kategorier: Interessante fakta, Praktisk elektronikk
Antall visninger: 231,928
Kommentarer til artikkelen: 9
Kondensatorer: formål, enhet, prinsipp for drift
I alle radio- og elektroniske apparater, unntatt transistorer og mikrokretser, brukes kondensatorer. I noen kretser er det flere av dem, i andre mindre, men det er praktisk talt ingen elektroniske kretsløp uten kondensatorer.
I dette tilfellet kan kondensatorer utføre en rekke oppgaver på enheter. Først av alt, dette er containere i filtrene til likerettere og stabilisatorer. Ved hjelp av kondensatorer overføres et signal mellom forsterkningstrinnene, lav- og høyfrekvente filtre bygges, tidsintervaller i tidsforsinkelser stilles, og svingningsfrekvensen i forskjellige generatorer velges.
Kondensatorer leder fra leiden bankersom på midten av 1700-tallet ble brukt i deres eksperimenter av den nederlandske forskeren Peter van Mushenbrook. Han bodde i byen Leiden, så det er lett å gjette hvorfor denne banken ble kalt.
Egentlig var dette en vanlig glasskrukke, foret på innsiden og utsiden med en tinnfolie - staniol. Den ble brukt til samme formål som moderne aluminium, men da var ikke aluminium ennå åpent ennå.
Den eneste strømkilden i disse dager var en elektroforemaskin, som var i stand til å utvikle en spenning på opptil flere hundre kilovolt. Det var fra henne de siktet en Leyden-krukke. I fysikkens lærebøker beskrives en sak da Mushenbrook avla kannen sin gjennom en kjede med ti vakter som holder hender.
På den tiden var det ingen som visste at konsekvensene kunne være tragiske. Slaget viste seg å være ganske følsomt, men ikke dødelig. Det kom ikke til dette, fordi kapasiteten til Leyden-krukken var ubetydelig, impulsen viste seg å være veldig kortvarig, så utladningskraften var liten.
Hvordan er kondensatoren
Innretningen til kondensatoren er praktisk talt ikke forskjellig fra Leyden-krukken: alle de samme to platene, atskilt med et dielektrikum. Slik er kondensatorer avbildet på moderne elektriske kretser. Figur 1 viser en skjematisk struktur av en flat kondensator og formelen for beregning.
Figur 1. Flat kondensatorenhet
Her er S plateområdet i kvadratmeter, d er avstanden mellom platene i meter, C er kapasitansen i farader, ε er mediumets dielektriske konstant. Alle verdiene som er inkludert i formelen er angitt i SI-systemet. Denne formelen gjelder for den enkleste flate kondensatoren: du kan ganske enkelt plassere to metallplater ved siden av dem, hvorfra konklusjoner trekkes. Luft kan tjene som et dielektrikum.
Fra denne formelen kan det forstås at kondensatoren er større, jo større areal på platene og desto mindre er avstanden mellom dem. For kondensatorer med en annen geometri kan formelen være forskjellig, for eksempel for kapasitansen til en enkelt leder eller elektrisk kabel. Men avhengigheten av kapasitansen av området til platene og avstanden mellom dem er den samme som for en flat kondensator: jo større området og jo mindre avstanden, desto større er kapasitansen.
Faktisk er platene ikke alltid flate. For mange kondensatorer, for eksempel metall, er platene aluminiumsfolie rullet sammen med et dielektrisk papir i en tett kule, i form av et metallhus.
For å øke den elektriske styrken impregneres tynt kondensatorpapir med isolerende sammensetninger, som oftest transformatorolje. Denne designen lar deg lage kondensatorer med en kapasitet på opptil flere hundre mikrofarader. Kondensatorer med annet dielektrikum er tilsvarende anordnet.
Formelen inneholder ingen begrensninger for området til platene S og avstanden mellom platene d.Hvis vi antar at platene kan spres veldig langt, og samtidig gjøre platenes område ganske ubetydelig, vil fortsatt en viss kapasitet, om enn liten, fortsatt være. Denne begrunnelsen antyder at til og med bare to ledere i nabolaget har en elektrisk kapasitans.
Denne omstendigheten er mye brukt i høyfrekvent teknologi: i noen tilfeller er kondensatorer laget bare i form av trykte kretsløp, eller til og med bare to ledninger som er vridd sammen i polyetylenisolering. Vanlige trådnudler eller kabel har også kapasitet, og med økende lengde øker den.
I tillegg til kapasitans C, har enhver kabel også motstand R. Begge disse fysiske egenskapene er fordelt langs kabellengden, og når de sender pulsede signaler, fungerer de som en integrerende RC-kjede, vist i figur 2.
Figur 2
På figuren er alt enkelt: her er kretsløpet, her er inngangssignalet, men her er det ved utgangen. Impulsen er forvrengt til gjenkjennelse, men dette gjøres med vilje som kretsen er montert for. I mellomtiden snakker vi om effekten av kabelkapasitansen på pulssignalet. I stedet for en impuls, vil en slik "bjelle" vises i den andre enden av kabelen, og hvis impulsen er kort, kan det hende at den ikke når den andre enden av kabelen i det hele tatt, vil den forsvinne helt.
Historisk faktum
Her er det ganske passende å minne om historien om hvordan den transatlantiske kabelen ble lagt. Det første forsøket i 1857 mislyktes: telegrafpunktene - streker (rektangulære pulser) ble forvrengt slik at ingenting kunne demonteres i den andre enden av 4000 km-linjen.
Et annet forsøk ble gjort i 1865. På dette tidspunktet hadde den engelske fysikeren W. Thompson utviklet teorien om dataoverføring over lange linjer. I lys av denne teorien viste det seg at kabelføringen var mer vellykket, vi klarte å motta signaler.
For denne vitenskapelige bragden ga dronning Victoria forskeren ridderskapet og tittelen Lord Kelvin. Det var navnet på den lille byen på kysten av Irland, der kabellegging begynte. Men dette er bare et ord, og nå går vi tilbake til den siste bokstaven i formelen, nemlig den dielektriske konstanten til mediet ε.
Litt om dielektrikk
Dette ε er i nevneren til formelen, derfor vil dens økning medføre en økning i kapasiteten. For de fleste dielektriske stoffer som brukes, for eksempel luft, lavsan, polyetylen, fluorplast, er denne konstanten nesten den samme som for vakuum. Men samtidig er det mange stoffer hvis dielektriske konstant er mye høyere. Hvis luftkondensatoren er fylt med aceton eller alkohol, vil kapasiteten øke hver 15. ... 20.
Men slike stoffer, i tillegg til høy e, har også en tilstrekkelig høy ledningsevne, derfor vil en slik kondensator ikke holde en ladning godt, den vil raskt tømme gjennom seg selv. Dette skadelige fenomenet kalles lekkasjestrøm. Derfor utvikles spesielle materialer for dielektrika som med en høy spesifikk kapasitans for kondensatorer gir akseptable lekkasjestrømmer. Dette forklarer mangfoldet av typer og typer kondensatorer, som hver er designet for spesifikke forhold.
Elektrolytisk kondensator
Den største spesifikke kapasiteten (kapasitet / volumforhold) elektrolytiske kondensatorer. Kapasiteten til "elektrolytter" når opp til 100 000 mikrofarader, og driftsspenningen er opptil 600V. Slike kondensatorer fungerer bra bare ved lave frekvenser, oftest i filtre med strømforsyning. Elektrolytiske kondensatorer slås på i polaritet.
Elektrodene i slike kondensatorer er en tynn film av metalloksyd, så ofte kalles disse kondensatorene oksid. Et tynt luftlag mellom slike elektroder er ikke en veldig pålitelig isolator, derfor innføres et elektrolyttlag mellom oksydplatene. Oftest er dette konsentrerte løsninger av syrer eller alkalier.
Figur 3 viser en av disse kondensatorene.
Figur 3. Elektrolytisk kondensator
For å evaluere størrelsen på kondensatoren ble det fotografert en enkel fyrstikkeske ved siden av. I tillegg til en tilstrekkelig stor kapasitet i figuren, kan du også se den prosentvise toleransen: ikke mindre enn 70% av den nominelle.
I de dager da datamaskiner var store og kalte datamaskiner, var slike kondensatorer i stasjoner (i moderne HDD). Informasjonskapasiteten til slike stasjoner kan nå bare føre til et smil: 5 megabyte informasjon ble lagret på to disker med en diameter på 350 mm, og selve enheten veide 54 kg.
Hovedformålet med superkapsler som vist på figuren var å trekke magnetiske hoder fra arbeidsområdet til disken under et plutselig strømbrudd. Slike kondensatorer kunne lagre en ladning i flere år, som ble testet i praksis.
Litt lavere med elektrolytiske kondensatorer vil bli tilbudt å gjøre noen enkle eksperimenter for å forstå hva en kondensator kan gjøre.
For å jobbe i vekselstrømskretser produseres ikke-polare elektrolytiske kondensatorer, det er bare vanskelig å få dem av en eller annen grunn. For å på en eller annen måte komme deg rundt dette problemet, inkluderer vanlige polare "elektrolytter" mot-sekvensiell: pluss-minus-minus-pluss.
Hvis den polare elektrolytiske kondensatoren er inkludert i vekselstrømskretsen, vil den først varme seg opp, og deretter høres en eksplosjon. Innenlandske gamle kondensatorer spredt i alle retninger, mens importerte har en spesiell enhet som unngår høye skudd. Dette er vanligvis enten et tverrhakk på bunnen av kondensatoren, eller et hull med en gummipropp som ligger på samme sted.
De liker ikke elektrolytiske kondensatorer med økt spenning, selv om polariteten observeres. Derfor bør du aldri legge "elektrolytter" i en krets der det forventes en spenning som er nær det maksimale for en gitt kondensator.
Noen ganger i noen, også anerkjente fora, stiller nybegynnere spørsmålet: "Kondensatoren 470μF * 16V er angitt på diagrammet, og jeg har 470μF * 50V, kan jeg si det?" Ja, selvfølgelig kan du det, men omvendt erstatning er uakseptabelt.
Kondensator kan lagre energi
For å håndtere dette utsagnet, vil et enkelt diagram som er vist i figur 4 hjelpe.
Figur 4. Krets med kondensator
Hovedpersonen til denne kretsen er en elektrolytisk kondensator C med tilstrekkelig stor kapasitet slik at ladning-utladningsprosessene går sakte og til og med veldig tydelig. Dette gjør det mulig å observere driften av kretsen visuelt ved bruk av et konvensjonelt lys fra en lommelykt. Disse lysene har lenge gitt vei for moderne lysdioder, men pærer for dem selges fortsatt. Derfor er det veldig enkelt å sette sammen en krets og utføre enkle eksperimenter.
Kanskje noen vil si: “Hvorfor? Alt er tross alt åpenbart, og selv om du leser beskrivelsen ... ” Det ser ikke ut til å være noe å krangle her, men noe, til og med det enkleste, forblir i hodet i lang tid hvis forståelsen kom gjennom hender.
Så kretsen er satt sammen. Hvordan fungerer hun?
I stillingen til bryteren SA, vist i diagrammet, lades kondensatoren C fra strømkilden GB gjennom motstanden R i kretsen: + GB __ R __ SA __ C __-GB. Ladestrømmen i diagrammet vises med en pil med indeksen iз. Prosessen med å lade en kondensator er vist i figur 5.
Figur 5. Kondensatorladeprosess
Figuren viser at spenningen på kondensatoren øker langs en kurve, i matematikk kalt eksponenten. Ladestrømmen speiler direkte ladespenningen. Når spenningen over kondensatoren stiger, blir ladestrømmen mindre og mindre. Og bare i det første øyeblikket tilsvarer formelen vist på figuren.
Etter en tid vil kondensatoren lades fra 0V til spenningen til strømkilden, i vår krets til 4,5V. Hele spørsmålet er, hvordan er det på tide å bestemme hvor lenge man skal vente, når vil kondensatoren lade?
Tau tidskonstant τ = R * C
I denne formelen multipliseres ganske enkelt motstanden og kapasitansen til en seriekoblet motstand og kondensator.Hvis uten å forsømme SI-systemet, erstatte motstanden i Ohms, kapasitansen i Farads, vil resultatet være i sekunder. Det er denne gangen som trengs for at kondensatoren skal lade opptil 36,8% av spenningen til strømkilden. Følgelig vil en tid på 5 * t kreves for en kostnad på nesten 100%.
Ved å neglisjere SI-systemet erstattes ofte motstanden i Ohms i formelen, og kapasitansen er i mikrofarader, så vil tiden vise seg i mikrosekunder. I vårt tilfelle er det mer praktisk å få resultatet i sekunder, som du bare må multiplisere mikrosekundene med en million, eller, mer enkelt sagt, flytte de seks tegnene til venstre.
For kretsen vist på figur 4, med en kondensator på 2000 μF og en motstandsmotstand på 500 Ω, vil tidskonstanten være τ = R * C = 500 * 2000 = 1 000 000 mikrosekunder eller nøyaktig ett sekund. Dermed må du vente i cirka 5 sekunder til kondensatoren er fulladet.
Hvis bryteren SA, etter den angitte tiden, er dreid til riktig stilling, blir kondensatoren C utladet gjennom EL-pæren. I dette øyeblikket vil en kort blits oppstå, kondensatoren vil tømme ut og lyset slukkes. Utløpsretningen til kondensatoren vises med en pil med indeksen ip. Utladningstiden bestemmes også av tidskonstanten τ. Utladningsgrafen er vist på figur 6.
Figur 6. Kondensatorutladningsdiagram
Kondensator passerer ikke likestrøm
For å bekrefte denne uttalelsen vil et enda enklere skjema, vist i figur 7, hjelpe.
Figur 7. Krets med en kondensator i DC-kretsen
Hvis du lukker bryteren SA, vil en kort blink av pæren følge, som indikerer at kondensatoren C lades gjennom pæren. Ladegrafen vises også her: i øyeblikket bryteren lukkes, er strømmen maksimal, når kondensatoren lades, avtar den, og etter en stund stopper den helt.
Hvis kondensatoren er av god kvalitet, dvs. med en liten lekkasjestrøm (selvutladning) vil gjentatt stenging av bryteren ikke føre til blits. For å få en ekstra blits, må kondensatoren tømmes.
Kondensator i kraftfilter
Kondensatoren plasseres vanligvis etter likeretteren. Oftest lages likerettere halvbølget. De vanligste likeretterkretsene er vist på figur 8.
Figur 8. Likretterkretser
Halvbølges likerettere brukes også ganske ofte, som regel, i tilfeller der lastekraften er ubetydelig. Den mest verdifulle kvaliteten på slike likerettere er enkelhet: bare en diode og transformatorvikling.
For en halvbølget likretter, kan kapasitansen til filterkondensatoren beregnes med formelen
C = 1 000 000 * Po / 2 * U * f * dU, hvor C er kondensatoren μF, Po er lastkraften W, U er spenningen ved likeretterutgangen V, f er frekvensen til vekselstrømspenningen Hz, dU er kretsamplituden V
Et stort antall i telleren på 1 000 000 konverterer kapasitansen til kondensatoren fra system Farads til mikrofarader. De to i nevneren representerer antall halvperioder på likeretteren: for en halvbølge på sin plass vil en enhet vises
C = 1 000 000 * Po / U * f * dU,
og for en trefaset likeretter vil formelen ha formen C = 1 000 000 * Po / 3 * U * f * dU.
Supercapacitor - Ionistor
Nylig kom en ny klasse av elektrolytiske kondensatorer, den såkalte ionistor. I sine egenskaper ligner det imidlertid et batteri, med flere begrensninger.
Ionistoren lader til nominell spenning på kort tid, bokstavelig talt på noen få minutter, så det er lurt å bruke den som sikkerhetskopi. Faktisk er ionistoren en ikke-polar enhet, det eneste som bestemmer polariteten, er å lade fra fabrikken. For ikke å forvirre denne polariteten i fremtiden, indikeres den med + -tegnet.
En viktig rolle spilles av driftsforholdene til ionistorenes. Ved en temperatur på 70 ° C ved en spenning på 0,8 av den nominelle garanterte holdbarheten på ikke mer enn 500 timer.Hvis enheten fungerer med en spenning på 0,6 fra den nominelle, og temperaturen ikke overstiger 40 grader, er riktig drift mulig i 40 000 timer eller mer.
De vanligste ionistor-applikasjonene er sikkerhetskopieringskilder. Dette er hovedsakelig minnebrikker eller elektroniske klokker. I dette tilfellet er hovedparameteren til ionistoren en lav lekkasjestrøm, dets selvutladning.
Ganske lovende er bruken av ionistorer i forbindelse med solcellepaneler. Det påvirker også ikke-kritiske forhold til ladningens tilstand og et nesten ubegrenset antall ladesladingssykluser. En annen verdifull egenskap er at ionistoren er vedlikeholdsfri.
Så langt har det vist seg å fortelle hvordan og hvor elektrolytiske kondensatorer fungerer, og hovedsakelig i DC-kretser. Driften av kondensatorer i vekselstrømskretser vil bli beskrevet i en annen artikkel - Kondensatorer for AC elektriske installasjoner.
Boris Aladyshkin
PS! En interessant brukskasse for kondensatorer: kondensatorsveising
Se også på elektrohomepro.com
: