirkščiai proporcinga atstumui tarp elektrodų. Yra 2 prieštaravimai:
- Norint padidinti talpą, reikia kuo storesnių, platesnių ir ilgesnių elektrodų. Tokiu atveju prietaiso matmenys negali būti padidinti.
- Norint išlaikyti krūvius ir užtikrinti norimą traukos jėgą, atstumas tarp plokščių yra minimalus. Tokiu atveju gedimo srovė negali būti sumažinta.
Norėdami išspręsti konfliktus, kūrėjai naudoja:
- daugiasluoksnės dielektriko ir elektrodo poros konstrukcijos;
- porėtos anodo konstrukcijos;
- popieriaus pakeitimas oksidais ir elektrolitais;
- lygiagretus elementų sujungimas;
- laisvos erdvės užpildymas padidintos dielektrinės konstantos medžiagomis.
Su kiekvienu nauju išradimu kondensatoriai mažėja ir gerėja.
Panašūs straipsniai:
