Kondenzátorok: rendeltetés, eszköz, működési elv

Az összes rádió- és elektronikai eszközben a tranzisztorok és a mikroáramkörök kivételével kondenzátort használunk. Egyes áramkörökben több van, másokban kevesebb, de kondenzátorok nélkül gyakorlatilag nincs elektronikus áramkör.

Ebben az esetben a kondenzátorok különféle feladatokat végezhetnek az eszközökben. Először is, ezek az egyenirányítók és stabilizátorok szűrőiben lévő tartályok. Kondenzátorok segítségével jelet továbbítunk az erősítő szakaszai között, felépítjük az alacsony és a magas frekvenciájú szűrőket, beállítottuk az időintervallumokat az időkésésekben, és kiválasztottuk az oszcillációs frekvenciát a különböző generátorokban.

Kondenzátorok vezetnek leiden bankokamelyet a 18. század közepén Peter van Mushenbrook holland tudós használt kísérleteiben. Leiden városában élt, így könnyű kitalálni, miért hívták ezt a bankot.

Valójában ez egy rendes üvegedény, amelyet belülről és kívül egy ónfóliával - staniollal béleltünk. Ugyanazon célokra használták, mint a modern alumíniumot, de akkor az alumínium még nem volt nyitva.

Akkoriban az egyetlen villamosenergia-forrás egy elektroforgép volt, amely akár több száz kilovolt feszültséget is képes kifejleszteni. Tőlük töltöttek fel egy Leyden-i üveget. A fizika tankönyveiben egy esetet írnak le, amikor Mushenbrook tíz kezét tartó őr láncán keresztül ürítette az edényt.

Abban az időben senki sem tudta, hogy a következmények tragikusak lehetnek. A csapás elég érzékenynek bizonyult, de nem halálos. Erre nem került sor, mivel a Leyden edény kapacitása jelentéktelen volt, az impulzus nagyon rövid életűnek bizonyult, tehát a kisülési teljesítmény kicsi volt.

Hogy van a kondenzátor?

A kondenzátor készüléke gyakorlatilag nem különbözik a Leyden edényétől: ugyanaz a két lemez, dielektrikummal elválasztva. Így ábrázolják a kondenzátorokat a modern elektromos áramkörökön. Az 1. ábra egy lapos kondenzátor vázlatos felépítését és számításának képletét mutatja.

1. ábra: Lapos kondenzátor eszköz

Itt S a lemez területe négyzetméterben, d a lemezek közötti távolság méterben, C a kapacitás fáradságban, ε a közeg dielektromos állandója. A képletben szereplő összes értéket feltüntetik az SI rendszerben. Ez a képlet a legegyszerűbb lapos kondenzátorokra érvényes: egyszerűen két fémlemezt helyezhet mellé, amelyből következtetéseket lehet levonni. A levegő dielektrikumként szolgálhat.

Ebből a képletből meg lehet érteni, hogy a kondenzátor nagyobb, annál nagyobb a lemezek területe és annál kisebb a távolság közöttük. Eltérő geometriájú kondenzátorok esetében a képlet eltérő lehet, például egyetlen vezető vagy elektromos kábel. De a kapacitásnak a lemezek területétől és a köztük lévő távolságtól való függése megegyezik a lapos kondenzátoréval: minél nagyobb a terület és annál kisebb a távolság, annál nagyobb a kapacitás.

Valójában a lemezeket nem mindig teszik síkvá. Sok kondenzátor, például papír esetében a lemezek alumíniumfóliából vannak hengerelt, a papír dielektrikájával szoros gömb alakban, fémtok alakjában.

Az elektromos szilárdság növelése érdekében vékony kondenzátorpapírt impregnálnak szigetelő kompozíciókkal, leggyakrabban transzformátorolajjal. Ez a kialakítás lehetővé teszi kondenzátorok készítését akár több száz mikrofaradás kapacitással. Más dielektromos készülékekkel ellátott kondenzátorok hasonlóan vannak elrendezve.

A képlet nem tartalmaz korlátozásokat az S lemezek területére és a lemezek közötti távolságra d.Ha feltételezzük, hogy a lemezeket nagyon messze lehet eljutni, és ezzel egyidejűleg a lemezek területét nagyon kicsivé teszi, akkor bizonyos kapacitás, bár kicsi, továbbra is megmarad. Ez az érvelés azt sugallja, hogy még a szomszédságban található két vezetőnek is van elektromos kapacitása.

Ezt a körülményt széles körben alkalmazzák a magas frekvenciájú technológiában: egyes esetekben a kondenzátorokat egyszerűen nyomtatott áramköri sínként vagy akár két, egymással összecsavart huzalból állítják elő polietilén szigetelésben. A közönséges huzaltészta vagy -kábel is kapacitással rendelkezik, és a hosszabbítással növekszik.

A C kapacitás mellett bármely kábelnek R ellenállása van. Mindkét fizikai tulajdonság eloszlik a kábel hosszában, és impulzusos jelek továbbításakor integráló RC-láncként működnek, amint azt a 2. ábra mutatja.

2. ábra

Az ábrán minden egyszerű: itt van az áramkör, itt a bemeneti jel, de itt a kimenet. Az impulzus felismerés nélkül torzul, de erre szándékosan kerül sor, amelyre az áramkört összeállítják. Időközben a kábel kapacitásának az impulzusjelre gyakorolt ​​hatásáról beszélünk. Egy impulzus helyett egy ilyen „harang” jelenik meg a kábel másik végén, és ha az impulzus rövid, akkor valószínűleg nem érheti el a kábel másik végét, akkor teljesen eltűnik.

Történelmi tény

Itt helyénvaló visszahívni a történetet arról, hogy a transzatlanti kábelt hogyan fektették le. Az első, 1857-es kísérlet kudarcot vallott: a távíró pontok - a kötőjelek (téglalap alakú impulzusok) eltorzultak, így semmit sem lehetett szétszedni a 4000 km hosszú vonal másik végén.

A második kísérlet 1865-ben történt. Addigra az angol fizikus, W. Thompson kifejlesztette az adatátvitel elméletét a hosszú sorokon keresztül. Ezen elmélet fényében a kábelvezetés sikeresebbnek bizonyult, és képeket tudtunk fogadni.

E tudományos teljesítményért Victoria királynő odaadta a tudósnak lovagrendjét és Lord Kelvin címet. Ez volt a neve a kisvárosnak, Írország partján, ahol megkezdődött a kábelfektetés. De ez csak egy szó, és visszatérünk a képlet utolsó betűjéhez, nevezetesen az ε közeg dielektromos állandójához.

Egy kicsit az dielektrikáról

Ez ε a képlet nevezője, tehát növekedése a kapacitás növekedését vonja maga után. A legtöbb alkalmazott dielektrikum, például levegő, lavsan, polietilén, fluoroplasztika esetében ez az állandó majdnem megegyezik a vákuuméval. Ugyanakkor sok olyan anyag van, amelyek dielektromos állandója sokkal magasabb. Ha a légkondenzátort acetonnal vagy alkohollal töltik meg, akkor a kapacitása 15 ... 20-ig növekszik.

De ezeknek az anyagoknak a nagy ε mellett még kellõen magas vezetõképességûek is vannak, ezért egy ilyen kondenzátor nem tartja jól a töltést, gyorsan kiürül önmagában. Ezt a káros jelenséget szivárgási áramnak nevezik. Ezért speciális anyagokat fejlesztenek az dielektromos készülékek számára, amelyek nagy kondenzátorok fajlagos kapacitása mellett elfogadható szivárgási áramot biztosítanak. Ez magyarázza a kondenzátorok típusainak és típusainak sokféleségét, amelyek mindegyikét speciális körülményekhez tervezték.

Elektrolit kondenzátor

A legnagyobb fajlagos kapacitás (kapacitás / térfogat arány) elektrolit kondenzátorok. Az "elektrolitok" kapacitása eléri a 100 000 mikrofaradot, az üzemi feszültség pedig akár 600 V. Az ilyen kondenzátorok csak alacsony frekvencián működnek jól, leggyakrabban a tápegységek szűrőiben. Az elektrolit kondenzátorok polaritással vannak bekapcsolva.

Az ilyen kondenzátorokban az elektródok egy vékony fém-oxid film, ezért ezeket a kondenzátorokat gyakran oxidnak nevezik. Az ilyen elektródák közötti vékony levegőréteg nem nagyon megbízható szigetelő, ezért az oxidlemezek között elektrolitréteget vezetnek be. Leggyakrabban ezek savak vagy lúgok koncentrált oldatai.

A 3. ábra ezen kondenzátorok egyikét mutatja.

3. ábra. Elektrolit kondenzátor

A kondenzátor méretének felméréséhez egy egyszerű gyufasarkot fényképeztek mellette. Az ábrán látható, elég nagy kapacitás mellett láthatjuk a százalékos toleranciát is: legalább a névleges 70% -át.

Akkoriban, amikor a számítógépek nagyok voltak, és számítógépeknek nevezték őket, az ilyen kondenzátorok meghajtókban voltak (a modern HDD-ben). Az ilyen meghajtók információkapacitása most csak mosolyt válthat ki: 5 megabájt információt tároltak két, 350 mm átmérőjű lemezen, és maga a készülék súlya 54 kg volt.

Az ábrán bemutatott szuperkondenzátorok fő célja a mágneses fejek kivétele a lemez munkaterületéről hirtelen áramkimaradás során. Az ilyen kondenzátorok több éven keresztül töltöttséget tudtak tárolni, amelyet a gyakorlatban teszteltek.

Az elektrolitkondenzátorokkal kissé alacsonyabban kínálunk néhány egyszerű kísérletet, hogy megértsük, mit tud a kondenzátor.

A váltakozó áramú áramkörökben való működéshez nem poláris elektrolit kondenzátorokat állítanak elő, ezeket csak valamilyen okból megszerezni nagyon nehéz. Annak érdekében, hogy valamilyen módon megkerüljük ezt a problémát, a szokásos poláris "elektrolitok" tartalmaznak egymás utáni szekvenciákat: plusz-mínusz-mínusz-plusz.

Ha a poláris elektrolit kondenzátort beépítik a váltakozó áramú áramkörbe, akkor először felmelegszik, majd robbanást hall. A háztartási régi kondenzátorok minden irányba szétszóródtak, az importált kondenzátorok pedig speciális eszközzel rendelkeznek, amely elkerüli a hangos felvételeket. Ez általában egy keresztmetszet a kondenzátor alján vagy egy lyuk gumi dugóval, amely ugyanazon a helyen található.

Nem szeretik a megnövekedett feszültségű elektrolitkondenzátorokat, még akkor sem, ha a polaritást megfigyeljük. Ezért soha ne tegyen "elektrolitokat" egy olyan áramkörbe, ahol az adott kondenzátor maximális feszültsége várható.

Időnként néhány, akár jó hírű fórumon is a kezdők felteszik a kérdést: “A 470µF * 16 V kondenzátort a diagram jelzi, és 470 µF * 50 V kondenzátort tudok feltenni?” Igen, természetesen megteheti, de a fordított csere nem megengedett.

A kondenzátor energiát képes tárolni

E megállapítás kezeléséhez a 4. ábrán bemutatott egyszerű diagram segít.

4. ábra Áramkör kondenzátorral

Ennek az áramkörnek a fő szereplője egy elektrolitikus C kondenzátor, amely elég nagy kapacitással rendelkezik, így a töltés-kisütés folyamata lassan, sőt nagyon egyértelműen megy végbe. Ez lehetővé teszi az áramkör vizuális megfigyelését egy zseblámpából származó hagyományos fény felhasználásával. Ezek a lámpák már régóta utat jelentenek a modern LED-ekhez, ám az izzók továbbra is értékesítésre kerülnek. Ezért nagyon könnyű összeállítani egy áramkört és egyszerű kísérleteket végezni.

Talán valaki azt mondja: „Miért? Végül is minden nyilvánvaló, és még ha el is olvassa a leírást ... ” Úgy tűnik, nincs itt vita, de bármi is, a legegyszerűbb dolog, sokáig a fejében marad, ha annak megértése kezéből származik.

Tehát az áramkört összeszerelték. Hogyan működik?

Az SA kapcsolónak az ábrán látható helyzetében a C kondenzátort az áramforrás R ellenállásán keresztül a GB áramforrásról töltik: + GB __ R __ SA __ C __-GB. A töltőáramot az ábrán egy nyíl jelzi, amelyben az iз index található. A kondenzátor töltésének folyamatát az 5. ábra mutatja.

5. ábra. A kondenzátor töltési folyamata

Az ábra azt mutatja, hogy a kondenzátor feszültsége növekszik egy görbe mentén, a matematikában úgynevezett exponenssel. A töltőáram közvetlenül tükrözi a töltési feszültséget. Ahogy a feszültség a kondenzátoron nő, a töltőáram egyre kevesebbé válik. És csak a kezdeti pillanatban felel meg az ábrán látható képletnek.

Egy idő után a kondenzátor 0 V-ról az áramforrás feszültségére töltődik, áramkörünkben 4,5 V-ra. Az egész kérdés az, hogy mikor kell meghatározni, mennyi ideig kell várakozni, mikor töltődik a kondenzátor?

Időállandó "tau" τ = R * C

Ebben a képletben a sorba kapcsolt ellenállás és a kondenzátor ellenállása és kapacitása egyszerűen megsokszorozódik.Ha az SI-rendszer elhanyagolása nélkül helyettesíti az ellenállást Ohm-ban, a kapacitást Farad-ban, akkor az eredmény másodpercben lesz megadva. Erre az időre van szükség ahhoz, hogy a kondenzátor az energiaforrás feszültségének legfeljebb 36,8% -át feltöltse. Ennek megfelelően egy majdnem 100% -os töltéshez 5 * τ időtartamra lesz szükség.

Gyakran, ha elhanyagoljuk az SI-rendszert, az Ohm-ban az ellenállást helyettesítjük a képletben, és a kapacitás mikrofarad-okban van, akkor az idő mikrosekundumokban mutatkozik meg. A mi esetünkben sokkal kényelmesebb, ha másodpercben kapjuk meg az eredményt, ehhez egyszerűen meg kell szoroznunk a mikrosekundumokat millióval, vagy egyszerűbben fogalmazva: a vesszőt hat karakterrel balra kell mozgatni.

A 4. ábrán bemutatott áramkörnél, 2000 μF kondenzátorral és 500 Ω ellenállással, az időállandó τ = R * C = 500 * 2000 = 1 000 000 mikrosekund vagy pontosan egy másodperc. Így kb. 5 másodpercet meg kell várnia, amíg a kondenzátor teljesen feltöltődik.

Ha a megadott idő eltelte után az SA kapcsolót a megfelelő helyzetbe fordítja, akkor a C kondenzátort az EL-izzón keresztül ürítik. Ebben a pillanatban rövid villanás lép fel, a kondenzátor lemerül, és a fény kialszik. A kondenzátor kisülési irányát egy nyíl jelzi, ip indexeléssel. A kisülési időt a τ időállandó határozza meg. A kisülési grafikon a 6. ábrán látható.

6. ábra. A kondenzátor kisülési grafikonja

A kondenzátor nem halad át egyenáramot

Ennek az állításnak a megerősítéséhez egy még egyszerűbb, a 7. ábrán bemutatott séma segít.

7. ábra Áramkör kondenzátorral egy DC áramkörben

Ha bezárja az SA kapcsolót, akkor az izzó rövid villanása következik, ami azt jelzi, hogy a C kondenzátor az izzón keresztül töltődik. A töltési grafikon itt is látható: a kapcsoló bezárásának pillanatában az áram maximális, mivel a kondenzátor töltődik, csökken, és egy idő után teljesen leáll.

Ha a kondenzátor jó minőségű, azaz kis szivárgási árammal (önkisülés) a kapcsoló ismételt bezárása nem villan. Ahhoz, hogy újabb vakut kapjon, a kondenzátort ki kell üríteni.

Kondenzátor az energiaszűrőkben

A kondenzátort általában az egyenirányító után helyezik el. Az egyenirányítók leggyakrabban félhullámúak. A leggyakoribb egyenirányító áramköröket a 8. ábra mutatja.

8. ábra. Egyenirányító áramkörök

A félhullámú egyenirányítókat rendszerint gyakran használják olyan esetekben is, amikor a terhelési teljesítmény jelentéktelen. Az ilyen egyenirányítók legértékesebb tulajdonsága az egyszerűség: csak egy dióda és transzformátor tekercs.

Félhullámú egyenirányító esetén a szűrőkondenzátor kapacitása a képlettel számítható ki

C = 1 000 000 * Po / 2 * U * f * dU, ahol C a μF kondenzátor, Po a W terhelési teljesítmény, U az egyenirányító kimeneti feszültsége, f a Hz váltakozó feszültség frekvenciája, dU a V hullám amplitúdója.

Az 1.000.000 számlálóban nagy szám alakítja át a kondenzátor kapacitását a Farads rendszerről mikrofaradóra. A nevezőben lévő kettő az egyenirányító fél periódusainak számát jelöli: egy félhullám helyett egy egység jelenik meg

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

és egy háromfázisú egyenirányító esetében a képlet C = 1 000 000 * Po / 3 * U * f * dU.

Szuperkondenzátor - ionista

Az utóbbi időben elektrolitkondenzátorok új osztálya, az úgynevezett ionistor. Tulajdonságaihoz hasonló, mint egy akkumulátor, több korlátozással.

Az ionisztor a névleges feszültségre rövid idő alatt, szó szerint néhány perc alatt tölti fel, ezért tanácsos tartalék áramforrásként használni. Valójában az ionisztor nem poláros eszköz, polaritását az egyetlen dolog határozza meg a gyári töltés. Annak érdekében, hogy ne zavarja ezt a polaritást a jövőben, a + jel jelöli.

Fontos szerepet játszanak az ionizátorok működési feltételei. 70 ° C hőmérsékleten, legfeljebb 500 órás garantált névleges tartósság 0,8 feszültségén.Ha az eszköz a névlegestől 0,6-os feszültséggel fog működni, és a hőmérséklet nem haladja meg a 40 fokot, akkor megfelelő működés lehetséges legalább 40 000 órán keresztül.

A leggyakoribb ionistor alkalmazások a biztonsági energiaforrások. Ezek elsősorban memória chipek vagy elektronikus órák. Ebben az esetben az ionisztor fő paramétere az alacsony szivárgási áram, az önkisülés.

Nagyon ígéretes az ionizátorok használata napelemekkel együtt. Ez befolyásolja a töltés állapotának kritikátlanságát és szinte korlátlan számú töltési és kisülési ciklust is. Egy másik értékes tulajdonság az, hogy az ionisztor karbantartásmentes.

Eddig kiderült, hogy elmondja, hogyan és hol működnek az elektrolitkondenzátorok, főleg az egyenáramú áramkörökben. A váltakozó áramú kondenzátorok működését egy másik cikk ismerteti - Kondenzátorok váltakozó áramú villamos berendezésekhez.

Boris Aladyshkin 

Ui Érdekes használati eset a kondenzátorok számára: kondenzátor hegesztés