Τι είναι ένας πυκνωτής, τύποι πυκνωτών και η εφαρμογή τους

Η βάση στοιχείων για το σχεδιασμό ηλεκτρονικών συσκευών γίνεται πιο περίπλοκη. Οι συσκευές συνδυάζονται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα με δεδομένη λειτουργικότητα και έλεγχο προγράμματος. Αλλά η ανάπτυξη βασίζεται σε βασικές συσκευές: πυκνωτές, αντιστάσεις, δίοδοι και τρανζίστορ.

Τι είναι ένας πυκνωτής

Μια συσκευή που αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρικών φορτίων ονομάζεται πυκνωτής.

Η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας ή ηλεκτρικού φορτίου στη φυσική μετριέται σε κουλόμπ (C). Η χωρητικότητα μετριέται σε farads (F).

Ένας μοναχικός αγωγός με ηλεκτρική χωρητικότητα 1 φαράντ είναι μια μεταλλική σφαίρα με ακτίνα ίση με 13 ακτίνες του Ήλιου.Επομένως, ο πυκνωτής περιλαμβάνει τουλάχιστον 2 αγωγούς, οι οποίοι χωρίζονται από ένα διηλεκτρικό. Σε απλά σχέδια της συσκευής - χαρτί.

Η λειτουργία ενός πυκνωτή σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος πραγματοποιείται όταν η τροφοδοσία ενεργοποιείται και απενεργοποιείται.Μόνο σε μεταβατικές στιγμές το δυναμικό στις πλάκες αλλάζει.

Ο πυκνωτής στο κύκλωμα AC επαναφορτίζεται με συχνότητα ίση με τη συχνότητα της τάσης τροφοδοσίας. Ως αποτέλεσμα συνεχών φορτίσεων και εκκενώσεων, το ρεύμα ρέει μέσω του στοιχείου. Υψηλότερη συχνότητα - η συσκευή επαναφορτίζεται πιο γρήγορα.

Η αντίσταση ενός κυκλώματος με πυκνωτή εξαρτάται από τη συχνότητα του ρεύματος. Σε μηδενική συχνότητα DC, η τιμή αντίστασης τείνει στο άπειρο. Καθώς η συχνότητα AC αυξάνεται, η αντίσταση μειώνεται.

Πού χρησιμοποιούνται οι πυκνωτές;

Η λειτουργία ηλεκτρονικών, ραδιοτεχνικών και ηλεκτρικών συσκευών είναι αδύνατη χωρίς πυκνωτές.

Στην ηλεκτρική μηχανική, χρησιμοποιούνται για τη μετατόπιση φάσεων κατά την εκκίνηση επαγωγικών κινητήρων. Χωρίς μετατόπιση φάσης, ένας τριφασικός ασύγχρονος κινητήρας σε μεταβλητό μονοφασικό δίκτυο δεν λειτουργεί.

Πυκνωτές χωρητικότητας πολλών φαράντ - ιονιστών, χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα ως πηγές ισχύος κινητήρα.

Για να καταλάβετε γιατί χρειάζεται ένας πυκνωτής, πρέπει να γνωρίζετε ότι το 10-12% των συσκευών μέτρησης λειτουργούν με βάση την αρχή της αλλαγής της ηλεκτρικής χωρητικότητας όταν αλλάζουν οι παράμετροι του εξωτερικού περιβάλλοντος. Η χωρητικότητα αντίδρασης ειδικών συσκευών χρησιμοποιείται για:

• καταγραφή αδύναμων κινήσεων μέσω αύξησης ή μείωσης της απόστασης μεταξύ των πλακών.
• προσδιορισμός της υγρασίας με τον καθορισμό αλλαγών στην αντίσταση του διηλεκτρικού.
• μέτρηση της στάθμης του υγρού, η οποία αλλάζει την χωρητικότητα του στοιχείου όταν γεμίζεται.

Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς σχεδιάζονται ο αυτοματισμός και η προστασία ρελέ χωρίς πυκνωτές. Ορισμένες λογικές προστασίας λαμβάνουν υπόψη την πολλαπλότητα της επαναφόρτισης της συσκευής.

Τα χωρητικά στοιχεία χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα κινητών συσκευών επικοινωνίας, ραδιοφωνικού και τηλεοπτικού εξοπλισμού. Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται σε:

• ενισχυτές υψηλών και χαμηλών συχνοτήτων.
• τροφοδοτικά;
• φίλτρα συχνότητας?
• ενισχυτές ήχου?
• επεξεργαστές και άλλα μικροκυκλώματα.

Είναι εύκολο να βρείτε την απάντηση στην ερώτηση για το τι είναι ένας πυκνωτής, αν κοιτάξετε τα ηλεκτρικά κυκλώματα των ηλεκτρονικών συσκευών.

Η αρχή της λειτουργίας του πυκνωτή

Σε ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος, τα θετικά φορτία συλλέγονται στη μία πλάκα και τα αρνητικά φορτία συλλέγονται στην άλλη. Λόγω της αμοιβαίας έλξης, τα σωματίδια συγκρατούνται στη συσκευή και το διηλεκτρικό μεταξύ τους δεν επιτρέπει τη σύνδεση. Όσο πιο λεπτό είναι το διηλεκτρικό, τόσο πιο ισχυρά δεσμεύονται τα φορτία.

Ο πυκνωτής παίρνει την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που χρειάζεται για να γεμίσει το δοχείο και το ρεύμα σταματά.

Με σταθερή τάση στο κύκλωμα, το στοιχείο διατηρεί ένα φορτίο μέχρι να απενεργοποιηθεί η τροφοδοσία. Στη συνέχεια εκφορτίζεται μέσω των φορτίων στο κύκλωμα.

Το εναλλασσόμενο ρεύμα ρέει μέσω ενός πυκνωτή με διαφορετικό τρόπο. Το πρώτο ¼ της περιόδου ταλάντωσης είναι η στιγμή που φορτίζεται η συσκευή. Το πλάτος του ρεύματος φόρτισης μειώνεται εκθετικά και στο τέλος του τριμήνου πέφτει στο μηδέν. Το EMF αυτή τη στιγμή φτάνει στο πλάτος.

Στο δεύτερο ¼ περίοδο, το EMF πέφτει και το κύτταρο αρχίζει να εκφορτίζεται. Η μείωση του EMF είναι αρχικά μικρή και το ρεύμα εκφόρτισης, αντίστοιχα, επίσης. Αναπτύσσεται σύμφωνα με την ίδια εκθετική εξάρτηση. Στο τέλος της περιόδου, το EMF είναι μηδέν, το ρεύμα είναι ίσο με την τιμή πλάτους.

Στο τρίτο ¼ της περιόδου ταλάντωσης, το EMF αλλάζει κατεύθυνση, διέρχεται από το μηδέν και αυξάνεται.Το σήμα φόρτισης στις πλάκες αντιστρέφεται. Το ρεύμα μειώνεται σε μέγεθος και διατηρεί την κατεύθυνση. Σε αυτό το σημείο, το ηλεκτρικό ρεύμα οδηγεί την τάση κατά 90° σε φάση.

Στους επαγωγείς συμβαίνει το αντίθετο: η τάση οδηγεί ρεύμα. Αυτή η ιδιότητα έρχεται πρώτη όταν επιλέγετε ποια κυκλώματα θα χρησιμοποιηθούν στο κύκλωμα: RC ή RL.

Στο τέλος του κύκλου, στο τελευταίο ¼ της ταλάντωσης, το EMF πέφτει στο μηδέν και το ρεύμα φτάνει στην μέγιστη τιμή του.

Η "χωρητικότητα" εκφορτίζεται και φορτίζεται 2 φορές ανά περίοδο και μεταφέρει εναλλασσόμενο ρεύμα.

Αυτή είναι μια θεωρητική περιγραφή των διαδικασιών. Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί το στοιχείο στο κύκλωμα απευθείας στη συσκευή, υπολογίζονται η επαγωγική και χωρητική αντίσταση του κυκλώματος, οι παράμετροι των άλλων συμμετεχόντων και λαμβάνεται υπόψη η επίδραση του εξωτερικού περιβάλλοντος.

Κύρια χαρακτηριστικά και ιδιότητες

Οι παράμετροι πυκνωτών που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία και την επισκευή ηλεκτρονικών συσκευών περιλαμβάνουν:

1. Χωρητικότητα - C. Προσδιορίζει την ποσότητα φόρτισης που κρατά η συσκευή. Η τιμή της ονομαστικής χωρητικότητας αναγράφεται στη θήκη. Για τη δημιουργία των απαιτούμενων τιμών, τα στοιχεία περιλαμβάνονται στο κύκλωμα παράλληλα ή σε σειρά. Οι λειτουργικές τιμές δεν ταιριάζουν με τις υπολογιζόμενες.
2. Συχνότητα συντονισμού - fр. Εάν η συχνότητα του ρεύματος είναι μεγαλύτερη από την συντονισμένη, τότε εμφανίζονται οι επαγωγικές ιδιότητες του στοιχείου. Αυτό δυσκολεύει τη δουλειά. Για την παροχή της υπολογιζόμενης ισχύος στο κύκλωμα, είναι λογικό να χρησιμοποιείται ένας πυκνωτής σε συχνότητες μικρότερες από τις τιμές συντονισμού.
3. Ονομαστική τάση - Un. Για να αποφευχθεί η βλάβη του στοιχείου, η τάση λειτουργίας ρυθμίζεται λιγότερο από την ονομαστική τάση. Η παράμετρος υποδεικνύεται στη θήκη του πυκνωτή.
4. Πόλωση. Εάν η σύνδεση είναι λανθασμένη, θα προκύψει βλάβη και αστοχία.
5. Ηλεκτρική αντίσταση μόνωσης - Rd. Καθορίζει το ρεύμα διαρροής της συσκευής. Στις συσκευές, τα μέρη βρίσκονται το ένα κοντά στο άλλο. Σε υψηλό ρεύμα διαρροής, είναι δυνατές παρασιτικές συνδέσεις στα κυκλώματα. Αυτό οδηγεί σε δυσλειτουργίες. Το ρεύμα διαρροής υποβαθμίζει τις χωρητικές ιδιότητες του στοιχείου.
6. Συντελεστής θερμοκρασίας - ΤΚΕ. Η τιμή καθορίζει πώς αλλάζει η χωρητικότητα της συσκευής με τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. Η παράμετρος χρησιμοποιείται κατά την ανάπτυξη συσκευών για λειτουργία σε δύσκολες κλιματολογικές συνθήκες.
7. παρασιτικό πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Ορισμένοι τύποι πυκνωτών, όταν παραμορφώνονται, δημιουργούν θόρυβο στις συσκευές.

Τύποι και τύποι πυκνωτών

Τα χωρητικά στοιχεία ταξινομούνται ανάλογα με τον τύπο του διηλεκτρικού που χρησιμοποιείται στο σχέδιο.

Πυκνωτές χαρτιού και μεταλλικού χαρτιού

Τα στοιχεία χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα με σταθερή ή ελαφρώς παλλόμενη τάση. Η απλότητα του σχεδιασμού έχει ως αποτέλεσμα 10-25% χαμηλότερη σταθερότητα απόδοσης και αυξημένες απώλειες.

Στους πυκνωτές χαρτιού, οι πλάκες από φύλλο αλουμινίου διαχωρίζουν το χαρτί. Τα συγκροτήματα συστρέφονται και τοποθετούνται σε θήκη με τη μορφή κυλίνδρου ή ορθογώνιου παραλληλεπιπέδου.

Οι συσκευές λειτουργούν σε θερμοκρασίες -60 ... + 125 ° C, με ονομαστική τάση συσκευών χαμηλής τάσης έως 1600 V, συσκευές υψηλής τάσης - πάνω από 1600 V και χωρητικότητα έως και δεκάδες microfarads.

Σε συσκευές μεταλλικού χαρτιού, αντί για αλουμινόχαρτο, εφαρμόζεται ένα λεπτό στρώμα μετάλλου σε διηλεκτρικό χαρτί. Αυτό βοηθά στην παραγωγή μικρότερων στοιχείων. Με μικρές βλάβες, είναι δυνατή η αυτοθεραπεία του διηλεκτρικού. Τα στοιχεία μετάλλου-χάρτου είναι κατώτερα από τα χάρτινα στοιχεία όσον αφορά την αντίσταση μόνωσης.

Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές

Ο σχεδιασμός των προϊόντων μοιάζει με χάρτινους. Αλλά στην κατασκευή ηλεκτρολυτικών στοιχείων, το χαρτί είναι εμποτισμένο με οξείδια μετάλλων.

Σε προϊόντα με ηλεκτρολύτη χωρίς χαρτί, το οξείδιο εναποτίθεται σε μεταλλικό ηλεκτρόδιο. Τα οξείδια μετάλλων έχουν μονόπλευρη αγωγιμότητα, γεγονός που καθιστά τη συσκευή πολική.

Σε ορισμένα μοντέλα ηλεκτρολυτικών στοιχείων, οι πλάκες κατασκευάζονται με αυλακώσεις που αυξάνουν την επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Τα κενά στο χώρο μεταξύ των πλακών εξαλείφονται με πλημμύρα με ηλεκτρολύτη. Αυτό βελτιώνει τις χωρητικές ιδιότητες του προϊόντος.

Μια μεγάλη χωρητικότητα ηλεκτρολυτικών συσκευών - εκατοντάδες microfarads - χρησιμοποιείται σε φίλτρα για την εξομάλυνση των κυματισμών τάσης.

Ηλεκτρολυτικό αλουμίνιο

Σε συσκευές αυτού του τύπου, η επένδυση ανόδου είναι κατασκευασμένη από φύλλο αλουμινίου. Η επιφάνεια είναι επικαλυμμένη με οξείδιο μετάλλου - ένα διηλεκτρικό. Η επένδυση καθόδου είναι ένας στερεός ή υγρός ηλεκτρολύτης, ο οποίος επιλέγεται έτσι ώστε το στρώμα οξειδίου στο φύλλο να αποκαθίσταται κατά τη λειτουργία. Το αυτοθεραπευόμενο διηλεκτρικό παρατείνει τη διάρκεια ζωής του στοιχείου.

Οι πυκνωτές αυτού του σχεδιασμού απαιτούν πολικότητα. Όταν ενεργοποιηθεί ξανά, θα σπάσει το περίβλημα.

Οι συσκευές, μέσα στις οποίες βρίσκονται αντιδιαδοχικά πολικά συγκροτήματα, χρησιμοποιούνται σε 2 κατευθύνσεις. Η χωρητικότητα των ηλεκτρολυτικών κυψελών αλουμινίου φτάνει πολλές χιλιάδες microfarads.

Ηλεκτρολυτικό ταντάλιο

Το ηλεκτρόδιο ανόδου τέτοιων συσκευών είναι κατασκευασμένο από μια πορώδη δομή που λαμβάνεται με θέρμανση σε σκόνη τανταλίου στους +2000°C. Το υλικό μοιάζει με σφουγγάρι. Το πορώδες αυξάνει την επιφάνεια.

Χρησιμοποιώντας ηλεκτροχημική οξείδωση, ένα στρώμα πεντοξειδίου του τανταλίου πάχους έως 100 νανόμετρα εφαρμόζεται στην άνοδο. Ένα στερεό διηλεκτρικό είναι κατασκευασμένο από διοξείδιο του μαγγανίου.Η τελική δομή συμπιέζεται σε μια ένωση - μια ειδική ρητίνη.

Τα προϊόντα τανταλίου χρησιμοποιούνται σε τρέχουσες συχνότητες άνω των 100 kHz. Δημιουργείται χωρητικότητα έως και εκατοντάδες microfarads, σε τάση λειτουργίας έως και 75 V.

Πολυμερές

Οι πυκνωτές χρησιμοποιούν έναν ηλεκτρολύτη κατασκευασμένο από στερεά πολυμερή, ο οποίος παρέχει μια σειρά από πλεονεκτήματα:

• η διάρκεια ζωής αυξάνεται έως και 50 χιλιάδες ώρες.
• οι παράμετροι αποθηκεύονται κατά τη θέρμανση.
• το εύρος των επιτρεπόμενων κυματισμών ρεύματος διευρύνεται.
• η αντίσταση των πλακών και των καλωδίων δεν περιορίζει την χωρητικότητα.

Ταινία

Το διηλεκτρικό σε αυτά τα μοντέλα είναι μια μεμβράνη από τεφλόν, πολυεστέρα, φθοροπλαστικό ή πολυπροπυλένιο.

Καλύμματα - μεμβράνη ή απόθεση μετάλλου πάνω στην μεμβράνη. Ο σχεδιασμός χρησιμοποιείται για τη δημιουργία πολυστρωματικών συγκροτημάτων με αυξημένη επιφάνεια.

Οι πυκνωτές φιλμ με μικροσκοπικά μεγέθη έχουν χωρητικότητα εκατοντάδων microfarads. Ανάλογα με την τοποθέτηση των στρώσεων και τα συμπεράσματα των επαφών, γίνονται αξονικά ή ακτινικά σχήματα των προϊόντων.

Σε ορισμένα μοντέλα, η ονομαστική τάση είναι 2 kV και άνω.

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ πολικού και μη πολικού

Τα μη πολικά επιτρέπουν τη συμπερίληψη πυκνωτών στο κύκλωμα χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η κατεύθυνση του ρεύματος. Τα στοιχεία χρησιμοποιούνται σε φίλτρα μεταβλητών τροφοδοτικών, ενισχυτές υψηλής συχνότητας.

Τα πολικά προϊόντα συνδέονται σύμφωνα με τη σήμανση. Εάν το ενεργοποιήσετε προς την αντίθετη κατεύθυνση, η συσκευή θα αποτύχει ή δεν θα λειτουργεί κανονικά.

Οι πολικοί και μη πολικοί πυκνωτές μεγάλης και μικρής χωρητικότητας διαφέρουν στο σχεδιασμό του διηλεκτρικού. Στους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, εάν το οξείδιο εφαρμόζεται σε 1 ηλεκτρόδιο ή 1 πλευρά χαρτιού, φιλμ, τότε το στοιχείο θα είναι πολικό.

Σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος περιλαμβάνονται μοντέλα μη πολικών ηλεκτρολυτικών πυκνωτών, στα σχέδια των οποίων το οξείδιο του μετάλλου αποτέθηκε συμμετρικά και στις δύο επιφάνειες του διηλεκτρικού.

Για τα πολικά, υπάρχει σήμανση θετικού ή αρνητικού ηλεκτροδίου στο σώμα.

Τι καθορίζει την χωρητικότητα ενός πυκνωτή

Η κύρια λειτουργία και ο ρόλος ενός πυκνωτή σε ένα κύκλωμα είναι να συσσωρεύει φορτία και ένας επιπλέον είναι να αποτρέπει τη διαρροή.

Η τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή είναι ευθέως ανάλογη με τη διηλεκτρική σταθερά του μέσου και την περιοχή των πλακών και αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων. Υπάρχουν 2 αντιφάσεις:

1. Για να αυξηθεί η χωρητικότητα, τα ηλεκτρόδια χρειάζονται όσο το δυνατόν πιο παχιά, φαρδύτερα και μακρύτερα. Σε αυτή την περίπτωση, οι διαστάσεις της συσκευής δεν μπορούν να αυξηθούν.
2. Για να διατηρηθούν τα φορτία και να παρέχεται η επιθυμητή δύναμη έλξης, η απόσταση μεταξύ των πλακών γίνεται ελάχιστη. Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα διάσπασης δεν μπορεί να μειωθεί.

Για την επίλυση διενέξεων, οι προγραμματιστές χρησιμοποιούν:

• πολυστρωματικές κατασκευές ενός ζεύγους διηλεκτρικού και ηλεκτροδίου.
• πορώδεις δομές ανόδου.
• αντικατάσταση του χαρτιού με οξείδια και ηλεκτρολύτες.
• παράλληλη σύνδεση στοιχείων.
• γεμίζοντας τον ελεύθερο χώρο με ουσίες με αυξημένη διηλεκτρική σταθερά.

Οι πυκνωτές γίνονται μικρότεροι και καλύτεροι με κάθε νέα εφεύρεση.

Παρόμοια άρθρα: