Elektroninių komponentų bazė, skirta elektroniniams prietaisams projektuoti, tampa vis sudėtingesnė. Įrenginiai sujungiami į integrinius grandynus su apibrėžtomis funkcijomis ir programiniu valdymu. Tačiau kūrimo pagrindas yra pagrindiniai prietaisai: kondensatoriai, rezistoriai, diodai ir tranzistoriai.
Turinys
Kas yra kondensatorius?
Prietaisas, kuriame elektra saugoma elektros krūvio pavidalu, vadinamas kondensatoriumi.
Fizikoje elektros energijos arba elektros krūvio kiekis matuojamas kulonais (Cl). Elektrinė talpa matuojama faradais (F).
Vienišas laidininkas, kurio elektrinė talpa lygi 1 faradui, yra metalinis rutuliukas, kurio spindulys lygus 13 Saulės spindulių. Todėl kondensatorių sudaro bent 2 laidininkai, kuriuos skiria dielektrikas. Paprasto dizaino prietaisas yra popierius.
Kondensatoriaus veikimas nuolatinės srovės grandinėje vyksta įjungiant ir išjungiant maitinimo šaltinį. Tik pereinamųjų procesų metu keičiasi potencialas ritėse.
Kondensatorius kintamosios srovės grandinėje įkraunamas tokiu dažniu, kuris yra lygus maitinimo įtampos dažniui. Dėl nuolatinio įkrovimo ir iškrovimo elementu teka srovė. Didesnis dažnis reiškia greitesnį prietaiso įkrovimą.
Grandinės su kondensatoriumi varža priklauso nuo srovės dažnio. Esant nuliniam nuolatinės srovės dažniui, varžos vertė yra begalinė. Didėjant kintamosios srovės dažniui, varža mažėja.
Kai naudojami kondensatoriai
Elektronikos, radijo ir elektros prietaisų veikimas neįmanomas be kondensatorių.
Elektros inžinerijoje jie naudojami fazėms perjungti paleidžiant asinchroninius variklius. Be fazių poslinkio trifazis asinchroninis variklis kintamame vienfaziame tinkle neveikia.
Kelių faradų talpos kondensatoriai - joniniai kondensatoriai - naudojami elektromobiliuose kaip variklio energijos šaltiniai.
Norint suprasti, kodėl reikalingas kondensatorius, svarbu žinoti, kad 10-12 proc. matavimo prietaisų veikia pagal principą, kai keičiantis išorinei aplinkai keičiasi elektrinė talpa. Specialių prietaisų talpinė reakcija naudojama:
- registruoti silpnus judesius didinant arba mažinant atstumą tarp kriauklių;
- drėgmės nustatymas fiksuojant dielektrinės varžos pokyčius;
- matuojant skysčio lygį, kuris keičia elemento talpą, kai jis pripildomas.
Sunku įsivaizduoti automatikos ir relinės apsaugos projektavimą be kondensatorių. Tam tikra apsaugos logika atsižvelgia į prietaiso perkrovos kartotinumą.
Talpiniai elementai naudojami mobiliųjų telefonų, radijo ir televizijos prietaisų grandinėse. Kondensatoriai naudojami:
- Aukšto ir žemo dažnio stiprintuvai;
- maitinimo blokai;
- dažnio filtrai;
- garso stiprintuvai;
- procesorių ir kitų mikroschemų.
Atsakymą į klausimą, kam skirtas kondensatorius, nesunku rasti pažvelgus į elektroninių prietaisų elektros schemas.
Kondensatoriaus principas
Nuolatinės srovės grandinėje teigiami krūviai kaupiasi vienoje plokštelėje, o neigiami - kitoje. Dėl abipusės traukos dalelės laikomos kartu įrenginyje, o dielektrikas tarp jų neleidžia joms susijungti. Kuo plonesnis dielektrikas, tuo stipriau sujungti krūviai.
Kondensatorius pasiima tiek elektros energijos, kiek jos reikia talpai užpildyti, ir srovė sustoja.
Esant pastoviai įtampai grandinėje, elementas išlaiko įkrovą, kol išjungiama elektros srovė. Tada jis išsikrauna per grandinės apkrovas.
Kintamoji srovė kondensatoriumi teka kitaip. Pirmoji ¼ svyravimų periodo dalis yra prietaiso įkrovos momentas. Įkrovimo srovės amplitudė mažėja eksponentiškai ir ketvirčio pabaigoje nukrenta iki nulio. Šiame taške EMP pasiekia amplitudę.
Per antrąją ¼ periodo dalį EMP sumažėja ir elementas pradeda išsikrauti. Pradžioje EMP sumažėjimas yra mažas, taip pat ir iškrovos srovė. Jis didėja pagal tą pačią eksponentinę priklausomybę. Periodo pabaigoje elektromagnetinis laukas yra lygus nuliui, o srovė lygi jos amplitudės vertei.
Trečiąją ¼ svyravimo periodo dalį EMP pakeičia kryptį, peržengia nulį ir padidėja. Įkrovos ženklas ritėse yra atvirkštinis. Srovė mažėja ir išlaiko savo kryptį. Šiuo metu elektros srovė yra 90° fazės kampu prieš įtampą.
Induktoriuose būna priešingai: įtampa lenkia srovę. Ši savybė yra svarbiausia sprendžiant, ar naudoti RC, ar RL grandines.
Ciklo pabaigoje, paskutinėje ¼ svyravimo dalyje, EMP nukrenta iki nulio, o srovė pasiekia savo amplitudės vertę.
"Talpa iškraunama ir įkraunama 2 kartus per periodą ir praleidžia kintamąją srovę.
Tai teorinis procesų aprašymas. Kad suprastumėte, kaip grandinės elementas veikia tiesiogiai įrenginyje, apskaičiuokite grandinės indukcinę ir talpinę varžą, kitų dalyvių parametrus ir atsižvelkite į išorinės aplinkos įtaką.
Pagrindinės charakteristikos ir savybės
Kondensatorių parametrai, kurie naudojami kuriant ir remontuojant elektroninius prietaisus, yra šie:
- Talpa - C. Apibrėžia, kokį krūvį išlaiko prietaisas. Nominalioji talpa nurodyta ant korpuso. Norint sukurti reikiamas vertes, elementai į grandinę jungiami lygiagrečiai arba nuosekliai. Darbinės vertės nesutampa su apskaičiuotomis vertėmis.
- Rezonansinis dažnis yra fp. Jei srovės dažnis yra didesnis už rezonansinį dažnį, išryškėja elemento indukcinės savybės. Tai apsunkina valdymą. Siekiant užtikrinti vardinę galią grandinėje, kondensatorių tikslinga naudoti esant mažesniems nei rezonansiniams dažniams.
- Nominalioji įtampa yra Un. Kad būtų išvengta elemento gedimo, darbinė įtampa nustatoma mažesnė už vardinę įtampą. Tai nurodyta ant kondensatoriaus korpuso.
- Poliariškumas. Neteisingai prijungus įvyks gedimas ir gedimas.
- Elektros izoliacijos varža - Rd. Nustato prietaiso nuotėkio srovę. Įrenginiuose dalys yra netoli viena kitos. Didelės nuotėkio srovės gali sukelti parazitines jungtis grandinėse. Dėl to atsiranda gedimų. Dėl nuotėkio srovės pablogėja elemento talpinės savybės.
- Temperatūros koeficientas - TKE. Ši vertė lemia, kaip keičiasi prietaiso talpa dėl aplinkos temperatūros svyravimų. Šis parametras naudojamas projektuojant prietaisus, skirtus naudoti atšiaurioje aplinkoje.
- Parazitinis pjezoefektas. Kai kurių tipų kondensatoriai, kai jie deformuojami, prietaisuose sukelia triukšmą.
Kondensatorių tipai ir rūšys
Talpiniai elementai skirstomi pagal jų konstrukcijoje naudojamo dielektriko tipą.
Popieriniai ir metaliniai kondensatoriai
Elementai naudojami nuolatinės srovės arba silpnai pulsuojančių įtampų grandinėse. Dėl konstrukcijos paprastumo charakteristikų stabilumas sumažėja 10-25 %, o nuostolių vertė padidėja.
Popieriniuose kondensatoriuose aliuminio folijos dangteliai atskirti popieriumi. Mazgai susukami ir dedami į cilindrinį arba stačiakampį lygiagretainio formos korpusą.
Įrenginiai veikia nuo -60 °C iki 125 °C temperatūroje, jų vardinė įtampa žemos įtampos įrenginiuose siekia iki 1600 V, o aukštos įtampos įrenginiuose - virš 1600 V, o talpa - iki kelių dešimčių μF.
Popieriaus ir metalo įtaisuose ant dielektriko popieriaus vietoj folijos dedamas plonas metalo sluoksnis. Tai padeda pagaminti mažesnius komponentus. Nedidelio gedimo atveju dielektrikas gali savaime atsistatyti. Metalo-popieriaus elementai pagal izoliacijos varžą yra prastesni už popierinius elementus.
Elektrolitiniai kondensatoriai
Šių gaminių konstrukcija panaši į popierinių kondensatorių. Tačiau gaminant elektrolitinius elementus popierius impregnuojamas metalų oksidais.
Gaminant elektrolito gaminį be popieriaus, oksidas užtepamas ant metalinio elektrodo. Metalų oksidai pasižymi vienpusiu laidumu, todėl prietaisas yra poliarinis.
Kai kuriuose elektrolitinių elementų modeliuose dangteliai yra su grioveliais, kurie padidina elektrodo paviršiaus plotą. Tarpai tarp plokštelių panaikinami užpildant juos elektrolitu. Tai pagerina gaminio talpumo savybes.
Didelė elektrolitinių įtaisų talpa, siekianti šimtus μF, naudojama filtruose įtampos pulsacijoms išlyginti.
Aliuminio elektrolitinis
Šio tipo prietaisų anodo plokštelė pagaminta iš aliuminio folijos. Paviršius padengtas metalo oksidu - dielektriku. Katodo padas yra kietasis arba skystasis elektrolitas, kuris parenkamas taip, kad eksploatacijos metu ant folijos esantis oksido sluoksnis atsinaujintų. Dielektriko savaiminis remontas pailgina elemento veikimo laiką.
Šios konstrukcijos kondensatoriai turi atitikti poliškumą. Pakeitus poliškumą, korpusas bus suplėšytas.
Prietaisai, kurių viduje yra priešpriešinių poliarinių mazgų, naudojami 2 kryptimis. Aliuminio elektrolitinių elementų talpa siekia iki kelių tūkstančių µF.
Tantalo elektrolitinis
Šių prietaisų anodinis elektrodas pagamintas iš akytos struktūros, kuri gaunama kaitinant tantalo miltelius iki 2000 °C temperatūros. Medžiaga panaši į kempinę. Dėl akytumo padidėja paviršiaus plotas.
Elektrocheminės oksidacijos būdu ant anodo uždedamas iki 100 nanometrų storio tantalo pentoksido sluoksnis. Kietasis dielektrikas pagamintas iš mangano dioksido. Paruošta konstrukcija įspaudžiama į mišinį - specialią dervą.
Tantalo gaminiai naudojami esant aukštesniems nei 100 kHz dažniams. Talpa gali siekti šimtus μF, o darbinė įtampa - iki 75 V.
Polimeras
Kondensatoriuose naudojamas kietasis polimerinis elektrolitas, turintis keletą privalumų:
- eksploatavimo trukmė pailgėja iki 50 000 valandų;
- parametrai išlaikomi ir įkaitus;
- platesnis srovės pulsacijų diapazonas;
- gnybtų ir elektrodų varža nesumažina talpos.
Plėvelės tipas
Šių modelių dielektrikas yra teflono, poliesterio, fluoroplastiko arba polipropileno plėvelė.
Dangteliai yra folija arba metalas, užpurkštas ant plėvelės. Ši konstrukcija naudojama daugiasluoksniams mazgams su padidintu paviršiaus plotu kurti.
Plėvelinių kondensatorių talpa yra šimtai μF, o jų dydis - miniatiūrinis. Priklausomai nuo sluoksnių ir kontaktinių išvadų išdėstymo, gaminami ašinės arba radialinės formos gaminiai.
Kai kurių modelių vardinė įtampa yra 2 kV ar aukštesnė.
Skirtumas tarp polinių ir nepolinių
Nepoliarinės konstrukcijos leidžia kondensatorius įjungti į grandinę neatsižvelgiant į srovės kryptį. Elementai naudojami kintamosios srovės maitinimo šaltinių filtruose, aukšto dažnio stiprintuvuose.
Poliariniai gaminiai jungiami pagal ženklinimą. Jei prietaisas bus prijungtas priešinga kryptimi, jis neveiks arba veiks netinkamai.
Didelės ir mažos talpos poliniai ir nepoliniai kondensatoriai skiriasi dielektriko konstrukcija. Jei elektrolitiniuose kondensatoriuose oksidu padengiamas 1 elektrodas arba 1 popieriaus, plėvelės pusė, elementas bus polinis.
Į kintamosios srovės grandines įtraukiami nepolinių elektrolitinių kondensatorių modeliai, kai metalo oksidas simetriškai dengia abu dielektriko paviršius.
Poliariniai kondensatoriai turi teigiamų arba neigiamų elektrodų žymes ant korpuso.
Nuo ko priklauso kondensatoriaus talpa
Pagrindinė kondensatoriaus funkcija ir vaidmuo grandinėje - kaupti krūvius, o papildomas vaidmuo - išvengti nuotėkio.
Kondensatoriaus talpa yra tiesiogiai proporcinga terpės dielektrinei skvarbai ir plokštelių plotui bei atvirkščiai proporcinga atstumui tarp elektrodų. Kyla du prieštaravimai:
- Kad padidėtų talpa, elektrodai turi būti kuo storesni, platesni ir ilgesni. Tuo pat metu prietaiso dydis neturi būti didinamas.
- Kad krūviai išsilaikytų ir sukurtų reikiamą traukos jėgą, atstumas tarp plokštelių turi būti kuo mažesnis. Tuo pačiu metu neturi sumažėti gedimo srovė.
Siekdami išspręsti prieštaravimus, kūrėjai naudoja
- daugiasluoksnės dielektriko ir elektrodų poros struktūros;
- akytos anodo struktūros;
- popieriaus pakeitimas oksidais ir elektrolitais;
- lygiagretus elementų sujungimas;
- užpildyti laisvąją erdvę medžiagomis, kurių dielektrinė skvarba didesnė.
Kondensatorių dydis vis mažėja, o jų charakteristikos gerėja su kiekvienu nauju išradimu.
Susiję straipsniai:
