Úlohy a pravidlá pre použitie kondenzátorov v elektrických obvodoch

Úlohy a pravidlá pre použitie kondenzátorov v elektrických obvodoch
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  1208 zobrazení
5
 0
Rádioamatérov almanach

Podobne ako jazyk, tak aj návrh elektrických obvodov pozostáva z neustále opakujúcich sa a nedeliteľných znakov, ktoré možno kombinovať v nekonečnom množstve variácií tak, aby sa vytvorila akákoľvek funkcia, ktorá je možná v rámci súčasných technologických obmedzení. V elektronike je pravdepodobne najvšadeprítomnejším z týchto prvkov kondenzátor - komponent, ktorý väčšina konštruktérov dôverne pozná. Možno vás neprekvapí že kondenzátory plnia širokú škálu kritických úloh v celom návrhu. Pred rozborom týchto úloh je preto prospešné zopakovať si niektoré pojmy a teórie, ktoré stoja za fungovaním kondenzátorov.

Kondenzátor: Kľúčový prvok každého návrhu

Na prvý pohľad veľmi jednoduchá konštrukcia kondenzátora popiera jeho široké využitie v návrhu. Hoci moderný kondenzátor využíva najmodernejšie výrobné technológie a vedecké poznatky o materiáloch, v jadre komponentu sú v podtste iba dve elektricky nabité dosky oddelené dielektrickým materiálom. Keďže prúd je tok kladného náboja (alebo naopak, tok opačného smeru migrácie elektrónov), dosky kondenzátora sa začnú nabíjať, pričom priťahujú nepodobné náboje a odpudzujú podobné náboje tak, ako to opisuje Coulombov zákon. Všade, kde existuje náboj, existuje aj elektrické pole opisujúce potenciálové pole okolo nabitého povrchu; v tomto prípade je vysoko koncentrované medzi doskami kondenzátora.

Dielektrikum tvorí základ schopnosti kondenzátora nakoľko pomáha efektívne uchovávať elektrický náboj, pretože medzi nabitými doskami je umiestnený materiál, ktorého kapacita sa pri danom napätí zvyšuje. Tento nárast vzniká vďaka elektrickej permitivite - alebo tomu, ako účinne sa materiál môže polarizovať v prítomnosti elektrického poľa - dielektrika.

Kondenzátory však nie sú zázračné komponenty aj keď sa snažia maximálne potlačiť náboj medzi dvoma doskami. Dosiahnutie tejto hodnoty znamená, že izolant sa rýchlo zmení na vodič, a to môže byť často nevratné v dôsledku zmeny vlastností základného materiálu. V menej extrémnych prípadoch môže dôjsť k vybitiu, ktoré zásadne nezmení budúci výkon kondenzátora, ale môže poškodiť okolitú elektroniku.

Kondenzátory možno vo všeobecnosti rozdeliť na základe materiálov použitých v ich konštrukcii, hoci to nemusí nevyhnutne znamenať, že rôzne formáty prinesú rôzne vlastnosti. Výrobné procesy dospievajú k niektorým najlepším vlastnostiam medzi rôznymi štýlmi. Existujú tri dominantné typy materiálov pre kondenzátory:

  • Keramické kondenzátory - Pozostáva zo striedajúcich sa vrstiev kovových vodičov a keramického materiálu, ktorý je zmiešaný s určitými kovmi so zvýšenými parametrami elektrickej citlivosti.
  • Filmom tvorené kondenzátory - Obsahuje izolačný plast ako dielektrikum. Tieto kondenzátory sa môžu do určitej miery zotaviť z poruchy dielektrika medzi kovovými vrstvami, čo vedie k väčším kapacitám pri podobných rozmeroch obalov v porovnaní s inými typmi kondenzátorov.
  • Elektrolytické kondenzátory - Väčšia plocha povrchu a väčšia permitivita dielektrika znamenajú, že tieto kondenzátory môžu poskytovať absolútne najvyššie hodnoty kapacity, ale sú tu problémy s usporiadaním / výrobou / montážou.

Žiadna diskusia o všeobecných vlastnostiach kondenzátora by nebola úplná bez zmienky o polarite. Vo vyššie uvedenom zozname sú polarizované len elektrolytické kondenzátory - ide o kondenzátory, ktoré obsahujú na obale nejaké vizuálne indikátory na orientáciu pri ich inštalácii. Zatiaľ čo nepolarizované kondenzátory možno umiestniť v oboch smeroch, inštalácia elektrolytického kondenzátora opačným smerom spôsobí trvalé poškodenie komponentu a pri dostatočne veľkých kondenzátoroch aj poškodenie okolitého prostredia. Konštruktéri by preto mali byť pri vytváraní návrhu zariadenia mimoriadne opatrní, aby zabezpečili, že indikátory pinu 1 a iné značky polarity budú počas konečnej prípravy legendy viditeľné a nezakryté.

Kondenzátor, prechodné javy a časové konštanty

Podobne ako pri mnohých iných komponentoch sa činnosť kondenzátora mení v závislosti od zdrojového prúdu, ako aj od prechodového charakteru obvodu. Inžinieri používajú spínače, často vo forme malých tranzistorov, aby poskytli štruktúru správania obvodu, podobne ako pri vypisovaní možných prípadov bloku kódu v závislosti od podmienok, ktoré chce inžinier zvoliť. V týchto prípadoch je potrebné pochopiť, že kondenzátor bude reagovať na meniace sa podmienky. Na začiatku nabíjacieho cyklu jednosmerného prúdu sa kondenzátor podobá skratu, pretože umožňuje priechod prúdu a budovanie prázdnych zásobníkov energie. Ako sa kondenzátor pomaly nasycuje nábojom, ponúka cestu s vyššou impedanciou, čo nakoniec vedie k otvorenému obvodu pri plnom nabití. Počas vybíjacieho cyklu chce kondenzátor udržať zmenu svojho napätia vzhľadom na čas konštantnú a na dosiahnutie tohto cieľa bude zdrojom uloženého náboja pre prúd, čím sa nakoniec kondenzátor za dostatočne dlhé obdobie vybije a proces sa začne odznova.

Táto kvantovaná rýchlosť nabíjania / vybíjania pamäťového prvku, známa ako časová konštanta, informuje konštruktérov o tom, ako pružne kondenzátor reaguje. Väčšia kapacita znamená väčšiu úložnú kapacitu, ale pomalšiu rýchlosť nabíjania / vybíjania a naopak. To vedie k dvom dôležitým aspektom používania kondenzátorov, pričom prvým je dimenzovanie oddeľovacích kondenzátorov čiastočne na základe požiadaviek súvisiacich obvodov a druhým je ich priestorové umiestnenie. V prípade veľkého integrovaného obvodu, ktorý má mnoho pridružených oddeľovacích kondenzátorov, by sa najmenšia kapacita mala umiestniť najbližšie k príslušným napájacím pinom, aby sa dosiahla najnižšia impedancia (a teda najrýchlejšia odozva). Väčšie kondenzátory by mali byť stále umiestnené v blízkosti týchto pinov, ale ich časová konštanta diktuje, že nemusia byť tak blízko, aby stále poskytovali vhodný výkon.

Skúmanie duality kondenzátora a indukčnosti

Kondenzátory sú stavebnými prvkami obvodov, rovnako ako aj rezistory a indukčnosti. Táto trojica základných komponentov má spoločné niektoré kľúčové vlastnosti, a to fakt, že sa jedná o pasívne lineárne komponenty. Aj medzi týmito podobnosťami kondenzátory vystupujú ako trochu zvláštne: ich sériové a paralelné kombinácie sa sčítavajú opačne ako kombinácie rezistorov a indukčností. Zatiaľ čo rezistory a indukčnosti sa sčítavajú v sérii a sú recipročným súčtom recipročných súčtov v paralelnom zapojení, pri kondenzátoroch je to však naopak.

Napriek tejto zvláštnosti sú kondenzátory a indukčnosti oveľa tesnejšie prepojenou dvojicou spomedzi týchto troch komponentov. Oba predstavujú dualitu idealizovanej elektrickej teórie: kondenzátory na jednej strane predstavujú elektrinu a indukčnosti na druhej strane magnetizmus. Jedným z najjednoduchších spôsobov, ako si pripomenúť vlastnosti jedného komponentu, je uvedomiť si, že idealizovane sú takmer protikladné. Obe sú aspektmi reaktancie - imaginárneho náprotivku odporu, ktoré spolu tvoria impedanciu - čo spôsobuje fázový posun medzi priebehom napätia a prúdu. Táto zložka impedancie je bezstratová, ale v skutočnosti sa nemožno stretnúť s impedanciou s nulovým odporom.

Niektoré metódy využitia kondenzátorov

Z hľadiska čistej funkčnosti nemôže žiadna iná diskrétna súčiastka ponúknuť taký výkon obvodu ako kondenzátor. Aj keď kondenzátory aj indukčnosti poskytujú ukladanie elektrických a magnetických polí, s prvými poľami je oveľa jednoduchšie bojovať. Hoci induktory majú svoje miesto, kondenzátory dominujú ako zariadenie na ukladanie náboja v celom obvode, ktoré dokáže dodať okamžitý výkon počas poklesov celkového sieťového výkonu. Tým sa znižuje zaťaženie kritických výkonových sietí, ktoré pokrývajú celú dosku a niekedy aj tisíce jednotlivých zariadení; kondenzátory však môžu plniť oveľa viac úloh:

  • Oddelenie signálov - Z rôznych dôvodov môže byť pre konštruktéra výhodné, aby mohol oddeliť striedavé a jednosmerné signály, napríklad pre ladené obvody alebo filtrovanie signálov ďalšie spracovanie. Kondenzátory môžu byť preto vhodné tým, že prepúšťajú iba striedavé alebo jednosmerné signály v závislosti od kapacity konkrétneho kondenzátora alebo typu kondenzátora.
  • Spínaný zdroj - kľúčovou súčasťou SMPS je kondenzátor, ktorý prenáša energiu medzi zapnutými a vypnutými spínacími komponentmi v zdroji. Kondenzátory sú oveľa energeticky účinnejšie ako klasické lineárne regulátory, ktoré konvertujú napätie prostredníctvom odporových strát, čím pridávajú do zostavy obrovské množstvo tepla s výraznými realizačnými obmedzeniami rozpätia výstupno-vstupného napätia. Naopak, vysoko modulárna povaha SMPS znamená, že vstupné napätie alebo prúd možno dokonca vybudiť a dodať do záťaže s hodnotami väčšími, ako sú hodnoty zdroja.
  • Úprava signálu - tým, že pôsobia ako dočasná náhrada zdroja počas spínacích cyklov, sa kondenzátory používajú na vyhladenie medzier v obvode dodávky energie. Tým sa zabezpečuje nielen neprerušovaná dodávka energie do zariadení, ale aj to, že dodávané napätie je takmer konštantné, aby sa predišlo problémom s premenlivým výkonom.
  • Konštrukcia filtrov - vysokopriepustné a dolnopriepustné filtre sa môžu použiť na potlačenie frekvencií pod alebo nad medznou frekvenciou (v uvedenom poradí), pričom frekvencie signálu, ktoré spadajú nad alebo pod túto frekvenciu, môžu pokračovať bez obmedzenia. Ktorýkoľvek z týchto filtrov sa dá jednoducho a lacno zostrojiť z kondenzátorov a iných základných stavebných prvkov obvodu.
  • Odrušovacie kondenzátory - podobne ako poistka, odrušovacie kondenzátory poskytujú bezpečnejšiu cestu pre nadmerné napäťové špičky. Na rozdiel od poistky nie je snubber nevyhnutne obetavý a umožňuje pokračovať v prevádzke obvodu, pretože sa nachádza paralelne s obvodom, ktorý môže generovať potenciálne veľký zdrojový skok.
  • Snímač - činnosť kondenzátora možno obrátiť tak, aby sa na vyvolanie zmien vlastností zariadenia použili meniace sa fyzikálne parametre, čo umožňuje nepriame merania širokej škály javov.

Kondenzátory sú naozaj v každom smere fascinujúce komponenty, ktoré nájdete zapojené v rôznych zariadeniach a klimatických podmienkach a dalo by sa povedať, že asi neexistuje žiadne elektronické zapojenie, kde by sa tento komponent nenachádzal. Je však vždy vhodné poznať zákonitosti a technické usmernenia do takej miery, aby sa výsledne navrnutý obvod nestal viac záťažov ako prínosom pre celé zariadenie.

Informácia : Pokiaľ sa vám článok páčil, informácie v ňom boli pre vás užitočné a máte záujem o viac takýchto článkov, podporte drobnou sumou jeho autora. Ďakujeme
Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 250.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

       

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vaša reklama na tomto mieste

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo


Webwiki Button