أصبحت قاعدة العناصر لتصميم الأجهزة الإلكترونية أكثر تعقيدًا. يتم دمج الأجهزة في دوائر متكاملة مع وظيفة معينة والتحكم في البرنامج. لكن التطور يعتمد على الأجهزة الأساسية: المكثفات والمقاومات والثنائيات والترانزستورات.
محتوى
ما هو مكثف
يسمى الجهاز الذي يخزن الطاقة الكهربائية في شكل شحنات كهربائية بالمكثف.
تُقاس كمية الكهرباء أو الشحنة الكهربائية في الفيزياء بوحدة الكولوم (C). تُقاس السعة بالفاراد (F).
الموصل الانفرادي بسعة كهربائية 1 فاراد هو كرة معدنية نصف قطرها 13 نصف قطر من الشمس.لذلك ، يشتمل المكثف على موصلين على الأقل مفصولين بواسطة عازل. في تصميمات بسيطة للجهاز - ورق.
يتم تشغيل المكثف في دائرة التيار المستمر عند تشغيل الطاقة وإيقافها ، فقط في اللحظات الانتقالية تتغير الإمكانات على الألواح.
يتم إعادة شحن المكثف في دائرة التيار المتردد بتردد مساوٍ لتردد جهد إمداد الطاقة. نتيجة للشحنات والتفريغ المستمر ، يتدفق التيار عبر العنصر. تردد أعلى - يتم إعادة شحن الجهاز بشكل أسرع.
تعتمد مقاومة الدائرة ذات المكثف على تردد التيار. عند تردد صفر تيار مستمر ، تميل قيمة المقاومة إلى اللانهاية. كلما زاد تردد التيار المتردد ، تقل المقاومة.
أين تستخدم المكثفات؟
لا يمكن تشغيل الأجهزة الإلكترونية وهندسة الراديو والأجهزة الكهربائية بدون المكثفات.
في الهندسة الكهربائية ، يتم استخدامها لتحويل المراحل عند بدء تشغيل المحركات الحثية. بدون تحول الطور ، لا يعمل محرك غير متزامن ثلاثي الطور في شبكة أحادية الطور متغيرة.
مكثفات بسعة عدة فاراد - أيونيستورات ، تستخدم في السيارات الكهربائية كمصادر طاقة للمحرك.
لفهم سبب الحاجة إلى مكثف ، عليك أن تعرف أن 10-12٪ من أجهزة القياس تعمل وفقًا لمبدأ تغيير السعة الكهربائية عندما تتغير معلمات البيئة الخارجية. تُستخدم سعة رد الفعل للأجهزة الخاصة من أجل:
- تسجيل حركات ضعيفة من خلال زيادة أو نقصان المسافة بين اللوحات ؛
- تحديد الرطوبة عن طريق تحديد التغيرات في مقاومة العازل ؛
- قياس مستوى السائل الذي يغير قدرة العنصر عند ملئه.
من الصعب تخيل كيفية تصميم الأتمتة وحماية الترحيل بدون مكثفات. تأخذ بعض منطق الحماية في الاعتبار تعدد إعادة شحن الجهاز.
تستخدم العناصر السعوية في دوائر أجهزة الاتصالات المحمولة وأجهزة الراديو والتلفزيون. تستخدم المكثفات في:
- مضخمات الترددات العالية والمنخفضة ؛
- مزودات الطاقة؛
- مرشحات التردد
- مكبرات الصوت
- المعالجات والدوائر الدقيقة الأخرى.
من السهل العثور على إجابة للسؤال حول الغرض من المكثف ، إذا نظرت إلى الدوائر الكهربائية للأجهزة الإلكترونية.
مبدأ تشغيل المكثف
في دائرة التيار المستمر ، يتم جمع الشحنات الموجبة على لوحة واحدة ، ويتم جمع الشحنات السالبة على الأخرى. بسبب التجاذب المتبادل ، يتم الاحتفاظ بالجسيمات في الجهاز ، ولا يسمح العازل الكهربائي بينهما بالاتصال. كلما كان العازل أرق ، كلما كانت الشحنات أقوى.
يأخذ المكثف كمية الكهرباء اللازمة لملء الحاوية ، ويتوقف التيار.
مع وجود جهد ثابت في الدائرة ، يحتفظ العنصر بالشحنة حتى يتم إيقاف تشغيل الطاقة. ثم يتم تفريغها من خلال الأحمال في الدائرة.
يتدفق التيار المتردد عبر مكثف بطريقة مختلفة. أول ¼ من فترة التذبذب هي اللحظة التي يتم فيها شحن الجهاز. ينخفض اتساع تيار الشحن بشكل كبير ، وبنهاية الربع ينخفض إلى الصفر. تصل EMF في هذه اللحظة إلى السعة.
في الفترة الثانية ، يسقط المجال الكهرومغناطيسي وتبدأ الخلية في التفريغ. الانخفاض في EMF صغير في البداية وتيار التفريغ ، على التوالي ، أيضًا. ينمو وفقًا لنفس الاعتماد الأسي. بحلول نهاية الفترة ، يكون EMF هو صفر ، والتيار يساوي قيمة السعة.
في الثالثة ¼ من فترة التذبذب ، يغير EMF اتجاهه ويمر عبر الصفر ويزيد.يتم عكس علامة الشحن الموجودة على اللوحات. يتناقص التيار في الحجم ويحتفظ بالاتجاه. في هذه المرحلة ، يقود التيار الكهربائي الجهد بمقدار 90 درجة في الطور.
يحدث العكس في المحرِّضات: الجهد يقود التيار. تأتي هذه الخاصية أولاً عند اختيار الدوائر المراد استخدامها في الدائرة: RC أو RL.
في نهاية الدورة ، عند التذبذب الأخير ، ينخفض EMF إلى الصفر ، ويصل التيار إلى ذروته.
يتم تفريغ "السعة" وشحنها مرتين في كل فترة وتجري التيار المتردد.
هذا هو الوصف النظري للعمليات. لفهم كيفية عمل العنصر الموجود في الدائرة مباشرة في الجهاز ، يتم حساب المقاومة الاستقرائية والسعة للدائرة ، ومعلمات المشاركين الآخرين ، وتأثير البيئة الخارجية في الاعتبار.
الخصائص والخصائص الرئيسية
تتضمن معلمات المكثفات المستخدمة لإنشاء وإصلاح الأجهزة الإلكترونية ما يلي:
- السعة - C. يحدد مقدار الشحن الذي يحمله الجهاز. يشار إلى قيمة السعة الاسمية في العلبة. لإنشاء القيم المطلوبة ، يتم تضمين العناصر في الدائرة بشكل متوازٍ أو متسلسل. القيم التشغيلية لا تتطابق مع القيم المحسوبة.
- تردد الرنين - fр. إذا كان تردد التيار أكبر من تردد الطنين ، فستظهر الخصائص الاستقرائية للعنصر. هذا يجعل المهمة صعبة. لتوفير الطاقة المحسوبة في الدائرة ، من المعقول استخدام مكثف عند ترددات أقل من قيم الطنين.
- الفولطية المقدرة - Un. لمنع انهيار العنصر ، يتم ضبط جهد التشغيل على أقل من الجهد الاسمي. تمت الإشارة إلى المعلمة في علبة المكثف.
- قطبية. إذا كان الاتصال غير صحيح ، فسيحدث الانهيار والفشل.
- مقاومة العزل الكهربائي - ش. يحدد تيار التسرب للجهاز. في الأجهزة ، توجد الأجزاء بالقرب من بعضها البعض. في تيار التسرب العالي ، يمكن إجراء اتصالات طفيلية في الدوائر. هذا يؤدي إلى أعطال. تيار التسرب يحط من الخصائص السعوية للعنصر.
- معامل درجة الحرارة - TKE. تحدد القيمة كيف تتغير سعة الجهاز مع التقلبات في درجة حرارة البيئة. يتم استخدام المعلمة عند تطوير أجهزة للعمل في ظروف مناخية قاسية.
- تأثير طفيلي كهرضغطية. بعض أنواع المكثفات ، عند تشوهها ، تحدث ضوضاء في الأجهزة.
أنواع المكثفات وأنواعها
يتم تصنيف العناصر السعوية حسب نوع العازل الكهربائي المستخدم في التصميم.
مكثفات الورق والمعدن الورقية
تُستخدم العناصر في الدوائر ذات الجهد المستمر أو النابض قليلاً. تؤدي بساطة التصميم إلى استقرار أداء أقل بنسبة 10-25٪ وزيادة الخسائر.
في المكثفات الورقية ، تفصل ألواح رقائق الألومنيوم الورق. يتم لف التجمعات ووضعها في صندوق على شكل أسطوانة أو متوازي مستطيل الشكل.
تعمل الأجهزة في درجات حرارة -60 ... + 125 درجة مئوية ، بجهد مقدر للأجهزة منخفضة الجهد يصل إلى 1600 فولت ، وأجهزة عالية الجهد - أعلى من 1600 فولت وسعة تصل إلى عشرات الميكروفاراد.
في الأجهزة الورقية المعدنية ، بدلاً من رقائق معدنية ، يتم وضع طبقة رقيقة من المعدن على الورق العازل. هذا يساعد على إنتاج عناصر أصغر. مع حدوث أعطال طفيفة ، يكون الشفاء الذاتي للعازل ممكنًا. تعتبر عناصر الورق المعدني أدنى من العناصر الورقية من حيث مقاومة العزل.
مكثف كهربائيا
تصميم المنتجات يشبه الورق. ولكن في صناعة الخلايا الإلكتروليتية ، يتم تشريب الورق بأكاسيد المعادن.
في المنتجات التي تحتوي على إلكتروليت بدون ورق ، يترسب الأكسيد على قطب كهربائي معدني. أكاسيد المعادن لها موصلية من جانب واحد ، مما يجعل الجهاز قطبيًا.
في بعض نماذج الخلايا الإلكتروليتية ، تُصنع الألواح بأخاديد تزيد من مساحة سطح القطب. يتم القضاء على الفجوات الموجودة في الفراغ بين الصفائح عن طريق الفيضان بالكهرباء. هذا يحسن الخصائص السعوية للمنتج.
تُستخدم سعة كبيرة من أجهزة التحليل الكهربائي - مئات الميكروفاراد - في المرشحات لتنعيم تموجات الجهد.
الالومنيوم كهربائيا
في الأجهزة من هذا النوع ، تصنع بطانة الأنود من رقائق الألومنيوم. السطح مغطى بأكسيد معدني - عازل. بطانة الكاثود عبارة عن إلكتروليت صلب أو سائل ، يتم تحديده بحيث يتم استعادة طبقة الأكسيد الموجودة على الرقاقة أثناء التشغيل. يطيل عازل الشفاء الذاتي من عمر العنصر.
تتطلب مكثفات هذا التصميم قطبية. عند تشغيله مرة أخرى ، سوف يكسر القضية.
يتم استخدام الأجهزة ، التي توجد بداخلها مجموعات قطبية مضادة للتسلسل ، في اتجاهين. تصل سعة خلايا الألومنيوم الإلكتروليتية إلى عدة آلاف من الميكروفاراد.
التنتالوم كهربائيا
القطب الموجب لهذه الأجهزة مصنوع من هيكل مسامي يتم الحصول عليه عن طريق تسخين مسحوق التنتالوم إلى + 2000 درجة مئوية. تبدو المادة مثل الإسفنج. المسامية تزيد من مساحة السطح.
باستخدام الأكسدة الكهروكيميائية ، يتم وضع طبقة من خامس أكسيد التنتالوم يصل سمكها إلى 100 نانومتر على الأنود. يتكون العازل الصلب من ثاني أكسيد المنغنيز.يتم ضغط الهيكل النهائي في مركب - راتنج خاص.
تُستخدم منتجات التنتالوم عند الترددات الحالية التي تزيد عن 100 كيلو هرتز. يتم إنشاء السعة حتى مئات الميكروفاراد ، بجهد تشغيل يصل إلى 75 فولت.
بوليمر
تستخدم المكثفات إلكتروليتًا مصنوعًا من بوليمرات صلبة ، مما يوفر عددًا من المزايا:
- تمت زيادة عمر الخدمة حتى 50 ألف ساعة ؛
- يتم حفظ المعلمات أثناء التسخين ؛
- يتم توسيع نطاق التموجات الحالية المسموح بها ؛
- لا تؤدي مقاومة الألواح والخيوط إلى تحويل السعة.
فيلم
العازل الكهربائي في هذه النماذج عبارة عن فيلم من التفلون أو البوليستر أو البلاستيك الفلوري أو البولي بروبلين.
الأغطية - رقائق معدنية أو ترسبات معدنية على الفيلم. يستخدم التصميم لإنشاء تجميعات متعددة الطبقات مع زيادة مساحة السطح.
تبلغ سعة مكثفات الأفلام ذات الأحجام المصغرة مئات الميكروفاراد. اعتمادًا على موضع الطبقات واستنتاجات جهات الاتصال ، يتم تصنيع الأشكال المحورية أو الشعاعية للمنتجات.
في بعض الطرز ، يكون الجهد المقدر 2 كيلو فولت وأعلى.
ما هو الفرق بين القطبية وغير القطبية
يسمح اللاقطبي بإدراج المكثفات في الدائرة بغض النظر عن اتجاه التيار. يتم استخدام العناصر في مرشحات مصادر الطاقة المتغيرة ومكبرات الصوت عالية التردد.
يتم توصيل المنتجات القطبية وفقًا للعلامات. إذا قمت بتشغيله في الاتجاه المعاكس ، فسيفشل الجهاز أو لن يعمل بشكل طبيعي.
تختلف المكثفات القطبية وغير القطبية ذات السعات الكبيرة والصغيرة في تصميم العازل. في المكثفات الإلكتروليتية ، إذا تم تطبيق الأكسيد على قطب كهربائي واحد أو جانب واحد من الورق ، فيلم ، فسيكون العنصر قطبيًا.
يتم تضمين نماذج المكثفات الإلكتروليتية غير القطبية ، في التصميمات التي ترسب فيها أكسيد الفلز بشكل متماثل على كلا سطوح العازل ، في دوائر التيار المتناوب.
بالنسبة للأقطاب القطبية ، هناك علامة على وجود قطب كهربائي موجب أو سالب على الجسم.
ما الذي يحدد سعة المكثف
تتمثل الوظيفة والدور الرئيسيان للمكثف في الدائرة في تجميع الشحنات ، وهناك وظيفة إضافية تتمثل في منع التسرب.
تتناسب قيمة سعة المكثف طرديًا مع ثابت العزل الكهربائي للوسط ومنطقة الألواح ، وتتناسب عكسًا مع المسافة بين الأقطاب الكهربائية. هناك نوعان من التناقضات:
- لزيادة السعة ، هناك حاجة إلى أقطاب كهربائية سميكة وأوسع وأطول قدر الإمكان. في هذه الحالة ، لا يمكن زيادة أبعاد الجهاز.
- للحفاظ على الشحنات وتوفير قوة الجذب المطلوبة ، تكون المسافة بين الألواح ضئيلة. في هذه الحالة ، لا يمكن تقليل تيار الانهيار.
لحل التعارضات ، يستخدم المطورون:
- إنشاءات متعددة الطبقات لزوج من العازل الكهربائي والقطب الكهربائي ؛
- هياكل الأنود المسامية
- استبدال الورق بأكاسيد وإلكتروليتات ؛
- اتصال متوازي للعناصر
- ملء المساحة الخالية بمواد ذات ثابت عازل متزايد.
تصبح المكثفات أصغر حجمًا وتتحسن مع كل اختراع جديد.
مقالات مماثلة:
