Az elektronikus eszközök tervezéséhez használt elektronikus alkatrészbázis egyre bonyolultabbá válik. Az eszközöket integrált áramkörökké kombinálják, meghatározott funkcionalitással és szoftveres vezérléssel. A fejlesztés középpontjában azonban az alapvető eszközök állnak: kondenzátorok, ellenállások, diódák és tranzisztorok.
Tartalom
Mi az a kondenzátor?
Az olyan készüléket, amely elektromos töltés formájában tárolja az áramot, kondenzátornak nevezzük.
A fizikában az elektromosság vagy az elektromos töltés mennyiségét coulombban (Cl) mérik. Az elektromos kapacitást farádban (F) mérik.
Az 1 farad elektromos kapacitású magányos vezető egy fémgömb, amelynek sugara 13 napsugárral egyenlő. Ezért a kondenzátor legalább 2 vezetőt tartalmaz, amelyeket egy dielektrikum választ el egymástól. Egyszerű kivitelben az eszköz papír.
Egy egyenáramú áramkörben a kondenzátor működése a tápegység be- és kikapcsolásakor történik. Csak tranziensek során változik a tekercseken lévő potenciál.
A váltakozó áramú áramkörben a kondenzátor a tápfeszültség frekvenciájával megegyező frekvencián töltődik fel. A folyamatos töltés és kisütés eredményeként áram folyik át az elemen. A magasabb frekvencia a készülék gyorsabb feltöltését jelenti.
Egy kondenzátorral ellátott áramkör ellenállása az áram frekvenciájától függ. Nulla egyenáramú frekvencia esetén az ellenállás értéke a végtelenbe tendál. A váltakozó áramú frekvencia növekedésével az ellenállás csökken.
Kondenzátorok használata esetén
Az elektronikus, rádiós és elektromos eszközök működése nem lehetséges kondenzátorok nélkül.
Az elektrotechnikában fáziseltolásra használják aszinkronmotorok indításakor. Fáziseltolás nélkül egy háromfázisú indukciós motor egy egyfázisú váltakozó áramú hálózatban nem működik.
A több farád kapacitású kondenzátorokat - ionkondenzátorokat - az elektromos járművekben motoros áramforrásként használják.
Ahhoz, hogy megértsük, miért van szükség kondenzátorra, fontos tudni, hogy a mérőeszközök 10-12%-a azon az elven működik, hogy a külső környezet változásával változik az elektromos kapacitás. A speciális eszközök kapacitási válaszát használják:
- a gyenge mozgások regisztrálása a héjak közötti távolság növelésével vagy csökkentésével;
- a dielektromos ellenállás változásainak rögzítésével érzékeli a páratartalmat;
- olyan folyadék szintjének mérése, amely egy elem töltésekor megváltoztatja annak kapacitását.
Nehéz elképzelni az automatika és a relévédelem tervezését kondenzátorok nélkül. Egyes védelmi logikák figyelembe veszik a készülék túltöltési sokszorosságát.
A kapacitív elemeket a mobiltelefonok, rádió- és televíziókészülékek áramköreiben használják. Kondenzátorokat használnak:
- Magas és alacsony frekvenciájú erősítők;
- tápegységek;
- frekvencia szűrők;
- hangerősítők;
- processzorok és egyéb mikroáramkörök.
Az elektronikus eszközök kapcsolási rajzai alapján könnyen választ kaphatunk arra a kérdésre, hogy mire való a kondenzátor.
Kondenzátor elv
Egy egyenáramú áramkörben a pozitív töltések az egyik lemezen, a negatív töltések pedig a másikon gyűlnek össze. A kölcsönös vonzás révén a részecskék az eszközben együtt maradnak, és a közöttük lévő dielektrikum megakadályozza, hogy összekapcsolódjanak. Minél vékonyabb a dielektrikum, annál erősebben kapcsolódnak a töltések.
A kondenzátor felveszi a kapacitás feltöltéséhez szükséges árammennyiséget, és az áram leáll.
Állandó feszültséggel az áramkörben az elem addig tartja a töltést, amíg az áramot ki nem kapcsolják. Ezután az áramkörben lévő terheléseken keresztül kisül.
A váltakozó áram másképp folyik át egy kondenzátoron. A rezgési periódus első ¼-e az eszköz töltésének pillanata. A töltőáram amplitúdója exponenciálisan csökken, és a negyedév végére nullára csökken. Az EMF ezen a ponton elér egy amplitúdót.
A periódus második ¼-ében az EMF csökken, és a cella elkezd kisülni. Az EMF csökkenése az elején kicsi, és a kisülési áram is kicsi. Ugyanezen exponenciális összefüggés szerint növekszik. Az időszak végére az EMF nulla, az áram pedig egyenlő az amplitúdó értékével.
A rezgési periódus harmadik ¼-ében az EMF irányt változtat, nullára vált és növekszik. A tekercsek töltésének előjele megfordul. Az áram nagysága csökken, de az iránya megmarad. Ekkor az elektromos áram 90°-kal megelőzi a fázisban lévő feszültséget.
Az induktivitásoknál ennek az ellenkezője történik: a feszültség megelőzi az áramot. Ez a tulajdonság az első helyen áll annak eldöntésekor, hogy RC vagy RL áramköröket használjunk.
A ciklus végén, a rezgés utolsó ¼-ében az EMF nullára esik, és az áram eléri amplitúdójának értékét.
A "kapacitás" periódusonként 2-szer kisül és töltődik, és váltakozó áramot vezet.
Ez a folyamatok elméleti leírása. Annak megértéséhez, hogy egy áramkör egy eleme hogyan működik közvetlenül a készülékben, számítsa ki az áramkör induktív és kapacitív ellenállását, a többi résztvevő paramétereit, és vegye figyelembe a külső környezet hatását.
Főbb jellemzők és tulajdonságok
Az elektronikus eszközök építéséhez és javításához használt kondenzátor paraméterei a következők:
- Kapacitás - C. Meghatározza az eszköz által tárolt töltés mennyiségét. A névleges kapacitás értéke a tokon fel van tüntetve. A cellákat párhuzamosan vagy sorosan kapcsolják össze egy áramkörben a kívánt értékek létrehozásához. A működési értékek nem azonosak a számított értékekkel.
- A rezonanciafrekvencia fp. Ha az áram frekvenciája magasabb, mint a rezonanciafrekvencia, akkor az elem induktív tulajdonságai nyilvánvalóvá válnak. Ez megnehezíti a működést. Az áramkör névleges teljesítményének biztosítása érdekében a kondenzátort a rezonanciaértékeknél kisebb frekvenciákon célszerű használni.
- A névleges feszültség az Un. Az elem meghibásodásának megelőzése érdekében az üzemi feszültséget a névleges feszültségnél alacsonyabbra kell állítani. Ez a kondenzátor testén van feltüntetve.
- Polaritás. Helytelen csatlakoztatás esetén meghibásodás és meghibásodás következik be.
- Elektromos szigetelési ellenállás - Rd. Meghatározza az eszköz szivárgási áramát. Az eszközökben az alkatrészek egymáshoz közel helyezkednek el. A nagy szivárgási áramok parazita kapcsolatokat okozhatnak az áramkörökben. Ez meghibásodásokat eredményez. A szivárgási áram rontja az elem kapacitív tulajdonságait.
- A hőmérsékleti együttható - TKE. Az érték meghatározza, hogy az eszköz kapacitása hogyan változik a környezet hőmérséklet-változásai miatt. A paramétert akkor használják, amikor a készülékeket zord környezetben való használatra tervezik.
- Parazita piezo hatás. Egyes típusú kondenzátorok deformálódásukkor zajt keltenek az eszközökben.
A kondenzátorok típusai és típusai
A kapacitív elemeket a felépítésükhöz használt dielektrikum típusa szerint osztályozzák.
Papír és fém kondenzátorok
Az elemeket egyenáramú vagy gyengén pulzáló feszültségű áramkörökben használják. A kialakítás egyszerűsége a jellemzők 10-25%-kal alacsonyabb stabilitását és a veszteségek megnövekedett értékét eredményezi.
A papírkondenzátorokban az alumíniumfólia burkolatokat papírral választják el egymástól. A szerelvényeket összecsavarják, és hengeres vagy téglalap alakú, paralelepiped alakú házba helyezik.
Az eszközök -60...+125°C hőmérsékleten működnek, névleges feszültségük kisfeszültségű eszközök esetén 1600V-ig, nagyfeszültségű eszközök esetén 1600V felett, és akár több tíz μF kapacitással.
A papír-fém eszközökben fólia helyett vékony fémréteget visznek fel a dielektromos papírra. Ez segít a kisebb alkatrészek elkészítésében. Kisebb meghibásodás esetén a dielektrikum önjavulásra képes. A fém-papír cellák a szigetelési ellenállás szempontjából gyengébbek a papírcelláknál.
Elektrolitikus kondenzátorok
E termékek felépítése hasonló a papírkondenzátorokéhoz. Az elektrolitikus cellák gyártásakor azonban a papírt fémoxidokkal impregnálják.
A papír nélküli elektrolit termékekben az oxidot egy fémelektródra viszik fel. A fémoxidok egyirányú vezetőképességgel rendelkeznek, ami az eszközt polárissá teszi.
Egyes elektrolitcelláknál a burkolatok hornyokkal vannak ellátva, amelyek növelik az elektróda felületét. A lemezek közötti hézagokat elektrolittal való feltöltéssel szüntetik meg. Ez javítja a termék kapacitív tulajdonságait.
Az elektrolitikus eszközök nagy, több száz μF-os kapacitását a szűrőkben a feszültséghullámzások kisimítására használják.
Alumínium elektrolitikus
Ennél a műszertípusnál az anódlemez alumíniumfóliából készül. A felületet egy fémoxiddal, a dielektrikummal vonják be. A katódbetét szilárd vagy folyékony elektrolit, amelyet úgy választanak ki, hogy a fólián lévő oxidréteg működés közben regenerálódjon. A dielektrikum önjavítása meghosszabbítja az elem működési idejét.
Az ilyen kialakítású kondenzátorok megkövetelik a polaritás betartását. A polaritás megfordítása elszakítja a tokot.
Azokat a készülékeket, amelyekben ellenpólusú poláris szerelvények vannak, 2 irányban használják. Az alumínium-elektrolit cellák kapacitása akár több ezer µF is lehet.
Tantál elektrolitikus
Ezeknek az eszközöknek az anódelektródja porózus szerkezetből készül, amelyet tantálpor 2000 °C-ra történő hevítésével nyernek. Az anyag szivacsszerű megjelenésű. A porozitás növeli a felületet.
Elektrokémiai oxidációval akár 100 nanométer vastagságú tantálpentoxid réteget visznek fel az anódra. A szilárd dielektrikum mangán-dioxidból készül. A kész szerkezetet egy speciális gyantába, egy vegyületbe préselik.
A tantál termékeket 100 kHz feletti áramfrekvenciákon használják. A kapacitások több száz μF-ig épülnek be, 75 V-ig terjedő üzemi feszültséggel.
Polimer
A kondenzátorokban szilárd polimer elektrolitot használnak, amely számos előnnyel jár:
- az élettartam 50 000 órára hosszabbodik;
- a paraméterek felmelegítéskor is megmaradnak;
- szélesebb körű áramhullámzás;
- a terminálok és az elektródák ellenállása nem csökkenti a kapacitást.
Filmtípus
A dielektrikum ezekben a modellekben teflon, poliészter, fluoroplasztikus vagy polipropilén fólia.
A borítók fóliát vagy fémet porlasztanak a filmre. A konstrukciót többrétegű, megnövelt felületű szerelvények létrehozására használják.
A filmkondenzátorok több száz μF kapacitással rendelkeznek miniatűr méretben. A rétegek és az érintkezési vezetékek elrendezésétől függően a termékek axiális vagy radiális alakja készül.
Egyes modellek névleges feszültsége 2 kV vagy magasabb.
A különbség a poláris és a nem poláris
A nem poláris kialakítások lehetővé teszik, hogy a kondenzátorokat az áram irányára való tekintet nélkül lehessen beépíteni egy áramkörbe. Az elemeket váltakozó áramú tápegységek, nagyfrekvenciás erősítők szűrőiben használják.
A poláris termékek a jelölésnek megfelelően vannak csatlakoztatva. Ellenkező irányú csatlakoztatás esetén a készülék meghibásodik vagy nem működik megfelelően.
A nagy és kis kapacitású poláris és nem poláris kondenzátorok dielektromos kialakításukban különböznek. Az elektrolitkondenzátorokban, ha az oxidot 1 elektródára vagy a papír, film 1 oldalára viszik fel, az elem poláris lesz.
A nem poláris elektrolitikus kondenzátor modellek, amelyekben a fémoxid szimmetrikusan van mindkét dielektromos felületre felhordva, AC áramkörökben szerepelnek.
A polárkondenzátorok pozitív vagy negatív elektróda jelöléssel vannak ellátva a burkolaton.
Mitől függ a kondenzátor kapacitása?
A kondenzátor fő funkciója és szerepe az áramkörben a töltések tárolása, további szerepe pedig a szivárgás megakadályozása.
A kondenzátor kapacitása egyenesen arányos a közeg dielektromos állandójával és a lemezek területével, és fordítottan arányos az elektródák közötti távolsággal. Két ellentmondás merül fel:
- A kapacitás növelése érdekében az elektródáknak minél vastagabbnak, szélesebbnek és hosszabbnak kell lenniük. Ugyanakkor a készülék mérete nem növekedhet.
- A töltések megtartása és a szükséges vonzóerő biztosítása érdekében a lemezek közötti távolságot a lehető legkisebbre kell csökkenteni. Ugyanakkor az átütési áramot nem szabad csökkenteni.
Az ellentmondások feloldására a fejlesztők a következő módszereket használják
- a dielektrikum-elektródapár többrétegű szerkezete;
- porózus anódszerkezetek;
- a papír cseréje oxidokkal és elektrolitokkal;
- elemek párhuzamos kapcsolása;
- a szabad tér feltöltése nagyobb dielektromos állandóval rendelkező anyagokkal.
A kondenzátorok mérete egyre kisebb, és minden új találmánnyal egyre jobbak a jellemzőik.
Kapcsolódó cikkek:
