La base de elementos para el diseño de dispositivos electrónicos es cada vez más complicada. Los dispositivos se combinan en circuitos integrados con una funcionalidad dada y control de programa. Pero el desarrollo se basa en dispositivos básicos: condensadores, resistencias, diodos y transistores.
Contenido
que es un capacitor
Un dispositivo que almacena energía eléctrica en forma de cargas eléctricas se llama condensador.
La cantidad de electricidad o carga eléctrica en física se mide en culombios (C). La capacitancia se mide en faradios (F).
Un conductor solitario con una capacidad eléctrica de 1 faradio es una bola de metal con un radio igual a 13 radios del Sol.Por tanto, el condensador incluye al menos 2 conductores, que están separados por un dieléctrico. En diseños simples del dispositivo - papel.
La operación de un capacitor en un circuito de CC se lleva a cabo cuando se enciende y apaga la alimentación.. Solo en momentos de transición cambia el potencial en las placas.
El condensador en el circuito de CA se recarga a una frecuencia igual a la frecuencia del voltaje de la fuente de alimentación. Como resultado de cargas y descargas continuas, la corriente fluye a través del elemento. Mayor frecuencia: el dispositivo se recarga más rápido.
La resistencia de un circuito con un capacitor depende de la frecuencia de la corriente. A una frecuencia de CC cero, el valor de la resistencia tiende a infinito. A medida que aumenta la frecuencia de CA, la resistencia disminuye.
¿Dónde se utilizan los condensadores?
El funcionamiento de dispositivos electrónicos, de ingeniería de radio y eléctricos es imposible sin condensadores.
En ingeniería eléctrica, se utilizan para cambiar fases al arrancar motores de inducción. Sin cambio de fase, un motor asíncrono trifásico en una red monofásica variable no funciona.
Los condensadores con una capacidad de varios faradios, ionistores, se utilizan en vehículos eléctricos como fuentes de energía del motor.
Para comprender por qué se necesita un capacitor, debe saber que el 10-12% de los dispositivos de medición funcionan según el principio de cambiar la capacitancia eléctrica cuando cambian los parámetros del entorno externo. La capacidad de reacción de dispositivos especiales se utiliza para:
- registro de movimientos débiles a través de un aumento o disminución de la distancia entre las placas;
- determinación de la humedad fijando cambios en la resistencia del dieléctrico;
- medición del nivel de líquido, que cambia la capacidad del elemento cuando se llena.
Es difícil imaginar cómo se diseñan la automatización y la protección de relés sin condensadores. Algunas lógicas de protección tienen en cuenta la multiplicidad de recargas del dispositivo.
Los elementos capacitivos se utilizan en circuitos de dispositivos de comunicación móvil, equipos de radio y televisión. Los condensadores se utilizan en:
- amplificadores de alta y baja frecuencia;
- fuentes de alimentación;
- filtros de frecuencia;
- amplificadores de sonido;
- procesadores y otros microcircuitos.
Es fácil encontrar la respuesta a la pregunta de para qué sirve un condensador, si observa los circuitos eléctricos de los dispositivos electrónicos.
El principio de funcionamiento del condensador.
En un circuito de CC, las cargas positivas se acumulan en una placa y las cargas negativas en la otra. Debido a la atracción mutua, las partículas se mantienen en el dispositivo y el dieléctrico entre ellas no permite que se conecten. Cuanto más delgado es el dieléctrico, más fuertes se unen las cargas.
El condensador toma la cantidad de electricidad necesaria para llenar el recipiente y la corriente se detiene.
Con un voltaje constante en el circuito, el elemento retiene una carga hasta que se corta la alimentación. Luego se descarga a través de las cargas en el circuito.
La corriente alterna fluye a través de un capacitor de una manera diferente. El primer ¼ del período de oscilación es el momento en que se carga el dispositivo. La amplitud de la corriente de carga disminuye exponencialmente y al final del trimestre cae a cero. EMF en este momento alcanza la amplitud.
En el segundo período de ¼, la EMF cae y la celda comienza a descargarse. La disminución de EMF es inicialmente pequeña y la corriente de descarga, respectivamente, también. Crece de acuerdo con la misma dependencia exponencial. Al final del período, el EMF es cero, la corriente es igual al valor de amplitud.
En el tercer ¼ del período de oscilación, la FEM cambia de dirección, pasa por cero y aumenta.El signo de carga en las placas está invertido. La corriente disminuye en magnitud y conserva la dirección. En este punto, la corriente eléctrica adelanta al voltaje 90° en fase.
En los inductores sucede lo contrario: la tensión se adelanta a la corriente. Esta propiedad es lo primero al elegir qué circuitos usar en el circuito: RC o RL.
Al final del ciclo, en el último ¼ de oscilación, la FEM cae a cero y la corriente alcanza su valor máximo.
La "capacidad" se descarga y carga 2 veces por período y conduce corriente alterna.
Esta es una descripción teórica de los procesos. Para comprender cómo funciona el elemento en el circuito directamente en el dispositivo, se calculan la resistencia inductiva y capacitiva del circuito, los parámetros de los otros participantes y se tiene en cuenta la influencia del entorno externo.
Principales características y propiedades
Los parámetros del condensador que se utilizan para crear y reparar dispositivos electrónicos incluyen:
- Capacidad - C. Determina la cantidad de carga que contiene el dispositivo. El valor de la capacidad nominal se indica en la caja. Para crear los valores requeridos, los elementos se incluyen en el circuito en paralelo o en serie. Los valores operativos no coinciden con los calculados.
- Frecuencia de resonancia - fр. Si la frecuencia de la corriente es mayor que la resonante, aparecen las propiedades inductivas del elemento. Esto dificulta el trabajo. Para proporcionar la potencia calculada en el circuito, es razonable utilizar un condensador a frecuencias inferiores a los valores resonantes.
- Tensión nominal - Un. Para evitar la ruptura del elemento, el voltaje de funcionamiento se establece por debajo del voltaje nominal. El parámetro se indica en la caja del condensador.
- Polaridad. Si la conexión es incorrecta, se producirán averías y fallos.
- Resistencia de aislamiento eléctrico - Rd. Define la corriente de fuga del dispositivo. En los dispositivos, las partes están ubicadas cerca unas de otras. Con una alta corriente de fuga, son posibles conexiones parásitas en los circuitos. Esto conduce a fallos de funcionamiento. La corriente de fuga degrada las propiedades capacitivas del elemento.
- Coeficiente de temperatura - TKE. El valor determina cómo cambia la capacitancia del dispositivo con las fluctuaciones en la temperatura del ambiente. El parámetro se utiliza al desarrollar dispositivos para operar en condiciones climáticas severas.
- efecto piezoeléctrico parásito. Algunos tipos de condensadores, cuando se deforman, crean ruido en los dispositivos.
Tipos y tipos de condensadores.
Los elementos capacitivos se clasifican según el tipo de dieléctrico utilizado en el diseño.
Condensadores de papel y metal-papel
Los elementos se utilizan en circuitos con tensión constante o ligeramente pulsante. La simplicidad del diseño da como resultado una estabilidad de rendimiento entre un 10 y un 25 % inferior y mayores pérdidas.
En los condensadores de papel, las placas de papel de aluminio separan el papel. Los conjuntos se tuercen y se colocan en una caja en forma de cilindro o paralelepípedo rectangular.
Los dispositivos funcionan a temperaturas de -60 ... + 125 ° C, con un voltaje nominal de dispositivos de bajo voltaje de hasta 1600 V, dispositivos de alto voltaje, por encima de 1600 V y una capacidad de hasta decenas de microfaradios.
En los dispositivos de metal y papel, en lugar de papel de aluminio, se aplica una fina capa de metal al papel dieléctrico. Esto ayuda a producir elementos más pequeños. Con averías menores, es posible la autocuración del dieléctrico. Los elementos de metal-papel son inferiores a los elementos de papel en términos de resistencia de aislamiento.
Condensadores electrolíticos
El diseño de los productos se asemeja a los de papel. Pero en la fabricación de celdas electrolíticas, el papel se impregna con óxidos metálicos.
En los productos con electrolito sin papel, el óxido se deposita sobre un electrodo metálico. Los óxidos metálicos tienen conductividad unilateral, lo que hace que el dispositivo sea polar.
En algunos modelos de celdas electrolíticas, las placas están hechas con ranuras que aumentan el área superficial del electrodo. Los espacios en el espacio entre las placas se eliminan inundando con electrolito. Esto mejora las propiedades capacitivas del producto.
Una gran capacidad de dispositivos electrolíticos (cientos de microfaradios) se utiliza en filtros para suavizar las ondas de voltaje.
electrolítico de aluminio
En dispositivos de este tipo, el revestimiento del ánodo está hecho de papel de aluminio. La superficie está recubierta con óxido de metal, un dieléctrico. El revestimiento del cátodo es un electrolito sólido o líquido, que se selecciona de modo que la capa de óxido de la lámina se restablezca durante el funcionamiento. El dieléctrico autorreparable prolonga la vida del elemento.
Los capacitores de este diseño requieren polaridad. Cuando se enciende de nuevo, romperá la carcasa.
Los dispositivos, dentro de los cuales se encuentran conjuntos polares antisecuenciales, se utilizan en 2 direcciones. La capacitancia de las celdas electrolíticas de aluminio alcanza varios miles de microfaradios.
electrolítico de tantalio
El electrodo de ánodo de tales dispositivos está hecho de una estructura porosa obtenida calentando polvo de tantalio a +2000°C. El material parece una esponja. La porosidad aumenta el área superficial.
Mediante oxidación electroquímica, se aplica al ánodo una capa de pentóxido de tantalio de hasta 100 nanómetros de espesor. Un dieléctrico sólido está hecho de dióxido de manganeso.La estructura terminada se presiona en un compuesto, una resina especial.
Los productos de tantalio se utilizan en frecuencias actuales superiores a 100 kHz. La capacitancia se crea hasta cientos de microfaradios, a un voltaje operativo de hasta 75 V.
Polímero
Los condensadores utilizan un electrolito hecho de polímeros sólidos, lo que proporciona una serie de ventajas:
- la vida útil aumenta hasta 50 mil horas;
- los parámetros se guardan durante el calentamiento;
- se amplía el rango de ondas de corriente admisibles;
- la resistencia de las placas y conductores no deriva la capacitancia.
Película
El dieléctrico de estos modelos es una película de teflón, poliéster, fluoroplástico o polipropileno.
Cubiertas: lámina o deposición de metal sobre la película. El diseño se utiliza para crear ensamblajes multicapa con mayor área de superficie.
Los condensadores de película con tamaños en miniatura tienen una capacidad de cientos de microfaradios. Dependiendo de la colocación de las capas y las conclusiones de los contactos, se realizan formas axiales o radiales de los productos.
En algunos modelos, la tensión nominal es de 2 kV y superior.
¿Cuál es la diferencia entre polar y no polar?
Los no polares permiten la inclusión de condensadores en el circuito sin tener en cuenta la dirección de la corriente. Los elementos se utilizan en filtros de fuentes de alimentación variables, amplificadores de alta frecuencia.
Los productos Polar se conectan de acuerdo con la marca. Si lo enciende en la dirección opuesta, el dispositivo fallará o no funcionará con normalidad.
Los condensadores polares y no polares de grandes y pequeñas capacidades difieren en el diseño del dieléctrico. En los condensadores electrolíticos, si el óxido se aplica a 1 electrodo o 1 cara de papel, película, entonces el elemento será polar.
Los modelos de condensadores electrolíticos no polares, en cuyos diseños el óxido metálico se depositó simétricamente en ambas superficies del dieléctrico, se incluyen en los circuitos de corriente alterna.
Para los polares, hay una marca de un electrodo positivo o negativo en el cuerpo.
¿Qué determina la capacitancia de un capacitor?
La función principal y el papel de un condensador en un circuito es acumular cargas, y una función adicional es evitar fugas.
El valor de la capacitancia del capacitor es directamente proporcional a la constante dieléctrica del medio y el área de las placas, e inversamente proporcional a la distancia entre los electrodos. Hay 2 contradicciones:
- Para aumentar la capacitancia, se necesitan electrodos lo más gruesos, anchos y largos posible. En este caso, las dimensiones del dispositivo no se pueden aumentar.
- Para mantener las cargas y proporcionar la fuerza de atracción deseada, la distancia entre las placas se hace mínima. En este caso, la corriente de ruptura no se puede reducir.
Para resolver conflictos, los desarrolladores usan:
- construcciones multicapa de un par de dieléctrico y electrodo;
- estructuras de ánodos porosos;
- sustitución del papel por óxidos y electrolitos;
- conexión paralela de elementos;
- llenando el espacio libre con sustancias con constante dieléctrica aumentada.
Los condensadores son cada vez más pequeños y mejores con cada nuevo invento.
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