kategoriler: İlginç gerçekler, Pratik Elektronik
Görüntülenme sayısı: 231,928
Makale hakkında yorumlar: 9
Kapasitörler: amaç, cihaz, çalışma prensibi
Transistörler ve mikro devreler hariç tüm radyo ve elektronik cihazlarda kapasitörler kullanılır. Bazı devrelerde daha fazla, diğerlerinde daha az vardır, ancak kapasitörleri olmayan neredeyse hiçbir elektronik devre yoktur.
Bu durumda, kapasitörler cihazlarda çeşitli görevleri gerçekleştirebilir. Her şeyden önce, bunlar doğrultucular ve stabilizatörlerin filtrelerindeki kaplardır. Kondansatörlerin yardımıyla amplifikasyon aşamaları arasında bir sinyal iletilir, düşük ve yüksek frekans filtreleri oluşturulur, zaman gecikmelerinde zaman aralıkları ayarlanır ve çeşitli jeneratörlerdeki salınım frekansı seçilir.
Kaynaklı kondansatörler leiden bankalar18. yüzyılın ortalarında Hollandalı bilim adamı Peter van Mushenbrook tarafından deneylerinde kullanıldı. Leiden şehrinde yaşadı, bu yüzden bu bankanın neden çağrıldığını tahmin etmek kolay.
Aslında, bu kalay folyo - staniol ile içte ve dışta sıradan sıradan bir cam kavanozdu. Modern alüminyumla aynı amaçlar için kullanıldı, ancak daha sonra alüminyum henüz açık değildi.
O günlerde tek elektrik kaynağı, birkaç yüz kilovolta kadar bir voltaj geliştirebilen bir elektrofor makinesiydi. Bir Leyden kavanozu şarj ettiler. Fizik ders kitaplarında, Mushenbrook tenekesini el ele tutuşan on muhafız zincirinden boşalttığında bir durum açıklanmaktadır.
O zaman kimse sonuçların trajik olabileceğini bilmiyordu. Darbenin oldukça hassas olduğu, ancak ölümcül olmadığı ortaya çıktı. Buna gelmedi, çünkü Leyden kavanozunun kapasitesi önemsizdi, dürtü çok kısa sürdü, bu nedenle deşarj gücü küçüktü.
Kapasitör nasıl
Kondansatörün cihazı pratikte Leyden kavanozundan farklı değildir: aynı iki plaka, bir dielektrik ile ayrılmış. Kapasitörler modern elektrik devrelerinde bu şekilde tasvir edilir. Şekil 1, düz bir kapasitörün şematik bir yapısını ve hesaplanması için formülü göstermektedir.
Şekil 1. Düz kapasitör cihazı
Burada S metrekare cinsinden plaka alanı, d metre cinsinden plakalar arasındaki mesafe, C farads cinsinden kapasitans, medium ortamın dielektrik sabiti. Formüle dahil edilen tüm değerler SI sisteminde belirtilmiştir. Bu formül en basit düz kapasitör için geçerlidir: yanlarına iki metal plaka yerleştirebilirsiniz, sonuçların çıkarıldığı. Hava bir dielektrik görevi görebilir.
Bu formülden, kapasitörün daha büyük olduğu, plakaların alanı ne kadar büyük ve aralarındaki mesafe ne kadar küçük olduğu anlaşılabilir. Farklı bir geometriye sahip kapasitörler için formül, örneğin tek bir iletkenin kapasitansı veya elektrik kablosu. Ancak kapasitansın plakaların alanına ve aralarındaki mesafeye bağımlılığı, düz bir kapasitörünkiyle aynıdır: alan ne kadar büyük ve mesafe ne kadar küçükse, kapasite o kadar büyük olur.
Aslında, plakalar her zaman düz yapılmaz. Birçok kapasitör, örneğin metal için, plakalar metal bir kasa şeklinde sıkı bir top içinde bir kağıt dielektrik ile birlikte haddelenmiş alüminyum folyodur.
