Elementbasen för design av elektroniska enheter blir mer komplicerad. Enheter kombineras till integrerade kretsar med en given funktionalitet och programstyrning. Men utvecklingen bygger på grundläggande enheter: kondensatorer, motstånd, dioder och transistorer.
Innehåll
Vad är en kondensator
En enhet som lagrar elektrisk energi i form av elektriska laddningar kallas en kondensator.
Mängden elektricitet eller elektrisk laddning i fysiken mäts i coulombs (C). Kapacitansen mäts i farad (F).
En ensam ledare med en elektrisk kapacitet på 1 farad är en metallkula med en radie lika med 13 radier av solen.Därför innehåller kondensatorn minst 2 ledare, som är åtskilda av ett dielektrikum. I enkla design av enheten - papper.
Driften av en kondensator i en DC-krets utförs när strömmen slås på och av. Endast vid övergångsögonblick förändras potentialen på plattorna.
Kondensatorn i växelströmskretsen laddas med en frekvens som är lika med frekvensen för strömförsörjningsspänningen. Som ett resultat av kontinuerliga laddningar och urladdningar flyter ström genom elementet. Högre frekvens - enheten laddas snabbare.
Resistansen hos en krets med en kondensator beror på strömmens frekvens. Vid noll DC-frekvens tenderar resistansvärdet till oändligt. När AC-frekvensen ökar, minskar motståndet.
Var används kondensatorer?
Driften av elektroniska, radiotekniska och elektriska enheter är omöjlig utan kondensatorer.
Inom elektroteknik används de för att skifta faser vid start av induktionsmotorer. Utan fasförskjutning fungerar inte en trefas asynkronmotor i ett variabelt enfasnätverk.
Kondensatorer med en kapacitet på flera farad - jonistorer, används i elfordon som motorkraftskällor.
För att förstå varför en kondensator behövs måste du veta att 10-12% av mätenheterna fungerar på principen om att ändra elektrisk kapacitans när parametrarna för den yttre miljön förändras. Reaktionskapacitansen för speciella enheter används för:
- registrering av svaga rörelser genom en ökning eller minskning av avståndet mellan plattorna;
- bestämning av fuktighet genom att fixera förändringar i resistansen hos dielektrikumet;
- mätning av vätskenivån, vilket ändrar elementets kapacitet när det fylls.
Det är svårt att föreställa sig hur automation och reläskydd är utformade utan kondensatorer. Vissa skyddslogiker tar hänsyn till mångfalden av enhetens laddning.
Kapacitiva element används i kretsar av mobila kommunikationsenheter, radio- och TV-utrustning. Kondensatorer används i:
- förstärkare med höga och låga frekvenser;
- nätaggregat;
- frekvensfilter;
- ljudförstärkare;
- processorer och andra mikrokretsar.
Det är lätt att hitta svaret på frågan om vad en kondensator är till för, om du tittar på de elektriska kretsarna i elektroniska enheter.
Funktionsprincipen för kondensatorn
I en DC-krets samlas positiva laddningar på en platta och negativa laddningar på den andra. På grund av ömsesidig attraktion hålls partiklarna i enheten, och dielektrikumet mellan dem tillåter inte att ansluta. Ju tunnare dielektrikum, desto starkare är laddningarna bundna.
Kondensatorn tar den mängd el som behövs för att fylla behållaren och strömmen stannar.
Med en konstant spänning i kretsen behåller elementet en laddning tills strömmen stängs av. Sedan urladdas den genom lasterna i kretsen.
Växelström flyter genom en kondensator på ett annat sätt. Den första ¼ av oscillationsperioden är det ögonblick som enheten laddas. Laddningsströmmens amplitud minskar exponentiellt och i slutet av kvartalet sjunker den till noll. EMF når i detta ögonblick amplituden.
Under den andra ¼ perioden sjunker EMF och cellen börjar laddas ur. Minskningen av EMF är initialt liten och urladdningsströmmen också. Den växer enligt samma exponentiella beroende. Vid slutet av perioden är EMF noll, strömmen är lika med amplitudvärdet.
Under den tredje ¼ av oscillationsperioden ändrar EMF riktning, passerar genom noll och ökar.Laddningstecknet på plåtarna är omvänt. Strömmen minskar i storlek och behåller riktningen. Vid denna punkt leder den elektriska strömmen spänningen med 90° i fas.
I induktorer händer det motsatta: spänning leder ström. Denna egenskap kommer först när man väljer vilka kretsar som ska användas i kretsen: RC eller RL.
I slutet av cykeln, vid den sista ¼ oscillationen, sjunker EMF till noll och strömmen når sitt toppvärde.
"Kapacitet" laddas ur och laddas 2 gånger per period och leder växelström.
Detta är en teoretisk beskrivning av processer. För att förstå hur elementet i kretsen fungerar direkt i enheten, beräknas kretsens induktiva och kapacitiva resistans, parametrarna för de andra deltagarna, och påverkan från den yttre miljön tas med i beräkningen.
Huvudegenskaper och egenskaper
Kondensatorparametrar som används för att skapa och reparera elektroniska enheter inkluderar:
- Kapacitet - C. Bestämmer mängden laddning som enheten rymmer. Värdet på den nominella kapaciteten anges på höljet. För att skapa de nödvändiga värdena ingår elementen i kretsen parallellt eller i serie. De operativa värdena matchar inte de beräknade.
- Resonansfrekvens - fр. Om strömmens frekvens är större än den resonanta, visas elementets induktiva egenskaper. Detta gör jobbet svårt. För att ge den beräknade effekten i kretsen är det rimligt att använda en kondensator vid frekvenser mindre än resonansvärden.
- Märkspänning - Un. För att förhindra att elementet går sönder är driftspänningen inställd på lägre än den nominella spänningen. Parametern anges på kondensatorhuset.
- Polaritet. Om anslutningen är felaktig kommer haveri och fel inträffa.
- Elektriskt isolationsmotstånd - Rd. Definierar enhetens läckström. I enheter är delar placerade nära varandra. Vid hög läckström är parasitiska anslutningar i kretsarna möjliga. Detta leder till funktionsfel. Läckströmmen försämrar elementets kapacitiva egenskaper.
- Temperaturkoefficient - TKE. Värdet avgör hur enhetens kapacitans förändras med fluktuationer i omgivningens temperatur. Parametern används vid utveckling av enheter för drift under svåra klimatförhållanden.
- parasitisk piezoelektrisk effekt. Vissa typer av kondensatorer, när de deformeras, skapar brus i enheter.
Typer och typer av kondensatorer
Kapacitiva element klassificeras enligt den typ av dielektrikum som används i konstruktionen.
Kondensatorer av papper och metall-papper
Elementen används i kretsar med konstant eller svagt pulserande spänning. Designens enkelhet resulterar i en 10-25% lägre prestandastabilitet och ökade förluster.
I papperskondensatorer separerar aluminiumfolieplattorna papperet. Monteringarna vrids och placeras i en låda i form av en cylinder eller en rektangulär parallellepiped.
Enheter fungerar vid temperaturer på -60 ... + 125 ° C, med en märkspänning för lågspänningsenheter upp till 1600 V, högspänningsenheter - över 1600 V och en kapacitet på upp till tiotals mikrofarader.
I metallpapper appliceras istället för folie ett tunt lager av metall på dielektriskt papper. Detta hjälper till att producera mindre element. Med mindre haverier är självläkning av dielektrikum möjlig. Metall-papperselement är sämre än papperselement när det gäller isoleringsmotstånd.
Elektrolytiska kondensatorer
Designen på produkterna liknar pappers. Men vid tillverkning av elektrolytiska celler impregneras papper med metalloxider.
I produkter med en elektrolyt utan papper avsätts oxiden på en metallelektrod. Metalloxider har ensidig ledningsförmåga, vilket gör enheten polär.
I vissa modeller av elektrolytiska celler är plattorna gjorda med spår som ökar elektrodens yta. Mellanrummen i utrymmet mellan plattorna elimineras genom översvämning med elektrolyt. Detta förbättrar produktens kapacitiva egenskaper.
En stor kapacitet av elektrolytiska enheter - hundratals mikrofarader - används i filter för att jämna ut spänningsrippel.
Elektrolytisk aluminium
I anordningar av denna typ är anodfodret gjord av aluminiumfolie. Ytan är belagd med metalloxid - ett dielektrikum. Katodfodret är en fast eller flytande elektrolyt, som väljs så att oxidskiktet på folien återställs under drift. Självläkande dielektrikum förlänger elementets livslängd.
Kondensatorer av denna design kräver polaritet. När den slås på igen kommer den att bryta höljet.
Enheter, inuti vilka är placerade antisekventiella polära enheter, används i två riktningar. Kapacitansen hos elektrolytiska aluminiumceller når flera tusen mikrofarader.
Tantal elektrolytisk
Anodelektroden hos sådana anordningar är gjord av en porös struktur som erhålls genom att värma tantalpulver till +2000°C. Materialet ser ut som en svamp. Porositeten ökar ytan.
Med hjälp av elektrokemisk oxidation appliceras ett lager av tantalpentoxid upp till 100 nanometer tjockt på anoden. Ett fast dielektrikum är tillverkat av mangandioxid.Den färdiga strukturen pressas till en förening - ett speciellt harts.
Tantalprodukter används vid nuvarande frekvenser över 100 kHz. Kapacitans skapas upp till hundratals mikrofarader, vid en driftspänning på upp till 75 V.
Polymer
Kondensatorer använder en elektrolyt gjord av fasta polymerer, vilket ger ett antal fördelar:
- livslängden ökas upp till 50 tusen timmar;
- parametrar sparas under uppvärmning;
- intervallet för tillåtna strömrippel utökas;
- motståndet hos plattorna och ledningarna shuntar inte kapacitansen.
Filma
Dielektrikumet i dessa modeller är en film av teflon, polyester, fluorplast eller polypropen.
Omslag - folie eller metallavsättning på filmen. Designen används för att skapa flerskiktsenheter med ökad yta.
Filmkondensatorer med miniatyrstorlekar har en kapacitans på hundratals mikrofarader. Beroende på placeringen av skikten och slutsatserna av kontakterna, görs axiella eller radiella former av produkterna.
I vissa modeller är märkspänningen 2 kV och högre.
Vad är skillnaden mellan polär och icke-polär
Icke-polär tillåter inkludering av kondensatorer i kretsen utan hänsyn till strömriktningen. Elementen används i filter av variabel strömförsörjning, högfrekventa förstärkare.
Polar-produkter ansluts i enlighet med märkningen. Om du slår på den i motsatt riktning kommer enheten att misslyckas eller fungerar inte normalt.
Polära och opolära kondensatorer med stor och liten kapacitet skiljer sig åt i utformningen av dielektrikumet. I elektrolytiska kondensatorer, om oxiden appliceras på en elektrod eller en sida av papper, film, kommer elementet att vara polärt.
Modeller av opolära elektrolytiska kondensatorer, i vars design metalloxiden avsattes symmetriskt på båda ytorna av dielektrikumet, ingår i växelströmskretsar.
För polära sådana finns det en markering av en positiv eller negativ elektrod på kroppen.
Vad bestämmer kapacitansen hos en kondensator
Huvudfunktionen och rollen för en kondensator i en krets är att ackumulera laddningar, och ytterligare en är att förhindra läckage.
Värdet på kondensatorns kapacitans är direkt proportionell mot mediets dielektriska konstant och plattornas yta, och omvänt proportionell mot avståndet mellan elektroderna. Det finns 2 motsägelser:
- För att öka kapacitansen behövs elektroderna så tjocka, bredare och längre som möjligt. I det här fallet kan enhetens dimensioner inte ökas.
- För att behålla laddningarna och ge önskad attraktionskraft görs avståndet mellan plattorna minimalt. I detta fall kan genomslagsströmmen inte minskas.
För att lösa konflikter använder utvecklare:
- flerskiktskonstruktioner av ett par dielektrikum och elektroder;
- porösa anodstrukturer;
- ersätta papper med oxider och elektrolyter;
- parallellkoppling av element;
- fylla fritt utrymme med ämnen med ökad dielektricitetskonstant.
Kondensatorer blir mindre och bättre för varje ny uppfinning.
Liknande artiklar:
