La base degli elementi per la progettazione di dispositivi elettronici sta diventando più complicata. I dispositivi sono combinati in circuiti integrati con una determinata funzionalità e controllo del programma. Ma lo sviluppo si basa su dispositivi di base: condensatori, resistori, diodi e transistor.
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Cos'è un condensatore
Un dispositivo che immagazzina energia elettrica sotto forma di cariche elettriche è chiamato condensatore.
La quantità di elettricità o carica elettrica in fisica è misurata in coulomb (C). La capacità è misurata in farad (F).
Un conduttore solitario con una capacità elettrica di 1 farad è una sfera di metallo con un raggio pari a 13 raggi del Sole.Pertanto, il condensatore include almeno 2 conduttori, che sono separati da un dielettrico. In semplici design del dispositivo: carta.
Il funzionamento di un condensatore in un circuito CC viene eseguito all'accensione e allo spegnimento dell'alimentazione. Solo nei momenti di transizione il potenziale sulle piastre cambia.
Il condensatore nel circuito AC viene ricaricato ad una frequenza uguale alla frequenza della tensione di alimentazione. Come risultato di cariche e scariche continue, la corrente scorre attraverso l'elemento. Frequenza più alta: il dispositivo si ricarica più velocemente.
La resistenza di un circuito con un condensatore dipende dalla frequenza della corrente. A frequenza DC zero, il valore della resistenza tende all'infinito. All'aumentare della frequenza CA, la resistenza diminuisce.
Dove vengono utilizzati i condensatori?
Il funzionamento di dispositivi elettronici, radiotecnici ed elettrici è impossibile senza condensatori.
In ingegneria elettrica, vengono utilizzati per spostare le fasi all'avvio dei motori a induzione. Senza sfasamento, un motore asincrono trifase in una rete monofase variabile non funziona.
I condensatori con una capacità di diversi farad - ionisti, sono utilizzati nei veicoli elettrici come fonti di alimentazione del motore.
Per capire perché è necessario un condensatore, è necessario sapere che il 10-12% dei dispositivi di misurazione funziona secondo il principio della modifica della capacità elettrica quando cambiano i parametri dell'ambiente esterno. La capacità di reazione di dispositivi speciali viene utilizzata per:
- registrazione di movimenti deboli attraverso un aumento o una diminuzione della distanza tra le piastre;
- determinazione dell'umidità fissando i cambiamenti nella resistenza del dielettrico;
- misurazione del livello del liquido, che modifica la capacità dell'elemento una volta riempito.
È difficile immaginare come siano progettati l'automazione e la protezione dei relè senza condensatori. Alcune logiche di protezione tengono conto della molteplicità della ricarica del dispositivo.
Gli elementi capacitivi sono utilizzati nei circuiti di dispositivi di comunicazione mobile, apparecchiature radio e televisive. I condensatori sono utilizzati in:
- amplificatori di alte e basse frequenze;
- riserve energetiche;
- filtri di frequenza;
- amplificatori del suono;
- processori e altri microcircuiti.
È facile trovare la risposta alla domanda su cosa serva un condensatore, se guardi i circuiti elettrici dei dispositivi elettronici.
Il principio di funzionamento del condensatore
In un circuito CC, le cariche positive vengono raccolte su una piastra e le cariche negative vengono raccolte sull'altra. A causa dell'attrazione reciproca, le particelle sono trattenute nel dispositivo e il dielettrico tra di loro non consente la connessione. Più sottile è il dielettrico, più forti sono le cariche legate.
Il condensatore assorbe la quantità di elettricità necessaria per riempire il contenitore e la corrente si interrompe.
Con una tensione costante nel circuito, l'elemento mantiene una carica fino allo spegnimento dell'alimentazione. Quindi viene scaricato attraverso i carichi nel circuito.
La corrente alternata scorre attraverso un condensatore in modo diverso. Il primo ¼ del periodo di oscillazione è il momento in cui il dispositivo viene caricato. L'ampiezza della corrente di carica diminuisce in modo esponenziale e alla fine del trimestre scende a zero. EMF in questo momento raggiunge l'ampiezza.
Nel secondo ¼ di periodo, l'EMF diminuisce e la cellula inizia a scaricarsi. La diminuzione dell'EMF è inizialmente piccola e anche la corrente di scarica, rispettivamente. Cresce secondo la stessa dipendenza esponenziale. Alla fine del periodo, l'EMF è zero, la corrente è uguale al valore dell'ampiezza.
Nel terzo ¼ del periodo di oscillazione, l'EMF cambia direzione, passa per zero e aumenta.Il segno di carica sui piatti è invertito. La corrente diminuisce di intensità e mantiene la direzione. A questo punto la corrente elettrica porta la tensione di 90° in fase.
Negli induttori accade il contrario: la tensione conduce la corrente. Questa proprietà viene prima quando si scelgono i circuiti da utilizzare nel circuito: RC o RL.
Alla fine del ciclo, all'ultimo ¼ di oscillazione, l'EMF scende a zero e la corrente raggiunge il suo valore di picco.
La "capacità" viene scaricata e caricata 2 volte per periodo e conduce corrente alternata.
Questa è una descrizione teorica dei processi. Per capire come funziona l'elemento nel circuito direttamente nel dispositivo, vengono calcolate la resistenza induttiva e capacitiva del circuito, i parametri degli altri partecipanti e viene presa in considerazione l'influenza dell'ambiente esterno.
Principali caratteristiche e proprietà
I parametri del condensatore utilizzati per creare e riparare dispositivi elettronici includono:
- Capacità - C. Determina la quantità di carica che il dispositivo contiene. Il valore della capacità nominale è indicato sulla cassa. Per creare i valori richiesti, gli elementi sono inseriti nel circuito in parallelo o in serie. I valori operativi non corrispondono a quelli calcolati.
- Frequenza di risonanza - fр. Se la frequenza della corrente è maggiore di quella risonante, compaiono le proprietà induttive dell'elemento. Questo rende il lavoro difficile. Per fornire la potenza calcolata nel circuito, è ragionevole utilizzare un condensatore a frequenze inferiori ai valori di risonanza.
- Tensione nominale - Un. Per evitare la rottura dell'elemento, la tensione di esercizio è impostata a un valore inferiore alla tensione nominale. Il parametro è indicato sulla custodia del condensatore.
- Polarità. Se la connessione non è corretta, si verificheranno guasti e guasti.
- Resistenza di isolamento elettrico - Rd. Definisce la corrente di dispersione del dispositivo. Nei dispositivi, le parti si trovano vicine l'una all'altra. Con un'elevata corrente di dispersione, sono possibili collegamenti parassiti nei circuiti. Questo porta a malfunzionamenti. La corrente di dispersione degrada le proprietà capacitive dell'elemento.
- Coefficiente di temperatura - TKE. Il valore determina come cambia la capacità del dispositivo con le fluttuazioni della temperatura dell'ambiente. Il parametro viene utilizzato durante lo sviluppo di dispositivi per il funzionamento in condizioni climatiche avverse.
- effetto piezoelettrico parassitario. Alcuni tipi di condensatori, se deformati, creano rumore nei dispositivi.
Tipi e tipi di condensatori
Gli elementi capacitivi sono classificati in base al tipo di dielettrico utilizzato nel progetto.
Condensatori in carta e metallo-carta
Gli elementi sono utilizzati in circuiti con tensione costante o leggermente pulsante. La semplicità del design si traduce in una stabilità delle prestazioni inferiore del 10-25% e in un aumento delle perdite.
Nei condensatori di carta, le piastre di alluminio separano la carta. Gli assiemi sono attorcigliati e posti in una custodia a forma di cilindro o di parallelepipedo rettangolare.
I dispositivi funzionano a temperature di -60 ... + 125 ° C, con una tensione nominale di dispositivi a bassa tensione fino a 1600 V, dispositivi ad alta tensione - superiore a 1600 V e una capacità fino a decine di microfarad.
Nei dispositivi metallo-carta, invece della lamina, viene applicato un sottile strato di metallo alla carta dielettrica. Questo aiuta a produrre elementi più piccoli. Con piccoli guasti, è possibile l'autoriparazione del dielettrico. Gli elementi in metallo-carta sono inferiori agli elementi in carta in termini di resistenza all'isolamento.
Condensatori elettrolitici
Il design dei prodotti ricorda quelli di carta. Ma nella produzione di celle elettrolitiche, la carta è impregnata di ossidi metallici.
Nei prodotti con elettrolita senza carta, l'ossido si deposita su un elettrodo metallico. Gli ossidi di metallo hanno una conduttività unilaterale, il che rende il dispositivo polare.
In alcuni modelli di celle elettrolitiche, le piastre sono realizzate con scanalature che aumentano la superficie dell'elettrodo. Gli spazi vuoti nello spazio tra le piastre vengono eliminati inondando di elettrolita. Ciò migliora le proprietà capacitive del prodotto.
Una grande capacità di dispositivi elettrolitici - centinaia di microfarad - viene utilizzata nei filtri per attenuare le increspature di tensione.
Elettrolitico in alluminio
Nei dispositivi di questo tipo, il rivestimento dell'anodo è costituito da un foglio di alluminio. La superficie è rivestita con ossido di metallo, un dielettrico. Il rivestimento del catodo è un elettrolita solido o liquido, selezionato in modo che lo strato di ossido sulla lamina venga ripristinato durante il funzionamento. Il dielettrico autorigenerante prolunga la vita dell'elemento.
I condensatori di questo tipo richiedono polarità. Quando viene riacceso, romperà la custodia.
I dispositivi, all'interno dei quali si trovano gruppi polari antisequenziali, vengono utilizzati in 2 direzioni. La capacità delle celle elettrolitiche in alluminio raggiunge diverse migliaia di microfarad.
Elettrolitico al tantalio
L'elettrodo anodico di tali dispositivi è costituito da una struttura porosa ottenuta riscaldando la polvere di tantalio a +2000°C. Il materiale sembra una spugna. La porosità aumenta la superficie.
Utilizzando l'ossidazione elettrochimica, all'anodo viene applicato uno strato di pentossido di tantalio spesso fino a 100 nanometri. Un dielettrico solido è costituito da biossido di manganese.La struttura finita viene pressata in un composto: una resina speciale.
I prodotti al tantalio sono utilizzati a frequenze di corrente superiori a 100 kHz. La capacità viene creata fino a centinaia di microfarad, con una tensione operativa fino a 75 V.
Polimero
I condensatori utilizzano un elettrolita fatto di polimeri solidi, che offre una serie di vantaggi:
- la durata è aumentata fino a 50 mila ore;
- i parametri vengono salvati durante il riscaldamento;
- la gamma delle ondulazioni di corrente ammissibili viene ampliata;
- la resistenza delle piastre e dei conduttori non devia la capacità.
Film
Il dielettrico in questi modelli è un film di teflon, poliestere, fluoroplastico o polipropilene.
Copertine: deposizione di lamina o metallo sul film. Il design viene utilizzato per creare assemblaggi multistrato con una superficie maggiore.
I condensatori a film con dimensioni miniaturizzate hanno una capacità di centinaia di microfarad. A seconda del posizionamento degli strati e delle conclusioni dei contatti, vengono realizzate forme assiali o radiali dei prodotti.
In alcuni modelli, la tensione nominale è pari o superiore a 2 kV.
Qual è la differenza tra polare e non polare
Gli apolari consentono l'inclusione di condensatori nel circuito indipendentemente dalla direzione della corrente. Gli elementi sono utilizzati in filtri di alimentatori variabili, amplificatori ad alta frequenza.
I prodotti Polar sono collegati in base alla marcatura. Se lo accendi nella direzione opposta, il dispositivo si guasta o non funzionerà normalmente.
I condensatori polari e non polari di grande e piccola capacità differiscono nel design del dielettrico. Nei condensatori elettrolitici, se l'ossido viene applicato a 1 elettrodo o 1 lato della carta, pellicola, l'elemento sarà polare.
I modelli di condensatori elettrolitici non polari, nei modelli in cui l'ossido di metallo è stato depositato simmetricamente su entrambe le superfici del dielettrico, sono inclusi nei circuiti a corrente alternata.
Per quelli polari, sul corpo è presente la marcatura di un elettrodo positivo o negativo.
Cosa determina la capacità di un condensatore
La funzione principale e il ruolo di un condensatore in un circuito è accumulare cariche e un'altra è prevenire perdite.
Il valore della capacità del condensatore è direttamente proporzionale alla costante dielettrica del mezzo e all'area delle piastre e inversamente proporzionale alla distanza tra gli elettrodi. Ci sono 2 contraddizioni:
- Per aumentare la capacità, sono necessari elettrodi il più spessi, più larghi e più lunghi possibile. In questo caso, le dimensioni del dispositivo non possono essere aumentate.
- Per mantenere le cariche e fornire la forza di attrazione desiderata, la distanza tra le piastre è ridotta al minimo. In questo caso, la corrente di rottura non può essere ridotta.
Per risolvere i conflitti, gli sviluppatori utilizzano:
- costruzioni multistrato di una coppia di dielettrico ed elettrodo;
- strutture anodiche porose;
- sostituzione della carta con ossidi ed elettroliti;
- collegamento in parallelo di elementi;
- riempire lo spazio libero con sostanze a costante dielettrica aumentata.
I condensatori stanno diventando sempre più piccoli e migliori con ogni nuova invenzione.
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