Elektrik gücünü arttırmak için, ince kapasitör kağıdı, çoğunlukla transformatör yağı olan yalıtım bileşimleri ile emprenye edilir. Bu tasarım birkaç yüz mikrofarad kapasiteye sahip kapasitörler yapmanıza izin verir. Diğer dielektrikli kondansatörler de benzer şekilde düzenlenmiştir.
Formül, plakaların S alanı ve plakalar arasındaki mesafe üzerinde herhangi bir kısıtlama içermez d.Plakaların çok uzağa yayılabileceğini varsayarsak ve aynı zamanda plakaların alanını oldukça önemsiz hale getirirsek, küçük de olsa bir miktar kapasite kalır. Bu akıl yürütme mahallede bulunan iki iletkenin bile elektriksel bir kapasitansa sahip olduğunu göstermektedir.
Bu durum yüksek frekans teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır: bazı durumlarda kapasitörler sadece baskılı devre izleri şeklinde veya hatta polietilen yalıtımda birlikte bükülmüş sadece iki tel şeklinde yapılır. Sıradan tel erişte veya kablo da bir kapasiteye sahiptir ve artan uzunlukla artar.
C kapasitansına ek olarak, herhangi bir kablonun direnci de R'dir. Bu fiziksel özelliklerin her ikisi de kablonun uzunluğu boyunca dağıtılır ve darbeli sinyalleri iletirken, Şekil 2'de gösterilen entegre bir RC zinciri olarak çalışır.
Resim 2
Şekilde, her şey basit: burada devre, burada giriş sinyali var, ama burada çıkışta. Dürtü, tanınmanın ötesinde bozulmaktadır, ancak bu, devrenin monte edildiği bilerek yapılmıştır. Bu arada, kablo kapasitansının nabız sinyali üzerindeki etkisinden bahsediyoruz. Bir impuls yerine, kablonun diğer ucunda böyle bir "zil" belirir ve impuls kısaysa, kablonun diğer ucuna hiç ulaşmayabilir, tamamen gitti.
Tarihsel gerçek
Burada transatlantik kablonun nasıl döşendiğinin hikayesini hatırlamak oldukça uygundur. 1857'deki ilk girişim başarısız oldu: telgraf noktaları - çizgiler (dikdörtgen darbeler) bozuldu, böylece 4000 km hattının diğer ucunda hiçbir şey sökülemezdi.
1865 yılında ikinci bir girişimde bulunuldu. Bu zamana kadar İngiliz fizikçi W.Thompson, uzun hatlar üzerinden veri aktarımı teorisini geliştirdi. Bu teori ışığında, kablo yönlendirmesi daha başarılı oldu ve sinyaller alabildik.
Bu bilimsel başarı için Kraliçe Victoria, bilim adamına şövalye ve Lord Kelvin unvanını verdi. Bu, kablo döşemenin başladığı İrlanda sahilindeki küçük şehrin adıydı. Ancak bu sadece bir kelimedir ve şimdi formüldeki son harfe, yani ortamın dielektrik sabitine geri dönüyoruz ε.
Dielektrikler hakkında biraz
Bu ε formülün paydasındadır, bu nedenle artışı kapasitede bir artışa neden olacaktır. Hava, lavsan, polietilen, floroplastik gibi kullanılan dielektriklerin çoğunda, bu sabit neredeyse vakum ile aynıdır. Ancak aynı zamanda, dielektrik sabiti çok daha yüksek olan birçok madde vardır. Hava kondansatörü aseton veya alkolle doldurulursa, kapasitesi her 15 ... 20'de bir artacaktır.
Ancak bu tür maddeler, yüksek ε'ye ek olarak, yeterince yüksek bir iletkenliğe sahiptir, bu nedenle böyle bir kapasitör iyi bir yük tutmayacak, kendi içinden hızlı bir şekilde deşarj olacaktır. Bu zararlı olaya kaçak akım denir. Bu nedenle, dielektrikler için, kapasitörlerin yüksek spesifik kapasitansı ile kabul edilebilir kaçak akımlar sağlayan özel malzemeler geliştirilmektedir. Bu, her biri belirli koşullar için tasarlanmış kapasitör tip ve çeşitlerinin çeşitliliğini açıklar.
Elektrolitik kapasitör
En büyük özgül kapasite (kapasite / hacim oranı) elektrolitik kapasitörler. "Elektrolitlerin" kapasitesi 100.000 mikrofarad'a ulaşır ve çalışma voltajı 600V'a kadardır. Bu kapasitörler sadece düşük frekanslarda, çoğunlukla güç kaynağı filtrelerinde iyi çalışır. Elektrolitik kapasitörler kutupsal olarak açılır.
Bu tür kapasitörlerdeki elektrotlar ince bir metal oksit filmidir, bu nedenle bu kapasitörlere genellikle oksit denir. Bu tür elektrotlar arasındaki ince bir hava tabakası çok güvenilir bir yalıtkan değildir, bu nedenle oksit plakaları arasına bir elektrolit tabakası sokulur. Çoğu zaman bunlar asitlerin veya alkalilerin konsantre çözeltileridir.
Şekil 3, bu kapasitörlerden birini göstermektedir.
Şekil 3. Elektrolitik kapasitör
Kondansatörün boyutunu değerlendirmek için yanında basit bir kibrit kutusu fotoğraflandı. Şekildeki yeterince büyük bir kapasiteye ek olarak, yüzde toleransı da görebilirsiniz: nominalin% 70'inden az olmamalıdır.
Bilgisayarların büyük olduğu ve bilgisayar olarak adlandırıldığı günlerde, bu kapasitörler sürücülerdeydi (modern HDD'de). Bu tür sürücülerin bilgi kapasitesi artık sadece gülümsemeye neden olabilir: 350 mm çapında iki diskte 5 megabayt bilgi depolandı ve cihazın kendisi 54 kg ağırlığındaydı.
Şekilde gösterilen süper kapasitörlerin ana amacı, ani bir elektrik kesintisi sırasında manyetik kafaların diskin çalışma alanından çekilmesiydi. Bu tür kapasitörler, pratikte test edilen birkaç yıl boyunca bir yük depolayabilir.
Bir kapasitörün neler yapabileceğini anlamak için bazı basit deneyler yapmak için elektrolitik kapasitörlerle biraz daha düşük teklif verilecektir.
AC devrelerinde çalışmak için, polar olmayan elektrolitik kapasitörler üretilir, bu sadece bir nedenden dolayı onları elde etmek çok zordur. Bir şekilde bu sorunun üstesinden gelmek için, sıradan polar "elektrolitler" karşıt sıralamayı içerir: artı-eksi-eksi-artı.
Polar elektrolitik kondansatör alternatif akım devresine dahil edilirse, önce ısınır ve sonra bir patlama duyulur. Yerli eski kapasitörler her yöne dağılmışken, ithal edilenler yüksek çekimleri önleyen özel bir cihaza sahiptir. Bu genellikle kapasitörün altındaki çapraz çentik veya aynı yere yerleştirilmiş kauçuk tıpalı bir deliktir.
Polarite gözlense bile, artan voltajlı elektrolitik kapasitörleri sevmezler. Bu nedenle, asla belirli bir kapasitör için maksimuma yakın bir voltajın beklendiği bir devreye "elektrolit" koymayın.
Bazen bazı, hatta saygın forumlarda, yeni başlayanlar bir soru sorarlar: “470µF * 16V kapasitör devrede gösterilir ve 470µF * 50V var, koyabilir miyim?” Evet, tabii ki yapabilirsiniz, ancak ters değiştirme kabul edilemez.
Kondansatör enerji depolayabilir
Bu ifadeyle başa çıkmak için, Şekil 4'te gösterilen basit bir diyagram yardımcı olacaktır.
Şekil 4. Kondansatörlü devre
Bu devrenin kahramanı, şarj-deşarj süreçlerinin yavaş ve hatta çok net bir şekilde ilerlemesi için yeterince büyük bir kapasiteye sahip bir elektrolitik kapasitör C'dir. Bu, bir el fenerinden geleneksel bir ışık kullanarak devrenin çalışmasını görsel olarak gözlemlemeyi mümkün kılar. Bu ışıklar uzun zamandır modern LED'lere yol açtı, ancak onlar için ampuller hala satılıyor. Bu nedenle, bir devre monte etmek ve basit deneyler yapmak çok kolaydır.
Belki birisi: “Neden? Sonuçta, her şey açık ve açıklamayı okursanız bile ... ” Burada tartışacak bir şey yok gibi görünüyor, ancak herhangi bir, en basit şey bile, eğer anlayışı elden geçerse, uzun süre kafanın içinde kalır.
Böylece devre monte edilir. Nasıl çalışıyor?
Şemada gösterilen SA anahtarının konumunda C kapasitörü, güç kaynağından GB güç devresindeki direnç R üzerinden şarj edilir: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Şemadaki şarj akımı, iз indeksli bir okla gösterilmiştir. Bir kapasitörün şarj edilmesi işlemi Şekil 5'te gösterilmiştir.
Şekil 5. Kapasitör Şarj İşlemi
Şekil, üs denilen matematikte kapasitör üzerindeki voltajın bir eğri boyunca arttığını göstermektedir. Şarj akımı doğrudan şarj voltajını yansıtır. Kondansatör üzerindeki voltaj arttıkça, şarj akımı giderek azalır. Ve sadece ilk anda şekilde gösterilen formüle karşılık gelir.
Bir süre sonra, kondansatör 0V'den güç kaynağının voltajına, devremizde 4.5V'a şarj edilecektir. Bütün soru, ne kadar bekleyeceğini belirleme zamanı, kapasitör ne zaman şarj olacak?
Tau zaman sabiti τ = R * C
Bu formülde, seri bağlı direnç ve kapasitörün direnci ve kapasitansı basitçe çarpılır.SI sistemini ihmal etmeden, Ohm'daki direnci, Farads'taki kapasitansı değiştirirse, sonuç saniyeler içinde olacaktır. Bu kez kapasitörün güç kaynağının voltajının% 36,8'ini şarj etmesi gerekir. Buna göre, neredeyse% 100'lük bir ücret karşılığında 5 * τ süresi gerekecektir.
Genellikle, SI sistemini ihmal ederek, Ohm'daki direnç formüle ikame edilir ve kapasitans mikrofaradlardadır, daha sonra zaman mikrosaniye olarak ortaya çıkar. Bizim durumumuzda, mikrosaniyeleri bir milyonla çarpmanız veya daha basit olarak, virgül altı karakterini sola taşımanız gereken sonucu saniye cinsinden elde etmek daha uygundur.
Şekil 4'te gösterilen devre için, 2000 μF kapasitör ve 500 Ω direnç direnci ile, zaman sabiti τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 mikrosaniye veya tam olarak bir saniye olacaktır. Bu nedenle, kapasitör tamamen şarj olana kadar yaklaşık 5 saniye beklemeniz gerekir.
Belirtilen süre geçtikten sonra SA anahtarı doğru konuma çevrilirse, C kapasitörü EL ampulünden boşaltılır. Bu anda kısa bir flaş meydana gelir, kapasitör deşarj olur ve ışık söner. Kondansatörün deşarj yönü ip indeksi olan bir okla gösterilir. Deşarj süresi de zaman sabiti τ ile belirlenir. Boşaltma grafiği Şekil 6'da gösterilmektedir.
Şekil 6. Kapasitör deşarj grafiği
Kondansatör doğru akımı geçmiyor
Bu ifadeyi doğrulamak için, Şekil 7'de gösterilen daha basit bir şema yardımcı olacaktır.
Şekil 7. DC devresinde kapasitörlü devre
SA anahtarını kapatırsanız, ampulün kısa bir yanıp sönmesi izler, bu da kapasitörün C ampulden şarj edildiğini gösterir. Şarj grafiği de burada gösterilir: anahtar kapandığı anda, akım maksimumdur, kapasitör şarj edildikçe azalır ve bir süre sonra tamamen durur.
Kondansatör kaliteli ise, yani. küçük bir kaçak akımla (kendi kendine deşarj), anahtarın tekrar tekrar kapatılması flaşa neden olmaz. Başka bir flaş almak için kapasitörün deşarj olması gerekir.
Güç filtrelerinde kondansatör
Kondansatör genellikle doğrultucudan sonra yerleştirilir. Çoğu zaman, doğrultucular yarım dalga yapılır. En yaygın doğrultucu devreler Şekil 8'de gösterilmektedir.
Şekil 8. Doğrultucu devreleri
Yarım dalga doğrultucular, kural olarak, yük gücünün önemsiz olduğu durumlarda oldukça sık kullanılır. Bu doğrultucuların en değerli kalitesi basitliktir: sadece bir diyot ve transformatör sargısı.
Yarım dalga doğrultucu için filtre kapasitörün kapasitansı formül ile hesaplanabilir.
C = 1,000,000 * Po / 2 * U * f * dU, burada C kapasitör μF, Po yük gücü W, U doğrultucu çıkışındaki voltaj V, f AC voltajının frekansı Hz, dU dalgalanma genliği V'dir.
1.000.000 payındaki çok sayıda, kapasitörün kapasitansını Farads sisteminden mikrofaradlara dönüştürür. Paydadaki ikisi doğrultucunun yarım periyotlarının sayısını temsil eder: yerinde bir yarım dalga için bir birim görünecektir
C = 1.000.000 * Po / U * f * dU,
ve üç fazlı bir doğrultucu için, formül C = 1,000,000 * Po / 3 * U * f * dU şeklini alacaktır.
Süperkapasitör - İyonistör
Son zamanlarda, sözde yeni bir elektrolitik kapasitör sınıfı, ionistor. Bununla birlikte, özelliklerinde, birkaç sınırlama ile bir bataryaya benzer.
İyonistör anma gerilimine kısa sürede, kelimenin tam anlamıyla birkaç dakika içinde şarj olur, bu nedenle yedek güç kaynağı olarak kullanılması tavsiye edilir. Aslında, iyonistör polar olmayan bir cihazdır, polaritesini belirleyen tek şey fabrikada şarj etmektir. Gelecekte bu polariteyi karıştırmamak için + işaretiyle belirtilir.
İyonlaştırıcıların çalışma koşulları önemli bir rol oynar. Nominal garanti edilen dayanıklılığın 0.8 saat voltajında 70˚C sıcaklıkta 500 saatten fazla olmamalıdır.Cihaz nominalden 0,6 voltajda çalışacaksa ve sıcaklık 40 dereceyi geçmezse, 40.000 saat veya daha uzun süre düzgün çalışma mümkündür.
En yaygın iyonistör uygulamaları yedek güç kaynaklarıdır. Bunlar esas olarak bellek yongaları veya elektronik saatlerdir. Bu durumda, iyonistörün ana parametresi düşük bir kaçak akımdır, kendi kendine deşarj.
Oldukça umut verici olan, güneş panelleri ile birlikte iyonistörlerin kullanılmasıdır. Aynı zamanda, yükün durumuna yönelik kritikliği ve neredeyse sınırsız sayıda şarj-deşarj döngüsünü de etkiler. Bir başka değerli özellik, iyonistörün bakım gerektirmemesidir.
Şimdiye kadar elektrolitik kapasitörlerin nasıl ve nerede çalıştığını ve esas olarak DC devrelerinde olduğunu ortaya koydu. AC devrelerinde kapasitörlerin çalışması başka bir makalede açıklanacaktır - AC elektrik tesisatı kondansatörleri.
Boris Aladyshkin
Not; Kapasitörler için ilginç bir kullanım örneği: kapasitör kaynak
Ayrıca bkz. electro-tr.tomathouse.com
: