Categories: Fets interessants, Electrònica pràctica
Nombre de visualitzacions: 231.928
Comentaris sobre l'article: 9
Condensadors: finalitat, dispositiu, principi de funcionament
En tots els dispositius de ràdio i electrònica, excepte transistors i microcircuits, s'utilitzen condensadors. En alguns circuits n'hi ha més, en d'altres menys, però pràcticament no hi ha circuits electrònics sense condensadors.
En aquest cas, els condensadors poden realitzar diverses tasques en dispositius. En primer lloc, es tracta d’envasos dels filtres de rectificadors i estabilitzadors. Amb l'ajuda dels condensadors, es transmet un senyal entre les etapes de l'amplificador, es creen filtres de baixa i alta freqüència, es defineixen intervals de temps en els retards i es selecciona la freqüència d'oscil·lació en diversos generadors.
Condensadors de plom bancs de leidenque a mitjan segle XVIII va ser utilitzat en els seus experiments pel científic holandès Peter van Mushenbrook. Va viure a la ciutat de Leiden, per la qual cosa és fàcil endevinar per què es va anomenar aquest banc.
De fet, es tractava d’un pot de vidre ordinari, folrat dins i fora amb una làmina d’estanyol. Es va utilitzar per als mateixos propòsits que l’alumini modern, però l’alumini encara no estava obert.
L’única font d’electricitat en aquells dies era una màquina electrofores, capaç de desenvolupar una tensió de fins a diversos centenars de kilovolts. Va ser d'ella que van carregar un flascó Leyden. Als llibres de text de física, es descriu un cas quan Mushenbrook va descarregar la seva llauna mitjançant una cadena de deu guàrdies agafats de la mà.
Aleshores, ningú no sabia que les conseqüències podrien ser tràgiques. El cop va resultar força sensible, però no fatal. No va arribar a això, perquè la capacitat del gerro de Leyden era insignificant, l'impuls va resultar molt curta, de manera que el poder de descàrrega era reduït.
Com és el condensador
El dispositiu del condensador no és pràcticament diferent del gerro de Leyden: tots dos mateixos plats separats per un dielèctric. Així es descriuen els condensadors en circuits elèctrics moderns. La figura 1 mostra una estructura esquemàtica d’un condensador pla i la fórmula per al seu càlcul.
Figura 1. Dispositiu de condensador pla
Aquí és la zona de la placa en metres quadrats, d és la distància entre les plaques en metres, C és la capacitança en els farads, ε és la constant dielèctrica del medi. Tots els valors inclosos en la fórmula estan indicats al sistema SI. Aquesta fórmula és vàlida per al condensador pla més senzill: simplement podeu col·locar dues plaques metàl·liques al seu costat, a partir de les quals es treuen conclusions. L’aire pot servir de dielèctric.
A partir d’aquesta fórmula es pot entendre que el condensador és més gran, més gran és l’àrea de les plaques i menor serà la distància entre elles. Per als condensadors amb una geometria diferent, la fórmula pot ser diferent, per exemple, per a la capacitança d’un sol conductor o cable elèctric. Però la dependència de la capacitança de l’àrea de les plaques i la distància entre elles és la mateixa que d’un condensador pla: com més gran sigui l’àrea i més petita sigui la distància, més gran és la capacitança.
De fet, les plaques no sempre estan planes. Per a molts condensadors, per exemple, el metall, les plaques són paper d’alumini enrotllat junt amb un dielèctric de paper en una bola ajustada, en forma d’una caixa de metall.
Per augmentar la resistència elèctrica, el paper condensador prim s’impregna de composicions aïllants, sovint oli transformador. Aquest disseny permet realitzar condensadors amb una capacitat de fins a diversos centenars de microfarads. Els condensadors amb altres dielèctrics estan disposats de manera similar.
La fórmula no conté cap restricció sobre l’àrea de les plaques S i la distància entre les plaques d.Si suposem que les plaques es poden arribar molt lluny i, alhora, fer que la zona de les plaques sigui molt reduïda, encara quedarà certa capacitat, tot i que petita. Aquest raonament suggereix que fins i tot només dos conductors ubicats al barri tenen una capacitança elèctrica.
Aquesta circumstància s’utilitza àmpliament en tecnologia d’alta freqüència: en alguns casos, els condensadors es fabriquen simplement en forma de pistes de circuit imprès o, fins i tot, només dos fils retorçats en un aïllament de polietilè. Els fideus o cable ordinaris també tenen capacitat i, a mesura que augmenta, augmenta la seva longitud.
A més de la capacitança C, qualsevol cable també té resistència R. Ambdues propietats físiques es distribueixen al llarg de la longitud del cable i, quan transmeten senyals polsades, funcionen com a cadena RC integradora, mostrada a la figura 2.
Figura 2
A la figura, tot és senzill: aquí hi ha el circuit, aquí hi ha el senyal d’entrada, però aquí està a la sortida. L’impuls està distorsionat més enllà del reconeixement, però es fa a propòsit, per al qual el circuit està muntat. Mentrestant, estem parlant de l'efecte de la capacitança del cable sobre el senyal de pols. En lloc d’un impuls, una “campana” apareixerà a l’altre extrem del cable, i si l’impuls és curt, potser no arribarà a l’altre extrem del cable, s’ha acabat del tot.
Fet històric
Aquí és molt oportú recordar la història de com es va posar el cable transatlàntic. El primer intent del 1857 va fracassar: els punts del telègraf (guions (polsos rectangulars) es van deformar de manera que no es podia desmuntar res a l’altre extrem de la línia de 4.000 km).
El 1865 es va fer un segon intent. En aquest moment, el físic anglès W. Thompson havia desenvolupat la teoria de la transmissió de dades a través de llargues línies. A la llum d’aquesta teoria, l’encaminament del cable va tenir més èxit i vam poder rebre senyals.
Per aquesta proesa científica, la reina Victòria va atorgar al científic la cavalleria i el títol de Lord Kelvin. Aquest va ser el nom de la petita ciutat de la costa d’Irlanda, on va començar la posada de cables. Però això només és una paraula i ara tornem a la darrera lletra de la fórmula, a saber, a la constant dielèctrica del mitjà ε.
Una mica sobre la dielèctrica
Això és en el denominador de la fórmula, per tant, el seu augment comportarà un augment de la capacitat. Per a la majoria de la dielèctrica utilitzada, com ara l’aire, el lavsà, el polietilè, el fluoroplàstic, aquesta constant és gairebé la mateixa que la del buit. Però, al mateix temps, hi ha moltes substàncies la constant dielèctrica de les quals és molt més gran. Si el condensador d'aire s'omple d'acetona o alcohol, la seva capacitat augmentarà cada 15 ... 20.
Però aquestes substàncies, a més de ε altes, també tenen una conductivitat prou elevada, per tant, un condensador no aguantarà bé una càrrega, es descarregarà ràpidament per si mateix. Aquest fenomen nociu es denomina corrent de fuita. Per tant, s'estan desenvolupant materials especials per a la dièctrica que, amb una elevada capacitat específica de condensadors, proporcionen corrents de fuita acceptables. Això explica la diversitat de tipus i tipus de condensadors, cadascun dels quals està dissenyat per a condicions específiques.
Condensador electrolític
La capacitat específica més gran (relació capacitat / volum) condensadors electrolítics. La capacitat dels "electròlits" arriba fins als 100.000 microfarads, i la tensió de funcionament és de fins a 600V. Aquests condensadors funcionen bé només en freqüències baixes, la majoria de vegades en filtres d'alimentació. Els condensadors electrolítics s’encenen en polaritat.
Els elèctrodes d’aquests condensadors són una fina pel·lícula d’òxid de metall, de manera que sovint aquests condensadors s’anomenen òxid. Una fina capa d’aire entre aquests elèctrodes no és un aïllant gaire fiable, per tant, s’introdueix una capa d’electròlits entre les plaques d’òxid. Molt sovint es tracta de solucions concentrades d’àcids o àlcalis.
La figura 3 mostra un d’aquests condensadors.
Figura 3. Condensador electrolític
Per avaluar la mida del condensador, es va fotografiar al costat una senzilla caixa de llumins. A més d'una capacitat prou gran a la figura, també es pot veure el percentatge de tolerància: no inferior al 70% del nominal.
En aquells dies en què els ordinadors eren grans i es deien ordinadors, aquests condensadors es trobaven en unitats (al modern disc dur). La capacitat d’informació d’aquests discs ara només pot causar un somriure: 5 megabytes d’informació es van emmagatzemar en dos discos amb un diàmetre de 350 mm, i el mateix dispositiu pesava 54 kg.
El propòsit principal dels supercondensadors que es mostra a la figura era la retirada de caps magnètics de la zona de treball del disc durant un brot d’energia. Aquests condensadors van poder emmagatzemar una càrrega durant diversos anys, que es va provar a la pràctica.
Una mica més baix amb condensadors electrolítics s’oferirà fer alguns experiments senzills per comprendre què pot fer un condensador.
Per treballar en circuits de CA es produeixen condensadors electrolítics no polars, això és molt difícil aconseguir-los per alguna raó. Per solucionar-se d'alguna manera a aquest problema, els "electròlits" polars ordinaris inclouen contra-seqüencials: més-menys-menys-més.
Si el condensador electrolític polar s’inclou al circuit de corrent altern, primer s’escalfarà, i després es sentirà una explosió. Condensadors antics domèstics dispersos en totes les direccions, mentre que els importats tenen un dispositiu especial que evita els cops forts. Generalment es tracta d'una osca creuada a la part inferior del condensador o bé un forat amb un tap de goma situat al mateix lloc.
No els agraden els condensadors electrolítics d’augment de tensió, fins i tot si s’observa la polaritat. Per tant, mai no heu de posar "electròlits" en un circuit on s'espera una tensió propera al màxim per a un condensador determinat.
De vegades, en alguns fòrums, fins i tot de bona reputació, els principiants fan una pregunta: "El condensador 470µF * 16V està indicat al circuit i tinc 470µF * 50V, puc posar-ho?" Sí, és clar, sí, però la substitució inversa és inacceptable.
El condensador pot emmagatzemar energia
Per fer front a aquesta afirmació, ajudarà un esquema senzill mostrat a la figura 4.
Figura 4. Circuit amb condensador
El protagonista d’aquest circuit és un condensador electrolític C amb una capacitat prou gran perquè els processos de descàrrega de càrrega es procedeixin lentament i fins i tot de manera molt clara. D’aquesta manera, es pot observar visualment el funcionament del circuit utilitzant una llum convencional d’una llanterna. Aquestes llums han deixat pas als moderns LED, però encara es venen bombetes per a ells. Per tant, és molt fàcil muntar un circuit i realitzar experiments senzills.
Potser algú dirà: “Per què? Al cap i a la fi, tot és evident, i fins i tot si llegiu la descripció ... " Sembla que no hi hagi res a discutir aquí, però qualsevol, fins i tot el més senzill, roman al cap durant molt de temps si la seva comprensió va passar per mans.
Així doncs, el circuit està muntat. Com funciona?
En la posició de l’interruptor SA, que es mostra al diagrama, el condensador C es carrega des de la font d’energia GB a través de la resistència R del circuit: + GB __ R __ SA __ C __-GB. El corrent de càrrega del diagrama es mostra amb una fletxa amb l'índex í. A la figura 5 es mostra el procés de càrrega d’un condensador.
Figura 5. Procés de càrrega de condensadors
La figura mostra que la tensió sobre el condensador augmenta al llarg d’una corba, en matemàtiques anomenada exponent. El corrent de càrrega reflecteix directament la tensió de càrrega. A mesura que augmenta la tensió a través del condensador, el corrent de càrrega es fa cada vegada menor. I només en el moment inicial correspon a la fórmula mostrada a la figura.
Al cap d'un temps, el condensador es carregarà des de 0V fins a la tensió de la font d'alimentació, al nostre circuit a 4,5V. Tota la pregunta és: com és el moment de determinar quant temps s’ha d’esperar, quan es carregarà el condensador?
Constant de temps Tau τ = R * C
En aquesta fórmula, la resistència i la capacitança d'un resistor i condensador connectats en sèrie es multipliquen simplement.Si, sense deixar de banda el sistema SI, substituïm la resistència en Ohms, la capacitança en Farads, el resultat serà en segons. Aquest moment és necessari perquè el condensador carregui fins a un 36,8% de la tensió de la font d’energia. Per tant, per a una càrrega de gairebé el 100%, caldrà un temps de 5 * τ.
Sovint, deixant de banda el sistema SI, la resistència en Ohms se substitueix en la fórmula i la capacitança es troba en microfarades; el temps es convertirà en microsegons. En el nostre cas, és més convenient obtenir el resultat en segons, per als quals simplement heu de multiplicar els microsegons per un milió, o més senzillament, desplaçar la coma de sis caràcters a l’esquerra.
Per al circuit que es mostra a la figura 4, amb un condensador de 2000 μF i una resistència de 500 Ω, la constant de temps serà τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 microsegons o exactament un segon. Així, haureu d’esperar uns 5 segons fins que el condensador estigui completament carregat.
Si, passat el temps especificat, l’interruptor SA es gira a la posició correcta, el condensador C es descarrega a través de la bombeta EL. En aquest moment, es produirà un breu flaix, el condensador es descarregarà i la llum s’apagarà. La direcció de descàrrega del condensador es mostra amb una fletxa amb l'índex ip. El temps de descàrrega també es determina per la constant de temps τ. La gràfica de descàrrega es mostra a la figura 6.
Figura 6. Gràfic de descàrrega del condensador
El condensador no passa corrent directe
Per verificar aquesta afirmació, ajudarà un esquema encara més senzill, mostrat a la figura 7.
Figura 7. Circuit amb un condensador al circuit de corrent continu
Si tanqueu l’interruptor SA, hi haurà un breu flaix de la bombeta, que indica que el condensador C es carrega a través de la bombeta. Aquí també es mostra el gràfic de càrrega: en el moment en què es tanca l’interruptor, la corrent és màxima, ja que la càrrega del condensador disminueix i al cap d’un temps s’atura completament.
Si el condensador és de bona qualitat, és a dir. amb un petit corrent de fuita (auto-descàrrega), el tancament repetit de l’interruptor no provocarà cap flaix. Per obtenir un altre flaix, caldrà descarregar el condensador.
Condensador en filtres de potència
El condensador se situa normalment després del rectificador. La majoria de vegades, els rectificadors es fan a mitja ona. Els circuits rectificadors més comuns es mostren a la figura 8.
Figura 8. Circuits rectificadors
Els rectificadors de mitja ona també s’utilitzen amb força freqüència, per regla general, en els casos en què la potència de càrrega és insignificant. La qualitat més valuosa d'aquests rectificadors és la simplicitat: només un diode i un bobinatge del transformador.
Per a un rectificador de mitja ona, es pot calcular la capacitança del condensador del filtre mitjançant la fórmula
C = 1.000.000 * Po / 2 * U * f * dU, on C és el condensador μF, Po és la potència de càrrega W, U és la tensió a la sortida del rectificador V, f és la freqüència de la tensió de CA Hz, dU és l'amplitud de ondulació V.
Una gran quantitat en el numerador de 1.000.000 converteix la capacitança del condensador des dels Farads del sistema en els microfarads. Les dues parts en el denominador representen el nombre de semicíndies del rectificador: per a una mitja onada al seu lloc, apareixerà una unitat
C = 1.000.000 * Po / U * f * dU,
i per a un rectificador trifàsic, la fórmula prendrà la forma C = 1.000.000 * Po / 3 * U * f * dU.
Supercapacitor - Ionistor
Recentment, una nova classe de condensadors electrolítics, els anomenats ionistor. En les seves propietats, és similar a una bateria, però, amb diverses limitacions.
L’ionistor es carrega a la tensió nominal en poc temps, literalment en pocs minuts, per la qual cosa és recomanable utilitzar-lo com a font d’energia de còpia de seguretat. De fet, l’ionista és un dispositiu no polar, l’únic que determina la seva polaritat és carregar a la fàbrica. Per tal de no confondre aquesta polaritat en el futur, s’indica amb el signe +.
Un paper important el juguen les condicions de funcionament dels ionistes. A una temperatura de 70 ºC a una tensió de 0,8 de la durabilitat nominal garantida no superior a 500 hores.Si el dispositiu funcionarà a una tensió de 0,6 respecte a la nominal i la temperatura no supera els 40 graus, es pot fer un funcionament adequat durant 40.000 hores o més.
Les aplicacions ionistes més comunes són fonts d’energia de còpia de seguretat. Es tracta principalment de xips de memòria o rellotges electrònics. En aquest cas, el principal paràmetre de l’ionistor és un corrent de fuites baix, la seva auto-descàrrega.
És força prometedor l'ús d'ionistes juntament amb les plaques solars. També afecta la no-crítica a l'estat de la càrrega i un nombre gairebé il·limitat de cicles de descàrrega. Una altra propietat valuosa és que l'ionistor no té manteniment.
Fins ara, ha resultat explicar com i on funcionen els condensadors electrolítics, i principalment en circuits de corrent continu. El funcionament dels condensadors en circuits de CA es descriurà en un altre article - Condensadors per a instal·lacions elèctriques de corrent altern.
Boris Aladyshkin
P.S. Un cas d'ús interessant per als condensadors: soldadura de condensadors
Consulteu també a electro-ca.tomathouse.com
: