Kondensaattorit: tarkoitus, laite, toimintaperiaate

Kaikissa radio- ja elektroniikkalaitteissa, paitsi transistoreita ja mikropiirejä, käytetään kondensaattoreita. Joissakin piireissä niitä on enemmän, toisissa vähemmän, mutta ilman kondensaattoreita ei käytännössä ole mitään elektronisia piirejä.

Tässä tapauksessa kondensaattorit voivat suorittaa erilaisia ​​tehtäviä laitteissa. Ensinnäkin, nämä ovat säiliöitä tasasuuntaajien ja stabilointiaineiden suodattimissa. Kondensaattorien avulla signaali siirretään vahvistusvaiheiden välillä, rakennetaan matala- ja korkeataajuiset suodattimet, asetetaan aikaviiveet viiveissä ja värähtelytaajuus valitaan eri generaattoreissa.

Kondensaattorit johtavat Leiden-pankitjota hollantilainen tutkija Peter van Mushenbrook käytti kokeiluissaan 1800-luvun puolivälissä. Hän asui Leidenin kaupungissa, joten on helppo arvata, miksi tätä pankkia kutsuttiin.

Oikeastaan ​​tämä oli tavallinen lasipurkki, vuorattu sisälle ja ulkopuolelle tinakalvolla - staniolilla. Sitä käytettiin samoihin tarkoituksiin kuin modernia alumiinia, mutta silloin alumiini ei ollut vielä auki.

Ainoa sähkön lähde noina aikoina oli elektroforikone, joka kykeni kehittämään jopa useiden satojen kilovolttien jännitteen. Juuri häneltä he latasivat Leydenin purkin. Fysiikan oppikirjoissa kuvataan tapaus, jolloin Mushenbrook purki tölkinsä kymmenen käsissä olevan vartijan ketjun kautta.

Tuolloin kukaan ei tiennyt, että seuraukset voisivat olla traagisia. Isku osoittautui melko herkäksi, mutta ei tappavaksi. Se ei tullut tähän, koska Leyden-astian kapasiteetti oli vähäinen, impulssi osoittautui erittäin lyhytaikaiseksi, joten purkausvoima oli pieni.

Kuinka kondensaattori on?

Kondensaattorin laite ei käytännössä eroa Leydenin purkista: kaikki samat kaksi levyä, erotettu dielektrisellä erolla. Näin kondensaattorit esitetään nykyaikaisissa sähköpiireissä. Kuvio 1 esittää kaavamaisen tasaisen kondensaattorin rakenteen ja kaavan sen laskemiseksi.

Kuva 1. Litteä kondensaattori

Tässä S on levyn pinta-ala neliömetrinä, d on levyjen välinen etäisyys metreinä, C on kapasitanssi faradeissa, ε on väliaineen dielektrisyysvakio. Kaikki kaavaan sisältyvät arvot ilmoitetaan SI-järjestelmässä. Tämä kaava pätee yksinkertaisimpaan tasaiseen kondensaattoriin: Voit sijoittaa vierekkäin kaksi metallilevyä, joista tehdään johtopäätöksiä. Ilma voi toimia eristeenä.

Tästä kaavasta voidaan ymmärtää, että kondensaattori on suurempi, sitä suurempi levyjen pinta-ala ja pienempi etäisyys niiden välillä. Kondensaattoreille, joilla on erilainen geometria, kaava voi olla erilainen esimerkiksi yhden johtimen tai sähkökaapeli. Mutta kapasitanssin riippuvuus levyjen pinta-alasta ja niiden välisestä etäisyydestä on sama kuin tasaisen kondensaattorin: mitä suurempi ala ja pienempi etäisyys, sitä suurempi kapasitanssi on.

Itse asiassa levyt eivät aina ole tasaisia. Monien, esimerkiksi metallin, kondensaattorien kohdalla levyt ovat alumiinifoliota, joka on valssattu yhdessä paperi-eristeen kanssa tiukassa kuulassa, metallikotelon muodossa.

Sähkölujuuden lisäämiseksi ohut kondensaattoripaperi kyllästetään eristyskoostumuksilla, useimmiten muuntajaöljyllä. Tämän suunnittelun avulla voit tehdä kondensaattoreita, joiden kapasiteetti voi olla jopa useita satoja mikrofaradia. Kondensaattorit muiden dielektristen laitteiden kanssa on järjestetty samalla tavalla.

Kaava ei sisällä rajoituksia levyjen S pinta-alalle ja levyjen väliselle etäisyydelle d.Jos oletamme, että levyt voidaan levittää hyvin kauas, ja samalla tehdä levyjen pinta-alalta melko vähäpätöisiä, silloin jonkin verran kapasiteettia, vaikkakin pieni, säilyy. Tämä päättely viittaa siihen, että jopa kahdella naapurimaassa sijaitsevalla johtimella on sähkökapasitanssi.

Tätä olosuhdetta käytetään laajasti suurtaajuustekniikassa: joissain tapauksissa kondensaattorit valmistetaan yksinkertaisesti piirilevyjen muodossa tai jopa vain kahdella johdolla, jotka on kierretty yhteen polyetyleenieristeessä. Tavallisilla lankanuudeleilla tai kaapeleilla on myös kapasiteetti, ja kasvaessa niiden pituus kasvaa.

Kapasitanssin C lisäksi millä tahansa kaapelilla on myös vastus R. Molemmat nämä fysikaaliset ominaisuudet jakautuvat kaapelin koko pituudelle, ja pulssisignaalien lähettäessä ne toimivat integroivana RC-ketjuna, kuten kuvassa 2 esitetään.

Kuvio 2

Kuvassa kaikki on yksinkertaista: tässä on piiri, tässä on tulosignaali, mutta tässä se on ulostulossa. Impulssi vääristyy tuntemattomana, mutta se tehdään tarkoituksella, jota varten piiri kootaan. Sillä välin puhumme kaapelin kapasitanssin vaikutuksesta pulssisignaaliin. Impulssin sijasta sellainen “kello” ilmestyy kaapelin toiseen päähän, ja jos impulssi on lyhyt, se ei välttämättä saavuta kaapelin toista päätä ollenkaan, se on kokonaan poissa.

Historiallinen tosiasia

Tässä on aivan aiheellista muistaa tarina siitä, kuinka transatlanttinen kaapeli asennettiin. Ensimmäinen yritys vuonna 1857 epäonnistui: sähkepisteet - viivat (suorakulmaiset pulssit) vääristyivät, jotta mitään ei voitu purkaa 4000 km: n linjan toisessa päässä.

Toinen yritys tehtiin vuonna 1865. Siihen mennessä englantilainen fyysikko W. Thompson oli kehittänyt teorian tiedonsiirrosta pitkillä linjoilla. Tämän teorian valossa kaapelin reititys osoittautui menestyvämmäksi, ja pystyimme vastaanottamaan signaaleja.

Tätä tieteellistä roolia varten kuningatar Victoria myönsi tutkijalle ritarin ja lordi Kelvinin tittelin. Se oli pienen kaupungin nimi Irlannin rannikolla, jossa kaapeleiden asettaminen alkoi. Mutta tämä on vain sana, ja palaamme nyt kaavan viimeiseen kirjaimeen, nimittäin väliaineen die arvoon ε.

Hieman dielektrikasta

Tämä ε on kaavan nimittäjässä, joten sen lisäys merkitsee kapasiteetin kasvua. Useimmissa käytetyissä dielektrisissä aineissa, kuten ilmassa, lavsanissa, polyeteenissä, fluoroplastisessa, tämä vakio on melkein sama kuin tyhjiössä. Mutta samaan aikaan on monia aineita, joiden dielektrisyysvakio on paljon suurempi. Jos ilmajäähdytin täytetään asetonilla tai alkoholilla, sen tilavuus kasvaa 15 ... 20 välein.

Mutta tällaisilla aineilla on korkean e: n lisäksi myös riittävän korkea johtavuus, joten sellaisella kondensaattorilla ei ole varausta hyvin, se purkautuu nopeasti itsestään. Tätä haitallista ilmiötä kutsutaan vuotovirraksi. Siksi dielektrikoille kehitetään erityisiä materiaaleja, jotka kondensaattoreiden suurella ominaiskapasitanssilla tarjoavat hyväksyttäviä vuotovirtoja. Tämä selittää kondensaattorityyppien ja -tyyppien monimuotoisuuden, joista kukin on suunniteltu erityisolosuhteisiin.

Elektrolyyttinen kondensaattori

Suurin ominaiskapasiteetti (kapasiteetti / tilavuussuhde) elektrolyyttikondensaattorit. "Elektrolyyttien" kapasiteetti on jopa 100 000 mikrofaradia, käyttöjännite jopa 600 V. Tällaiset kondensaattorit toimivat hyvin vain matalilla taajuuksilla, useimmiten virtalähteiden suodattimissa. Elektrolyyttikondensaattorit kytketään päälle napaisuudella.

Tällaisissa kondensaattoreissa olevat elektrodit ovat ohut metallioksidikalvo, joten näitä kondensaattoreita kutsutaan usein oksidiksi. Tällaisten elektrodien välinen ohut ilmakerros ei ole kovin luotettava eriste, joten oksidilevyjen väliin johdetaan elektrolyyttikerros. Useimmiten nämä ovat happojen tai emästen väkeviä liuoksia.

Kuvio 3 esittää yhtä näistä kondensaattoreista.

Kuva 3. Elektrolyyttinen kondensaattori

Kondensaattorin koon arvioimiseksi valokuvataan vieressä yksinkertainen tulitikkurasia. Kuvassa riittävän suuren kapasiteetin lisäksi näet myös prosenttipoikkeaman: vähintään 70% nimellisarvosta.

Noina päivinä, jolloin tietokoneet olivat suuria ja joita kutsuttiin tietokoneiksi, sellaiset kondensaattorit olivat asemissa (nykyaikaisessa kiintolevyssä). Tällaisten asemien tietokapasiteetti voi nyt aiheuttaa vain hymyn: 5 megatavua tietoa tallennettiin kahteen levyyn, joiden halkaisija oli 350 mm, ja itse laite painaa 54 kg.

Kuvassa esitettyjen superkondensaattoreiden päätarkoitus oli magneettisten päiden vetäminen levyn työalueelta äkillisen sähkökatkon aikana. Tällaiset kondensaattorit voisivat varastoida varauksen useita vuosia, mikä testattiin käytännössä.

Hieman alempana elektrolyyttikondensaattoreilla tarjotaan tehdä joitain yksinkertaisia ​​kokeita ymmärtääksesi mitä kondensaattori voi tehdä.

AC-piireissä työskentelemiseksi tuotetaan ei-polaarisia elektrolyyttikondensaattoreita, niiden hankkiminen jostakin syystä on erittäin vaikeaa. Tämän ongelman kiertämiseksi tavallisissa polaarisissa "elektrolyyteissä" on vastasekvenssit: plus-miinus-miinus-plus.

Jos polaarinen elektrolyyttikondensaattori sisältyy vaihtovirtapiiriin, se ensin lämpenee ja sitten kuuluu räjähdys. Kotimaiset vanhat kondensaattorit ovat hajallaan kaikkiin suuntiin, kun taas tuotuissa on erityinen laite, joka välttää kovaa laukausta. Tämä on yleensä joko kondensaattorin pohjassa oleva poikkiläpivienti tai reikä, jossa on kumitulppa samassa paikassa.

He eivät pidä korotetun jännitteen elektrolyyttikondensaattoreista, vaikka napaisuus havaittaisiin. Siksi sinun ei tulisi koskaan laittaa "elektrolyyttejä" piiriin, jonka jännitteen tietylle kondensaattorille odotetaan olevan suurin.

Joskus joillakin, jopa hyvämaineisilla foorumeilla, aloittelijat kysyvät: "Kondensaattori 470µF * 16V on merkitty piiriin, ja minulla on 470µF * 50V, voinko laittaa sen?" Kyllä, tietysti voit, mutta käänteistä korvaamista ei voida hyväksyä.

Kondensaattori voi varastoida energiaa

Tämän lausunnon käsittelemiseksi auttaa kuvassa 4 esitetty yksinkertainen kaavio.

Kuva 4. Piiri kondensaattorilla

Tämän piirin päähenkilö on elektrolyyttinen kondensaattori C, jolla on riittävän suuri kapasiteetti, jotta varauksen purkausprosessit etenevät hitaasti ja jopa erittäin selvästi. Tämä mahdollistaa piirin toiminnan tarkkailun visuaalisesti taskulampun tavanomaisella valolla. Nämä valaisimet ovat jo kauan tienneet nykyaikaisiin LEDeihin, mutta heille tarkoitettuja polttimoita myydään edelleen. Siksi on erittäin helppo koota piiri ja suorittaa yksinkertaisia ​​kokeita.

Ehkä joku sanoo: “Miksi? Loppujen lopuksi kaikki on ilmeistä, ja vaikka luisitkin kuvauksen ... " Täällä ei näytä olevan mitään väitettä, mutta mikä tahansa, jopa yksinkertaisin asia, pysyy päässä pitkään, jos sen ymmärtäminen tapahtui käsien kautta.

Joten, piiri on koottu. Kuinka hän toimii?

Kytkimen SA asennossa, joka on esitetty kaaviossa, kondensaattori C ladataan virtalähteestä GB piirin vastuksen R kautta: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Latausvirta kaaviossa on esitetty nuolella, jonka indeksi on iз. Kondensaattorin latausprosessi on esitetty kuvassa 5.

Kuva 5. Kondensaattorin latausprosessi

Kuvio osoittaa, että kondensaattorin jännite kasvaa käyrää pitkin, matematiikassa nimeltään eksponentiksi. Latausvirta heijastaa suoraan latausjännitettä. Kun jännite kondensaattorin yli nousee, varausvirrasta tulee yhä vähemmän. Ja vasta alkuvaiheessa vastaa kuvassa esitettyä kaavaa.

Jonkin ajan kuluttua kondensaattori latautuu 0 V: sta virtalähteen jännitteeseen, piirissämme 4,5 V: iin. Koko kysymys on, kuinka on aika määrittää, kuinka kauan odottaa, milloin kondensaattori latautuu?

Tau-aikavakio τ = R * C

Tässä kaavassa sarjaan kytketyn vastuksen ja kondensaattorin resistanssi ja kapasitanssi yksinkertaisesti kerrotaan.Jos korvataan ohmien resistanssilla, ilman SI-järjestelmää unohtamatta, kapasitanssia Faradeissa, tulos on sekunneissa. Tätä aikaa tarvitaan kondensaattorin lataamaan jopa 36,8% virtalähteen jännitteestä. Vastaavasti lähes 100%: n varaukselta vaaditaan 5 * τ-aika.

Usein, jättämättä huomiotta SI-järjestelmä, ohmien vastus korvataan kaavassa ja kapasitanssi on mikrotaajuuksissa, sitten aika osoittautuu mikrosekuntina. Meidän tapauksessamme on helpompaa saada tulos sekunneissa, joille sinun täytyy yksinkertaisesti kertoa mikrosekunnit miljoonalla tai yksinkertaisemmin sanottuna siirtää pilku kuusi merkkiä vasemmalle.

Kuvassa 4 esitetyllä piirillä, jonka kondensaattori on 2000 μF ja vastuksen resistanssi 500 Ω, aikavakio on τ = R * C = 500 * 2000 = 1 000 000 mikrosekuntia tai tarkalleen yksi sekunti. Siten joudut odottamaan noin 5 sekuntia, kunnes kondensaattori on latautunut täyteen.

Jos kytkin SA käännetään määritetyn ajan kuluttua oikeaan asentoon, kondensaattori C purkautuu EL-lampun läpi. Tällä hetkellä tapahtuu lyhyt välähdys, kondensaattori purkautuu ja valo sammuu. Kondensaattorin purkusuunta on osoitettu nuolella, jonka indeksi on ip. Purkausaika määräytyy myös aikavakion τ avulla. Purkauskaavio on esitetty kuvassa 6.

Kuva 6. Kondensaattorin purkauskaavio

Kondensaattori ei läpäise tasavirtaa

Tämän lausunnon varmentamiseksi auttaa entistä yksinkertaisempi kaavio, kuten kuvassa 7 on esitetty.

Kuva 7. Piiri kondensaattorilla tasavirtapiirissä

Jos suljet kytkimen SA, seuraa lampun lyhyt välähdys, joka osoittaa, että kondensaattori C latautuu polttimen kautta. Latauskuvaaja on myös esitetty tässä: kun kytkin sulkeutuu, virta on suurin, kun kondensaattori latautuu, se pienenee ja hetken kuluttua se pysähtyy kokonaan.

Jos kondensaattori on hyvälaatuista, ts. pienellä vuotovirralla (itsepurkautuminen) kytkimen toistuva sulkeminen ei johda salamaan. Toisen salaman saamiseksi kondensaattori on purettava.

Kondensaattori tehosuodattimissa

Kondensaattori asetetaan yleensä tasasuuntaajan jälkeen. Useimmiten tasasuuntaajat tehdään puoliaallolla. Yleisimmät tasasuuntaajapiirit on esitetty kuvassa 8.

Kuva 8. Tasasuuntaajapiirit

Puoliaallon tasasuuntaajia käytetään myös melko usein yleensä tapauksissa, joissa kuormitusteho on merkityksetön. Tällaisten tasasuuntaajien arvokkain laatu on yksinkertaisuus: vain yksi diodi- ja muuntajakäämi.

Puoliaalto-tasasuuntaajalle suodatinkondensaattorin kapasitanssi voidaan laskea kaavalla

C = 1 000 000 * Po / 2 * U * f * dU, missä C on kondensaattori μF, Po on kuormitusteho W, U on jännite tasasuuntaajan ulostulossa V, f on vaihtojännitteen taajuus Hz, dU on aaltoamis amplitudi V.

Suuri lukumäärä 1 000 000 osoittimessa muuntaa kondensaattorin kapasitanssin Farads-järjestelmästä mikrofaradiksi. Nimittäjän kaksi edustavat tasasuuntaajan puolijaksojen lukumäärää: jos tilalle tulee puoli-aalto, yksikkö tulee näkyviin

C = 1 000 000 * Po / U * f * dU,

ja kolmivaiheisessa tasasuuntaajassa kaava on muodossa C = 1 000 000 * Po / 3 * U * f * dU.

Superkondensaattori - ionistori

Äskettäin uusi elektrolyyttikondensaattoreiden luokka, ns ionistor. Ominaisuuksiltaan se on samanlainen kuin akku, mutta sillä on useita rajoituksia.

Ionistori latautuu nimellisjännitteeseen lyhyessä ajassa, kirjaimellisesti muutamassa minuutissa, joten on suositeltavaa käyttää sitä varavirtalähteenä. Ionistori on itse asiassa ei-polaarinen laite, ainoa asia, joka määrää sen napaisuuden, on tehtaan lataus. Jotta tulevaisuudessa ei sekoitettaisi tätä napaisuutta, se on merkitty + -merkillä.

Tärkeä rooli on ionisaattoreiden toimintaolosuhteissa. Lämpötilassa 70 ºC jännitteellä 0,8 nimellisestä korkeintaan 500 tunnin kestävyydestä.Jos laite toimii 0,6 jännitteellä nimellisestä ja lämpötila ei ylitä 40 astetta, asianmukainen toiminta on mahdollista vähintään 40 000 tunnin ajan.

Yleisimmät ionistorisovellukset ovat varavirtalähteet. Nämä ovat pääasiassa muistisiruja tai elektronisia kelloja. Ionistorin pääparametri on tässä tapauksessa pieni vuotovirta, sen itsensä purkautuminen.

Varsin lupaava on ionisaattoreiden käyttö yhdessä aurinkopaneelien kanssa. Se vaikuttaa myös kriittisyyteen varauksen kunnossa ja lähes rajattomaan määrään varauksen purkausjaksoja. Toinen arvokas ominaisuus on, että ionistori on huoltovapaa.

Toistaiseksi on osoittautunut kertova, kuinka ja missä elektrolyyttikondensaattorit toimivat, ja lähinnä tasavirtapiireissä. Kondensaattorien toimintaa vaihtovirtapiireissä kuvataan toisessa artikkelissa - Kondensaattorit vaihtovirtalaitteiden sähkölaitteisiin.

Boris Aladyshkin 

Loppusanat Mielenkiintoinen käyttötapa kondensaattoreille: kondensaattorin hitsaus