Elektronisko ierīču dizaina elementu bāze kļūst sarežģītāka. Ierīces tiek apvienotas integrētās shēmās ar noteiktu funkcionalitāti un programmas vadību. Bet izstrādes pamatā ir pamata ierīces: kondensatori, rezistori, diodes un tranzistori.
Saturs
Kas ir kondensators
Ierīci, kas uzglabā elektroenerģiju elektrisko lādiņu veidā, sauc par kondensatoru.
Elektrības vai elektriskā lādiņa daudzumu fizikā mēra kulonos (C). Kapacitāti mēra farados (F).
Vientuļš vadītājs ar elektrisko jaudu 1 farads ir metāla bumbiņa ar rādiusu, kas vienāds ar 13 Saules rādiusiem.Tāpēc kondensatorā ir iekļauti vismaz 2 vadītāji, kas ir atdalīti ar dielektrisku. Vienkāršos ierīces dizainos - papīrs.
Kondensatora darbība līdzstrāvas ķēdē tiek veikta pie strāvas ieslēgšanas un izslēgšanas.Tikai pārejas brīžos mainās potenciāls uz plāksnēm.
Kondensators maiņstrāvas ķēdē tiek uzlādēts ar frekvenci, kas vienāda ar barošanas avota sprieguma frekvenci. Nepārtrauktas uzlādes un izlādes rezultātā caur elementu plūst strāva. Augstāka frekvence - ierīce uzlādējas ātrāk.
Ķēdes ar kondensatoru pretestība ir atkarīga no strāvas frekvences. Pie nulles līdzstrāvas frekvences pretestības vērtībai ir tendence līdz bezgalībai. Palielinoties maiņstrāvas frekvencei, pretestība samazinās.
Kur tiek izmantoti kondensatori?
Elektronisko, radiotehnikas un elektrisko ierīču darbība nav iespējama bez kondensatoriem.
Elektrotehnikā tos izmanto, lai pārslēgtu fāzes, iedarbinot asinhronos motorus. Bez fāzes nobīdes trīsfāzu asinhronais motors mainīgā vienfāzes tīklā nedarbojas.
Kondensatori ar vairāku faradu ietilpību – jonistori, tiek izmantoti elektriskajos transportlīdzekļos kā dzinēju jaudas avoti.
Lai saprastu, kāpēc nepieciešams kondensators, jāzina, ka 10-12% mērierīču darbojas pēc elektriskās kapacitātes maiņas principa, mainoties ārējās vides parametriem. Īpašu ierīču reakcijas kapacitāti izmanto:
- vāju kustību reģistrēšana, palielinot vai samazinot attālumu starp plāksnēm;
- mitruma noteikšana, fiksējot izmaiņas dielektriķa pretestībā;
- šķidruma līmeņa mērīšana, kas maina elementa ietilpību piepildot.
Grūti iedomāties, kā tiek veidota automatizācija un releja aizsardzība bez kondensatoriem. Dažas aizsardzības loģikas ņem vērā ierīces uzlādes daudzveidību.
Kapacitatīvos elementus izmanto mobilo sakaru ierīču, radio un televīzijas iekārtu shēmās. Kondensatori tiek izmantoti:
- Augsto un zemo frekvenču pastiprinātāji;
- barošanas avoti;
- frekvenču filtri;
- skaņas pastiprinātāji;
- procesori un citas mikroshēmas.
Atbildi uz jautājumu par to, kam paredzēts kondensators, ir viegli atrast, ja paskatās uz elektronisko ierīču elektriskās ķēdes.
Kondensatora darbības princips
Līdzstrāvas ķēdē pozitīvie lādiņi tiek savākti uz vienas plāksnes, bet negatīvie lādiņi tiek savākti uz otras. Savstarpējas pievilkšanās dēļ daļiņas tiek turētas ierīcē, un starp tām esošais dielektriķis neļauj savienoties. Jo plānāks ir dielektriķis, jo stiprāki ir saistīti lādiņi.
Kondensators paņem elektrības daudzumu, kas nepieciešams tvertnes piepildīšanai, un strāva apstājas.
Ar pastāvīgu spriegumu ķēdē elements saglabā lādiņu, līdz tiek izslēgta barošana. Tad tas tiek izvadīts caur ķēdē esošajām slodzēm.
Maiņstrāva plūst caur kondensatoru citādā veidā. Pirmā ¼ svārstību perioda ir brīdis, kad ierīce tiek uzlādēta. Uzlādes strāvas amplitūda samazinās eksponenciāli, un līdz ceturkšņa beigām tā nokrītas līdz nullei. EML šajā brīdī sasniedz amplitūdu.
Otrajā ¼ periodā EML samazinās un šūna sāk izlādēties. EML samazinājums sākotnēji ir neliels un attiecīgi arī izlādes strāva. Tas aug saskaņā ar to pašu eksponenciālo atkarību. Līdz perioda beigām EMF ir nulle, strāva ir vienāda ar amplitūdas vērtību.
Trešajā ¼ svārstību perioda EML maina virzienu, iet cauri nullei un palielinās.Uzlādes zīme uz plāksnēm ir apgriezta. Strāva samazinās pēc lieluma un saglabā virzienu. Šajā brīdī elektriskā strāva vada spriegumu par 90° fāzē.
Induktoros notiek pretējais: spriegums vada strāvu. Šī īpašība ir pirmā, izvēloties, kuras shēmas izmantot shēmā: RC vai RL.
Cikla beigās, pie pēdējām ¼ svārstībām, EMF nokrītas līdz nullei, un strāva sasniedz maksimālo vērtību.
"Kapacitāte" tiek izlādēta un uzlādēta 2 reizes periodā un vada maiņstrāvu.
Šis ir procesu teorētisks apraksts. Lai saprastu, kā ķēdē esošais elements darbojas tieši ierīcē, tiek aprēķināta ķēdes induktīvā un kapacitatīvā pretestība, pārējo dalībnieku parametri, kā arī tiek ņemta vērā ārējās vides ietekme.
Galvenās īpašības un īpašības
Kondensatora parametri, ko izmanto elektronisko ierīču izveidei un remontam, ietver:
- Ietilpība — C. Nosaka ierīces uzlādes apjomu. Nominālās jaudas vērtība ir norādīta uz korpusa. Lai izveidotu nepieciešamās vērtības, elementi tiek iekļauti ķēdē paralēli vai virknē. Darbības vērtības nesakrīt ar aprēķinātajām.
- Rezonanses frekvence - fр. Ja strāvas frekvence ir lielāka par rezonanses frekvenci, parādās elementa induktīvās īpašības. Tas apgrūtina darbu. Lai nodrošinātu aprēķināto jaudu ķēdē, ir saprātīgi izmantot kondensatoru frekvencēs, kas ir mazākas par rezonanses vērtībām.
- Nominālais spriegums - Un. Lai novērstu elementa bojājumus, darba spriegums ir iestatīts mazāks par nominālo spriegumu. Parametrs ir norādīts uz kondensatora korpusa.
- Polaritāte. Ja savienojums ir nepareizs, notiks sabrukums un kļūme.
- Elektriskās izolācijas pretestība - Rd. Nosaka ierīces noplūdes strāvu. Ierīcēs daļas atrodas tuvu viena otrai. Pie lielas noplūdes strāvas ķēdēs ir iespējami parazitārie savienojumi. Tas noved pie darbības traucējumiem. Noplūdes strāva pasliktina elementa kapacitatīvās īpašības.
- Temperatūras koeficients - TKE. Vērtība nosaka, kā ierīces kapacitāte mainās līdz ar apkārtējās vides temperatūras svārstībām. Parametrs tiek izmantots, izstrādājot ierīces darbam smagos klimatiskajos apstākļos.
- parazitārais pjezoelektriskais efekts. Dažu veidu kondensatori, ja tie ir deformēti, rada troksni ierīcēs.
Kondensatoru veidi un veidi
Kapacitatīvos elementus klasificē pēc konstrukcijā izmantotā dielektriķa veida.
Papīrs un metāla-papīra kondensatori
Elementi tiek izmantoti ķēdēs ar pastāvīgu vai nedaudz pulsējošu spriegumu. Dizaina vienkāršība rada par 10-25% zemāku veiktspējas stabilitāti un palielinātus zudumus.
Papīra kondensatoros alumīnija folijas plāksnes atdala papīru. Agregāti ir savīti un ievietoti korpusā cilindra vai taisnstūra paralēlskaldņa formā.
Ierīces darbojas temperatūrā -60 ... + 125 ° C, ar nominālo zemsprieguma ierīču spriegumu līdz 1600 V, augstsprieguma ierīcēm - virs 1600 V un jaudu līdz desmitiem mikrofaradu.
Metāla-papīra ierīcēs folijas vietā uz dielektriskā papīra tiek uzklāts plāns metāla slānis. Tas palīdz ražot mazākus elementus. Ar nelieliem bojājumiem ir iespējama dielektriķa pašatveseļošanās. Metāla-papīra elementi izolācijas pretestības ziņā ir zemāki par papīra elementiem.
Elektrolītiskie kondensatori
Izstrādājumu dizains atgādina papīra izstrādājumus. Bet elektrolītisko elementu ražošanā papīrs tiek piesūcināts ar metāla oksīdiem.
Produktos ar elektrolītu bez papīra oksīds tiek nogulsnēts uz metāla elektroda. Metālu oksīdiem ir vienpusēja vadītspēja, kas padara ierīci polāru.
Dažos elektrolītisko elementu modeļos plāksnes ir izgatavotas ar rievām, kas palielina elektroda virsmas laukumu. Atstarpes starp plāksnēm tiek novērstas, appludinot ar elektrolītu. Tas uzlabo izstrādājuma kapacitatīvās īpašības.
Sprieguma viļņošanās izlīdzināšanai filtros tiek izmantota liela elektrolītisko ierīču kapacitāte – simtiem mikrofaradu.
Alumīnija elektrolītis
Šāda veida ierīcēs anoda oderējums ir izgatavots no alumīnija folijas. Virsma ir pārklāta ar metāla oksīdu - dielektrisku. Katoda oderējums ir ciets vai šķidrs elektrolīts, kas tiek izvēlēts tā, lai darbības laikā uz folijas atjaunotos oksīda slānis. Pašdziedinošais dielektriķis pagarina elementa mūžu.
Šādas konstrukcijas kondensatoriem nepieciešama polaritāte. Atkārtoti ieslēdzot, tas pārtrauks korpusu.
Ierīces, kuru iekšpusē atrodas pretsecīgi polārie mezgli, tiek izmantotas 2 virzienos. Alumīnija elektrolītisko elementu kapacitāte sasniedz vairākus tūkstošus mikrofaradu.
Tantala elektrolītisks līdzeklis
Šādu ierīču anoda elektrods ir izgatavots no porainas struktūras, kas iegūta, karsējot tantala pulveri līdz +2000°C. Materiāls izskatās kā sūklis. Porainība palielina virsmas laukumu.
Izmantojot elektroķīmisko oksidēšanu, uz anoda tiek uzklāts līdz 100 nanometriem biezs tantala pentoksīda slānis. Ciets dielektriķis ir izgatavots no mangāna dioksīda.Gatavā struktūra tiek presēta savienojumā - īpašos sveķos.
Tantala izstrādājumus izmanto strāvas frekvencēs virs 100 kHz. Kapacitāte tiek radīta līdz simtiem mikrofaradu ar darba spriegumu līdz 75 V.
Polimērs
Kondensatori izmanto elektrolītu, kas izgatavots no cietiem polimēriem, kas nodrošina vairākas priekšrocības:
- kalpošanas laiks tiek palielināts līdz 50 tūkstošiem stundu;
- parametri tiek saglabāti apkures laikā;
- tiek paplašināts pieļaujamo strāvas viļņošanās diapazons;
- plākšņu un vadu pretestība neietekmē kapacitāti.
Filma
Dielektriķis šajos modeļos ir teflona, poliestera, fluoroplastmasas vai polipropilēna plēve.
Pārsegi - folijas vai metāla nogulsnēšana uz plēves. Dizains tiek izmantots, lai izveidotu daudzslāņu komplektus ar palielinātu virsmas laukumu.
Miniatūra izmēra plēves kondensatoru kapacitāte ir simtiem mikrofaradu. Atkarībā no slāņu izvietojuma un kontaktu secinājumiem tiek izgatavotas izstrādājumu aksiālās vai radiālās formas.
Dažos modeļos nominālais spriegums ir 2 kV un augstāks.
Kāda ir atšķirība starp polāro un nepolāro
Nepolāri ļauj ķēdē iekļaut kondensatorus, neņemot vērā strāvas virzienu. Elementi tiek izmantoti mainīgo barošanas avotu filtros, augstfrekvences pastiprinātājos.
Polārie izstrādājumi ir savienoti saskaņā ar marķējumu. Ja to ieslēdzat pretējā virzienā, ierīce neizdosies vai nedarbosies normāli.
Lielas un mazas jaudas polārie un nepolārie kondensatori atšķiras pēc dielektriķa konstrukcijas. Elektrolītiskajos kondensatoros, ja oksīds tiek uzklāts uz 1 elektroda vai 1 papīra, plēves pusi, tad elements būs polārs.
Maiņstrāvas ķēdēs ir iekļauti nepolāru elektrolītisko kondensatoru modeļi, kuru konstrukcijās metāla oksīds tika nogulsnēts simetriski uz abām dielektriķa virsmām.
Polārajiem uz ķermeņa ir pozitīva vai negatīva elektroda marķējums.
Kas nosaka kondensatora kapacitāti
Kondensatora galvenā funkcija un loma ķēdē ir uzkrāt lādiņus, bet papildu funkcija ir novērst noplūdi.
Kondensatora kapacitātes vērtība ir tieši proporcionāla vides dielektriskajai konstantei un plākšņu laukumam un apgriezti proporcionāla attālumam starp elektrodiem. Ir 2 pretrunas:
- Lai palielinātu kapacitāti, elektrodi ir nepieciešami pēc iespējas biezāki, platāki un garāki. Šajā gadījumā ierīces izmērus nevar palielināt.
- Lai saglabātu lādiņus un nodrošinātu vēlamo pievilkšanas spēku, attālums starp plāksnēm ir minimāls. Šajā gadījumā pārrāvuma strāvu nevar samazināt.
Lai atrisinātu konfliktus, izstrādātāji izmanto:
- dielektriķa un elektroda pāra daudzslāņu konstrukcijas;
- porainas anoda struktūras;
- papīra aizstāšana ar oksīdiem un elektrolītiem;
- elementu paralēlais savienojums;
- brīvas vietas aizpildīšana ar vielām ar paaugstinātu dielektrisko konstanti.
Ar katru jaunu izgudrojumu kondensatori kļūst mazāki un labāki.
Līdzīgi raksti:
