kategória: Zaujímavé fakty, Praktická elektronika
Počet zobrazení: 231 928
Komentáre k článku: 9
Kondenzátory: účel, zariadenie, princíp činnosti
Vo všetkých rádiových a elektronických zariadeniach, s výnimkou tranzistorov a mikroobvodov, sa používajú kondenzátory. V niektorých obvodoch je ich viac, v iných menej, prakticky však neexistujú žiadne elektronické obvody bez kondenzátorov.
V tomto prípade kondenzátory môžu v zariadeniach vykonávať rôzne úlohy. V prvom rade ide o nádoby vo filtroch usmerňovačov a stabilizátorov. Pomocou kondenzátorov sa prenáša signál medzi zosilňovačmi, stavajú sa nízkofrekvenčné a vysokofrekvenčné filtre, nastavujú sa časové intervaly v časových oneskoreniach a volí sa kmitočet kmitania v rôznych generátoroch.
Kondenzátory vedú z banky Leidenktorý v polovici 18. storočia použil pri svojich pokusoch holandský vedec Peter van Mushenbrook. Žil v meste Leiden, takže je ľahké uhádnuť, prečo sa táto banka volala.
V skutočnosti išlo o obyčajnú sklenenú nádobu, ktorá bola vnútri a zvonka potiahnutá cínovou fóliou - staniolom. Používal sa na rovnaké účely ako moderný hliník, ale hliník potom ešte nebol otvorený.
Jediným zdrojom elektriny v tých časoch bol stroj na výrobu elektrónov, ktorý bol schopný vyvinúť napätie až niekoľko stoviek kilovoltov. A tak od nej nabili Leydenovu nádobu. V učebniciach fyziky je opísaný prípad, keď Mushenbrook prepustil svoju plechovku pomocou reťaze desiatich strážcov, ktorí držali ruky.
V tom čase nikto nevedel, že následky môžu byť tragické. Rana sa ukázala byť dosť citlivá, ale nie smrteľná. Nedosiahlo sa to, pretože kapacita nádoby Leyden bola zanedbateľná, impulz sa ukázal byť veľmi krátky, takže výtlačná sila bola malá.
Aký je kondenzátor
Zariadenie kondenzátora sa prakticky nelíši od Leydenovej nádoby: všetky rovnaké dve platne oddelené dielektrikom. Takto sú kondenzátory zobrazené na moderných elektrických obvodoch. Obrázok 1 zobrazuje schematickú štruktúru plochého kondenzátora a vzorec na jeho výpočet.
Obrázok 1. Ploché kondenzátorové zariadenie
Tu S je plocha dosky v metroch štvorcových, d je vzdialenosť medzi platňami v metroch, C je kapacita v farad, ε je dielektrická konštanta média. Všetky hodnoty obsiahnuté vo vzorci sú uvedené v systéme SI. Tento vzorec platí pre najjednoduchší plochý kondenzátor: môžete jednoducho umiestniť vedľa seba dve kovové platne, z ktorých sa vyvodzujú závery. Vzduch môže slúžiť ako dielektrikum.
Z tohto vzorca je zrejmé, že kapacita kondenzátora je väčšia, čím väčšia je plocha dosiek a čím je menšia vzdialenosť medzi nimi. Pre kondenzátory s odlišnou geometriou sa vzorec môže líšiť napríklad pre kapacitu jedného vodiča alebo elektrický kábel, Závislosť kapacity na ploche dosiek a vzdialenosť medzi nimi je rovnaká ako závislosť plochého kondenzátora: čím väčšia je plocha a čím je menšia vzdialenosť, tým väčšia je kapacita.
Dosky nie sú vždy ploché. Pre mnohé kondenzátory, napríklad papier, sú dosky hliníkovou fóliou zvinuté spolu s papierovým dielektrikom v tesnej guli v tvare kovového puzdra.
Na zvýšenie elektrickej pevnosti sa tenký kondenzátorový papier impregnuje izolačnými prostriedkami, najčastejšie transformátorovým olejom. Táto konštrukcia vám umožňuje vyrábať kondenzátory s kapacitou až niekoľko stoviek microfarad. Kondenzátory s inými dielektrikami sú usporiadané podobne.
Vzorec neobsahuje žiadne obmedzenia týkajúce sa plochy dosiek S a vzdialenosti medzi platňami d.Ak predpokladáme, že platne môžu byť rozmiestnené veľmi ďaleko a súčasne by plocha dosiek bola dosť zanedbateľná, zostane nejaká kapacita, aj keď malá, stále. Toto zdôvodnenie naznačuje, že iba dva vodiče umiestnené v susedstve majú elektrickú kapacitu.
Táto okolnosť je široko používaná vo vysokofrekvenčnej technológii: v niektorých prípadoch sa kondenzátory vyrábajú jednoducho vo forme stôp tlačených obvodov alebo dokonca len dva drôty skrútené dohromady v polyetylénovej izolácii. Kapacita má tiež obvyklé drôtené rezance alebo káble a so zvyšujúcou sa dĺžkou sa zväčšuje.
Akýkoľvek kábel má okrem kapacity C aj odpor R. Obidve tieto fyzikálne vlastnosti sú rozložené po celej dĺžke kábla a pri prenose impulzných signálov fungujú ako integrujúci reťazec RC, znázornený na obrázku 2.
Obrázok 2
Na obrázku je všetko jednoduché: tu je obvod, tu je vstupný signál, ale tu je to na výstupe. Impulz je skreslený mimo rozpoznania, ale robí sa to účelovo, na čo je obvod zostavený. Medzitým hovoríme o vplyve kapacitancie kábla na impulzný signál. Namiesto impulzu sa takýto „zvonček“ objaví na druhom konci kábla a ak je impulz krátky, nemusí dosiahnuť druhý koniec kábla vôbec, celkom zmizne.
Historický fakt
Tu je celkom vhodné pripomenúť si, ako bol položený transatlantický kábel. Prvý pokus v roku 1857 zlyhal: telegrafné body - pomlčky (obdĺžnikové impulzy) boli skreslené, takže na druhom konci 4000 km dlhej línie nebolo možné nič rozobrať.
Druhý pokus sa uskutočnil v roku 1865. Do tejto doby anglický fyzik W. Thompson vyvinul teóriu prenosu údajov cez dlhé linky. Vo svetle tejto teórie sa ukázalo, že vedenie káblov bolo úspešnejšie a boli sme schopní prijímať signály.
Za tento vedecký výkon udelila kráľovná Viktória vedcovi rytierstvo a titul Lord Kelvin. To bolo meno malého mesta na pobreží Írska, kde sa začalo kladenie káblov. Je to však len slovo a teraz sa vraciame k poslednému písmenu vo vzorci, konkrétne k dielektrickej konštante média ε.
Trochu o dielektrike
Toto ε je v menovateli vzorca, preto jeho zvýšenie bude mať za následok zvýšenie kapacity. Pre väčšinu použitých dielektrík, ako je vzduch, lavsan, polyetylén, fluórplast, je táto konštanta takmer rovnaká ako konštanta vákua. Zároveň je však veľa látok, ktorých dielektrická konštanta je oveľa vyššia. Ak je vzduchový kondenzátor naplnený acetónom alebo alkoholom, jeho kapacita sa zvýši každých 15 ... 20.
Ale také látky majú okrem vysokej e tiež dostatočne vysokú vodivosť, takže taký kondenzátor nebude mať náboj dobre, rýchlo sa sám vybije. Tento škodlivý jav sa nazýva únikový prúd. Preto sa vyvíjajú špeciálne materiály pre dielektriku, ktoré s vysokou špecifickou kapacitou kondenzátorov poskytujú prijateľné zvodové prúdy. Toto vysvetľuje rozmanitosť typov a typov kondenzátorov, z ktorých každý je navrhnutý pre špecifické podmienky.
Elektrolytický kondenzátor
Najvyššia špecifická kapacita (pomer kapacita / objem) elektrolytické kondenzátory, Kapacita „elektrolytov“ dosahuje až 100 000 mikrofarád a prevádzkové napätie je až 600 V. Takéto kondenzátory fungujú dobre iba pri nízkych frekvenciách, najčastejšie vo filtroch zdrojov napájania. Elektrolytické kondenzátory sa zapínajú v polarite.
Elektródy v takýchto kondenzátoroch sú tenké vrstvy oxidu kovu, preto sa tieto kondenzátory často nazývajú oxidy. Tenká vrstva vzduchu medzi takýmito elektródami nie je veľmi spoľahlivý izolátor, a preto sa medzi oxidové platne zavádza vrstva elektrolytu. Najčastejšie sú to koncentrované roztoky kyselín alebo zásad.
Obrázok 3 zobrazuje jeden z týchto kondenzátorov.
Obrázok 3. Elektrolytický kondenzátor
Na vyhodnotenie veľkosti kondenzátora bola vedľa neho fotografovaná jednoduchá krabica na zápasy. Okrem dostatočne veľkej kapacity na obrázku môžete vidieť aj percentuálnu toleranciu: nie menej ako 70% nominálnej hodnoty.
V tých dňoch, keď boli počítače veľké a nazývali sa počítače, boli takéto kondenzátory v jednotkách (v modernom HDD). Informačná kapacita takýchto jednotiek môže teraz spôsobiť iba úsmev: 5 megabajtov informácií bolo uložených na dvoch diskoch s priemerom 350 mm a samotné zariadenie vážilo 54 kg.
Hlavným účelom superkondenzátorov zobrazených na obrázku bolo stiahnutie magnetických hláv z pracovnej oblasti disku pri náhlom výpadku prúdu. Takéto kondenzátory mohli skladovať náboj niekoľko rokov, čo bolo v praxi testované.
O niečo nižšie s elektrolytickými kondenzátormi sa ponúkne niekoľko jednoduchých experimentov s cieľom pochopiť, čo kondenzátor dokáže.
Ak chcete pracovať v striedavých obvodoch, vyrábajú sa nepolárne elektrolytické kondenzátory, preto je ich získanie z nejakého dôvodu veľmi ťažké. Aby sa tento problém nejako obišiel, medzi bežné polárne "elektrolyty" patrí protisekvenčné: plus-mínus-mínus-plus.
Ak je polárny elektrolytický kondenzátor zahrnutý v obvode so striedavým prúdom, potom sa najskôr zahreje a potom sa ozve výbuch. Domáce kondenzátory roztrúsené vo všetkých smeroch, zatiaľ čo dovážané, majú špeciálne zariadenie, ktoré sa vyhýba hlasitým výbojom. Zvyčajne je to krížový zárez na spodku kondenzátora alebo otvor s gumenou zátkou umiestnenou na rovnakom mieste.
Nepáči sa im elektrolytické kondenzátory so zvýšeným napätím, aj keď je dodržaná polarita. Preto by ste nikdy nemali dať „elektrolyty“ do obvodu, kde sa očakáva napätie blízko maxima pre daný kondenzátor.
Niekedy sa na niektorých, dokonca aj serióznych fórach, pýtajú začiatočníci otázku: „Kondenzátor 470µF * 16V je indikovaný na obvode a mám 470µF * 50V, môžem to uviesť?“ Áno, samozrejme, môžete, ale spätná výmena je neprijateľná.
Kondenzátor môže ukladať energiu
Na vyriešenie tohto tvrdenia pomôže jednoduchý diagram znázornený na obrázku 4.
Obrázok 4. Obvod s kondenzátorom
Hlavnou postavou tohto obvodu je elektrolytický kondenzátor C s dostatočne veľkou kapacitou, takže procesy vybíjania prebiehajú pomaly a dokonca veľmi jasne. To umožňuje vizuálne sledovať fungovanie obvodu pomocou konvenčného svetla z baterky. Tieto svetlá už dávno ustúpili moderným diódam LED, ale žiarovky pre nich sa stále predávajú. Preto je veľmi ľahké zostaviť obvod a vykonať jednoduché experimenty.
Možno niekto povie: „Prečo? Koniec koncov, všetko je zrejmé, aj keď si prečítate popis ... “ Zdá sa, že tu nie je nič, o čom by sme sa mohli hádať, ale akokoľvek, aj to najjednoduchšie, zostáva v hlave po dlhú dobu, ak jej porozumenie prišlo rukami.
Takže obvod je zostavený. Ako pracuje?
V polohe spínača SA, zobrazeného na obrázku, sa kondenzátor C nabíja zo zdroja energie GB cez odpor R v obvode: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Nabíjací prúd v diagrame je znázornený šípkou s indexom iз. Proces nabíjania kondenzátora je znázornený na obr.
Obrázok 5. Proces nabíjania kondenzátora
Obrázok ukazuje, že napätie na kondenzátore stúpa pozdĺž krivky, v matematike nazývanej exponent. Nabíjací prúd priamo odráža nabíjacie napätie. Keď napätie na kondenzátore stúpa, nabíjací prúd klesá. A iba v počiatočnom okamihu zodpovedá vzorcu znázornenému na obrázku.
Po určitej dobe bude kondenzátor nabitý od 0V do napätia zdroja energie, v našom obvode do 4,5V. Celá otázka znie, ako je čas určiť, ako dlho čakať, kedy sa kondenzátor nabije?
Časová konštanta Tau τ = R * C
V tomto vzorci sa odpor a kapacita sériovo zapojeného odporu a kondenzátora jednoducho násobia.Ak bez zanedbania systému SI nahradíte odpor v Ohmoch, kapacitu vo Faradoch, výsledok bude za pár sekúnd. Teraz je potrebné, aby kondenzátor nabil až 36,8% napätia zdroja energie. Preto bude pri nabíjaní takmer 100% potrebný čas 5 * τ.
Často, bez zanedbania systému SI, je odpor v Ohmoch nahradený vzorcom a kapacita je v mikrofaradách, potom sa čas ukáže v mikrosekundách. V našom prípade je vhodnejšie získať výsledok v sekundách, za ktorý stačí vynásobiť mikrosekundy miliónom, alebo jednoduchšie povedané, presunúť čiarku o šesť znakov doľava.
V obvode znázornenom na obrázku 4, s kondenzátorom 2 000 μF a odporom odporu 500 Ω, bude časová konštanta τ = R * C = 500 * 2000 = 1 000 000 mikrosekúnd alebo presne jedna sekunda. Preto budete musieť počkať asi 5 sekúnd, kým sa kondenzátor úplne nenabije.
Ak sa po uplynutí stanoveného času prepne spínač SA do správnej polohy, kondenzátor C sa vybije cez žiarovku EL. V tomto okamihu dôjde k krátkemu záblesku, kondenzátor sa vybije a svetlo zhasne. Smer vybíjania kondenzátora je znázornený šípkou s indexom ip. Čas vybitia je tiež určený časovou konštantou τ. Výtokový graf je znázornený na obrázku 6.
Obrázok 6. Graf vybitia kondenzátora
Kondenzátor neprechádza jednosmerným prúdom
Na overenie tohto tvrdenia pomôže ešte jednoduchšia schéma znázornená na obrázku 7.
Obrázok 7. Obvod s kondenzátorom v jednosmernom obvode
Ak zatvoríte spínač SA, nasleduje krátke bliknutie žiarovky, čo znamená, že kondenzátor C sa nabíja cez žiarovku. Znázorňuje sa tu aj graf nabitia: v okamihu, keď sa spínač prepne, je prúd maximálny, pretože sa kondenzátor nabíja, znižuje a po chvíli sa úplne zastaví.
Pokiaľ je kondenzátor dobrej kvality, t.j. pri malom zvodovom prúde (samovybíjanie) nebude opakované zatvorenie spínača viesť k záblesku. Ak chcete získať ďalší blesk, kondenzátor bude musieť byť vybitý.
Kondenzátor vo výkonových filtroch
Kondenzátor sa obvykle umiestni za usmerňovač. Usmerňovače sa najčastejšie vyrábajú z polovice vlny. Najbežnejšie usmerňovacie obvody sú znázornené na obrázku 8.
Obrázok 8. Usmerňovacie obvody
Usmerňovače s polovičnými vlnami sa spravidla používajú pomerne často v prípadoch, keď je záťažová sila zanedbateľná. Najcennejšou kvalitou takýchto usmerňovačov je jednoduchosť: vinutie iba jednej diódy a transformátora.
Pre usmerňovač s polovičnými vlnami môže byť kapacita filtračného kondenzátora vypočítaná podľa vzorca
C = 1 000 000 * Po / 2 * U * f * dU, kde C je kondenzátor μF, Po je záťažový výkon W, U je napätie na výstupe usmerňovača V, f je frekvencia striedavého napätia Hz, dU je vlnová amplitúda V.
Veľké množstvo v čitateli 1 000 000 prevádza kapacitanciu kondenzátora zo systému Farads na mikrofardy. Dva v menovateli predstavujú počet polperiód usmerňovača: pre polvlnu na jej mieste sa objaví jednotka
C = 1 000 000 * Po / U * f * dU,
a pre trojfázový usmerňovač bude mať vzorec tvar C = 1 000 000 * Po / 3 * U * f * dU.
Superkondenzátor - Ionistor
V poslednej dobe, nová trieda elektrolytických kondenzátorov, tzv ionistor, Vo svojich vlastnostiach je podobný batérii, avšak s niekoľkými obmedzeniami.
Ionistor sa nabíja na menovité napätie v krátkom čase, doslova v niekoľkých minútach, preto sa odporúča používať ho ako záložný zdroj energie. V skutočnosti je ionistor nepolárne zariadenie, jediná vec, ktorá určuje jeho polaritu, je nabíjanie v továrni. Aby sa táto polarita nezamieňala v budúcnosti, je označená znamienkom +.
Dôležitú úlohu zohrávajú prevádzkové podmienky ionistorov. Pri teplote 70˚C pri napätí 0,8 menovitej zaručenej trvanlivosti nie viac ako 500 hodín.Ak zariadenie bude pracovať pri napätí 0,6 od menovitej hodnoty a teplota nepresiahne 40 stupňov, potom je možná správna prevádzka po dobu 40 000 hodín alebo viac.
Najbežnejšími ionistorovými aplikáciami sú záložné zdroje energie. Sú to hlavne pamäťové čipy alebo elektronické hodiny. V tomto prípade je hlavným parametrom ionistora nízky zvodový prúd, jeho samovybíjanie.
Celkom sľubné je použitie ionistorov v spojení so solárnymi panelmi. Ovplyvňuje tiež nekritickosť stavu nabitia a takmer neobmedzený počet cyklov vybíjania a vybíjania. Ďalšou cennou vlastnosťou je, že ionistor je bezúdržbový.
Doteraz sa ukázalo, ako a kde elektrolytické kondenzátory fungujú a hlavne v jednosmerných obvodoch. Činnosť kondenzátorov v striedavých obvodoch bude opísaná v ďalšom článku - Kondenzátory pre elektrické inštalácie striedavého prúdu.
Boris Aladyshkin
PS: Zaujímavý prípad použitia kondenzátorov: kondenzátorové zváranie
Pozri tiež na electro-sk.tomathouse.com
: