Mga kategorya: Kagiliw-giliw na mga katotohanan, Praktikal na Elektronika
Bilang ng mga tanawin: 231,928
Mga puna sa artikulo: 9
Mga capacitors: layunin, aparato, prinsipyo ng operasyon
Sa lahat ng mga aparato sa radyo at elektroniko, maliban sa mga transistor at microcircuits, ginagamit ang mga capacitor. Sa ilang mga circuit ay may higit pa sa kanila, sa iba mas kaunti, ngunit halos walang mga elektronikong circuit na walang mga capacitor.
Sa kasong ito, ang mga capacitor ay maaaring magsagawa ng iba't ibang mga gawain sa mga aparato. Una sa lahat, ito ay mga lalagyan sa mga filter ng mga rectifier at stabilizer. Sa tulong ng mga capacitor, ang isang signal ay ipinadala sa pagitan ng mga yugto ng amplifier, ang mga mababa at mataas na dalas na filter ay itinayo, ang mga agwat ng oras sa mga pagkaantala ng oras, at ang dalas ng pag-oscillation sa iba't ibang mga generator ay pinili.
Nangunguna mula sa mga capacitors mga bangko ng leidenna sa kalagitnaan ng ika-18 siglo ay ginamit sa kanilang mga eksperimento ng siyentipikong Dutch na si Peter van Mushenbrook. Nabuhay siya sa lungsod ng Leiden, kaya madaling hulaan kung bakit tinawag ang bangko na ito.
Sa totoo lang, ito ay isang ordinaryong garapon ng baso, na may linya sa loob at labas na may isang tin foil - staniol. Ginamit ito para sa parehong mga layunin tulad ng modernong aluminyo, ngunit pagkatapos ay hindi pa bukas ang aluminyo.
Ang tanging mapagkukunan ng koryente sa mga panahong iyon ay isang makina ng electrophore, na may kakayahang bumuo ng isang boltahe hanggang sa ilang daang kilovolts. Mula sa kanya ay sinisingil nila ang isang garapon ng Leyden. Sa mga aklat-aralin ng pisika, ang isang kaso ay inilarawan kapag pinalabas ng Mushenbrook ang kanyang lata sa pamamagitan ng isang kadena ng sampung guwardiya na may mga kamay.
Sa oras na iyon, walang nakakaalam na ang mga kahihinatnan ay maaaring maging trahedya. Ang suntok ay naging sensitibo, ngunit hindi nakamamatay. Hindi ito napunta sa ito, dahil ang kapasidad ng garapon ng Leyden ay hindi gaanong mahalaga, ang salpok ay naging napakatagal, kaya't ang kapangyarihan ng paglabas ay maliit.
Paano ang capacitor
Ang aparato ng kapasitor ay halos hindi naiiba sa garapon ng Leyden: lahat ng parehong dalawang plato, na pinaghiwalay ng isang dielectric. Ito ay kung paano ang mga capacitor ay inilalarawan sa mga modernong electrical circuit. Ipinapakita ng Figure 1 ang isang istraktura ng eskematiko ng isang flat capacitor at ang formula para sa pagkalkula nito.
Larawan 1. Flat capacitor aparato
Narito ang S ang plate area sa mga square meters, d ang distansya sa pagitan ng mga plato sa mga metro, C ang kapasidad sa mga farads, ε ang dielectric na pare-pareho ng medium. Ang lahat ng mga halaga na kasama sa pormula ay ipinahiwatig sa SI system. Ang pormula na ito ay may bisa para sa pinakasimpleng flat kapasitor: maaari mo lamang ilagay ang dalawang metal plate sa tabi ng mga ito, mula sa kung saan ang mga konklusyon ay iginuhit. Ang hangin ay maaaring magsilbing isang dielectric.
Mula sa pormula na ito ay mauunawaan na ang kapasitor ay mas malaki, mas malaki ang lugar ng mga plato at mas maliit ang distansya sa pagitan nila. Para sa mga capacitor na may ibang geometry, ang formula ay maaaring magkakaiba, halimbawa, para sa kapasidad ng isang solong conductor o electric cable. Ngunit ang pag-asa ng kapasidad sa lugar ng mga plato at ang distansya sa pagitan ng mga ito ay pareho sa isang flat na kapasitor: mas malaki ang lugar at mas maliit ang distansya, mas malaki ang kapasidad.
Sa katunayan, ang mga plato ay hindi palaging ginawang patag. Para sa maraming mga capacitor, halimbawa, papel, ang mga plato ay aluminyo na foil na pinagsama kasama ang isang papel na dielectric sa isang masikip na bola, sa hugis ng isang kaso ng metal.
Upang madagdagan ang lakas ng kuryente, ang manipis na papel ng kapasitor ay pinapagbinhi ng mga insulating compositions, madalas na langis ng transpormer. Pinapayagan ka ng disenyo na ito na gumawa ka ng mga capacitor na may kapasidad ng hanggang sa ilang daang microfarads. Ang mga capacitor na may iba pang mga dielectric ay magkatulad na nakaayos.
Ang formula ay hindi naglalaman ng anumang mga paghihigpit sa lugar ng mga plate S at ang distansya sa pagitan ng mga plato d.Kung ipinapalagay natin na ang mga plate ay maaaring makuha nang napakalayo, at sa parehong oras ay gawing napakaliit ang lugar ng mga plato, kung gayon ang ilang kapasidad, kahit na maliit, ay mananatili pa rin. Ang pangangatwiran na ito ay nagmumungkahi na kahit na dalawa lamang ang conductors na matatagpuan sa kapitbahayan ay may isang electric capacitance.
Ang sitwasyong ito ay malawakang ginagamit sa teknolohiyang high-frequency: sa ilang mga kaso, ang mga capacitor ay ginawa nang simple sa anyo ng mga naka-print na circuit track, o kahit na dalawa lamang ang mga wire na baluktot sa pagkakabukod ng polyethylene. Ang mga ordinaryong wire-noodles o cable ay mayroon ding kapasidad, at sa pagtaas ng haba ay tumataas ito.
Bilang karagdagan sa kapasidad C, ang anumang cable ay mayroon ding resistensya R. Parehong mga pisikal na katangian na ito ay ipinamamahagi sa kahabaan ng haba ng cable, at kapag naghahatid ng mga signal na pulsed, gumagana sila bilang isang pagsasama ng chain ng RC, na ipinakita sa Figure 2.
Larawan 2
Sa figure, ang lahat ay simple: narito ang circuit, narito ang input signal, ngunit narito ito sa output. Ang salpok ay pangit na lampas sa pagkilala, ngunit ginagawa ito sa layunin, kung saan ang circuit ay tipunin. Samantala, pinag-uusapan natin ang epekto ng capacitance ng cable sa signal ng pulso. Sa halip na isang salpok, ang gayong isang "kampanilya" ay lilitaw sa kabilang dulo ng cable, at kung ang salpok ay maikli, kung gayon hindi ito maaabot sa kabilang dulo ng cable, mawawala ito.
Kasaysayan ng katotohanan
Narito nararapat na alalahanin ang kuwento kung paano inilatag ang transatlantic cable. Ang unang pagtatangka noong 1857 ay nabigo: ang mga puntos ng telegraph - mga gitling (hugis-parihaba na pulso) ay nagulong upang walang ma-disassembled sa kabilang dulo ng 4000 km na linya.
Ang pangalawang pagtatangka ay ginawa noong 1865. Sa oras na ito, ang pisika ng Ingles na si W. Thompson ay binuo ng teorya ng paghahatid ng data sa mga mahabang linya. Sa kadahilanang teoryang ito, ang cable routing ay naging mas matagumpay, nakakuha kami ng mga signal.
Para sa pang-agham na gawaing ito, ipinagkaloob ni Queen Victoria sa siyentipiko ang kabalyero at ang pamagat ni Lord Kelvin. Iyon ang pangalan ng maliit na lungsod sa baybayin ng Ireland, kung saan nagsimula ang pagtula ng cable. Ngunit ito ay isang salita lamang, at ngayon bumalik tayo sa huling liham sa pormula, ibig sabihin, sa dielectric na pare-pareho ng medium ε.
Medyo tungkol sa mga dielectrics
Ang ε na ito ay nasa denominator ng pormula, samakatuwid, ang pagtaas nito ay magdadala ng pagtaas sa kapasidad. Para sa karamihan ng mga dielectric na ginamit, tulad ng hangin, lavsan, polyethylene, fluorine plastic, ang pare-pareho na ito ay halos pareho sa vacuum. Ngunit sa parehong oras, maraming mga sangkap na ang dielectric na pare-pareho ay mas mataas. Kung ang air condenser ay puno ng acetone o alkohol, kung gayon ang kapasidad ay tataas bawat 15 ... 20.
Ngunit ang mga naturang sangkap, bilang karagdagan sa mataas na ε, ay mayroon ding isang sapat na mataas na kondaktibiti, samakatuwid ang tulad ng isang kapasitor ay hindi gaganapin ang isang singil nang maayos, mabilis itong ilabas sa sarili. Ang mapanganib na kababalaghan na ito ay tinatawag na pagtagas kasalukuyang. Samakatuwid, ang mga espesyal na materyales ay binuo para sa mga dielectric na, na may isang mataas na tukoy na kapasidad ng mga capacitor, ay nagbibigay ng katanggap-tanggap na mga butas na tumutulo. Ipinapaliwanag nito ang pagkakaiba-iba ng mga uri at uri ng mga capacitor, ang bawat isa ay dinisenyo para sa mga tiyak na kondisyon.
Electrolytic capacitor
Ang pinakamalaking tiyak na kapasidad (kapasidad / dami ng ratio) mga electrolytic capacitor. Ang kapasidad ng "electrolyte" ay umabot sa 100,000 microfarads, at ang operating boltahe ay hanggang sa 600V. Ang ganitong mga capacitor ay gumagana nang maayos sa mga mababang frequency, kadalasan sa mga filter ng mga power supply. Ang mga elektroniko capacitor ay nakabukas sa polarity.
Ang mga electrodes sa naturang mga capacitor ay isang manipis na pelikula ng metal oxide, kaya madalas ang mga capacitor na ito ay tinatawag na oxide. Ang isang manipis na layer ng hangin sa pagitan ng naturang mga electrodes ay hindi isang napaka maaasahang insulator, samakatuwid, ang isang layer ng electrolyte ay ipinakilala sa pagitan ng mga plato ng oxide. Kadalasan ang mga ito ay puro solusyon ng mga acid o alkalis.
Ipinapakita ng Figure 3 ang isa sa mga capacitor na ito.
Larawan 3. Electrolytic capacitor
Upang masuri ang laki ng capacitor, isang simpleng matchbox ang nakuhanan ng litrato sa tabi nito. Bilang karagdagan sa isang sapat na malaking kapasidad sa figure, maaari mo ring makita ang porsyento na pagpapaubaya: hindi bababa sa 70% ng nominal.
Sa mga araw na iyon kung ang mga computer ay malaki at tinawag na mga computer, ang mga naturang capacitor ay nasa drive (sa modernong HDD). Ang kapasidad ng impormasyon ng naturang drive ay maaari na ngayong magdulot ng isang ngiti: 5 megabytes ng impormasyon ay naimbak sa dalawang disk na may diameter na 350 mm, at ang aparato mismo ay may timbang na 54 kg.
Ang pangunahing layunin ng mga supercapacitor na ipinakita sa figure ay ang pag-alis ng mga magnetic head mula sa nagtatrabaho na lugar ng disk sa isang biglaang pag-agos ng kuryente. Ang nasabing mga capacitor ay maaaring mag-imbak ng singil sa loob ng maraming taon, na nasubok sa pagsasagawa.
Ang isang maliit na mas mababa sa mga electrolytic capacitor ay inaalok upang gawin ang ilang mga simpleng eksperimento upang maunawaan kung ano ang maaaring gawin ng isang kapasitor.
Upang magtrabaho sa AC circuit, ang mga hindi capacit na electrolytic capacitors ay ginawa, na ang pagkuha lamang ng mga ito para sa ilang kadahilanan ay napakahirap. Upang kahit papaano mapalibot ang problemang ito, ang mga ordinaryong polar na "electrolyte" ay may kasamang counter-sunud-sunod: plus-minus-minus-plus.
Kung ang polar electrolytic capacitor ay kasama sa alternating kasalukuyang circuit, pagkatapos ay magpapainit muna ito, at pagkatapos ay isang pagsabog ay maririnig. Ang mga lokal na lumang capacitor na nakakalat sa lahat ng mga direksyon, habang ang mga na-import ay may isang espesyal na aparato na maiwasan ang mga malakas na pag-shot. Kadalasan ito ay alinman sa isang cross notch sa ilalim ng capacitor, o isang butas na may goma stopper na matatagpuan sa parehong lugar.
Hindi nila gusto ang mga electrolytic capacitor ng pagtaas ng boltahe, kahit na ang polarity ay sinusunod. Samakatuwid, hindi ka dapat maglagay ng "electrolytes" sa isang circuit kung saan inaasahan ang isang boltahe na malapit sa maximum para sa isang naibigay na kapasitor.
Minsan sa ilang, kahit na mga kagalang-galang na forum, ang mga nagsisimula ay nagtanong: "Ang kapasitor 470µF * 16V ay ipinahiwatig sa diagram, at mayroon akong 470µF * 50V, maaari ko bang ilagay ito?" Oo, siyempre maaari mong, ngunit ang reverse kapalit ay hindi katanggap-tanggap.
Maaaring mag-imbak ng enerhiya ang capacitor
Upang makitungo sa pahayag na ito, ang isang simpleng diagram na ipinapakita sa Larawan 4 ay makakatulong.
Larawan 4. Circuit na may capacitor
Ang protagonist ng circuit na ito ay isang electrolytic capacitor C ng sapat na malaking kapasidad na ang mga proseso ng pag-charge-discharge ay dahan-dahang, at kahit na napakalinaw. Ginagawa nitong posible na obserbahan ang operasyon ng circuit na biswal na gumagamit ng isang maginoo na ilaw mula sa isang flashlight. Ang mga ilaw na ito ay matagal nang nagbigay daan sa mga modernong LED, ngunit ang mga bombilya para sa mga ito ay ipinagbibili pa rin. Samakatuwid, napakadaling mag-ipon ng isang circuit at magsagawa ng mga simpleng eksperimento.
Marahil ay may sasabihin: "Bakit? Pagkatapos ng lahat, malinaw ang lahat, at kahit na basahin mo ang paglalarawan ... " Tila walang anuman ang magtaltalan dito, ngunit anuman, kahit na ang pinakasimpleng bagay, ay nananatili sa ulo nang mahabang panahon kung ang pag-unawa ay nagmula sa pamamagitan ng mga kamay.
Kaya, ang circuit ay tipunin. Paano siya gumagana?
Sa posisyon ng switch SA, na ipinapakita sa diagram, ang kapasitor C ay sisingilin mula sa pinagmulan ng lakas ng GB sa pamamagitan ng risistor R sa circuit: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Ang kasalukuyang singilin sa diagram ay ipinapakita ng isang arrow na may index iз. Ang proseso ng pagsingil ng isang kapasitor ay ipinapakita sa Larawan 5.
Larawan 5. Proseso ng Pagsingil ng Capacitor
Ipinapakita ng figure na ang boltahe sa kapasitor ay nagdaragdag sa isang curve, sa matematika na tinatawag na exponent. Ang singil sa kasalukuyang direktang sumasalamin sa singil ng boltahe. Habang tumataas ang boltahe sa buong kapasitor, ang singil sa kasalukuyang ay nagiging mas mababa at mas kaunti. At lamang sa paunang sandali ay tumutugma sa pormula na ipinakita sa figure.
Matapos ang ilang oras, ang kapasitor ay sisingilin mula 0V sa boltahe ng pinagmulan ng kuryente, sa aming circuit hanggang sa 4.5V. Ang buong tanong ay, paano oras upang matukoy kung gaano katagal maghintay, kailan ang singil ng kapasitor?
Tau nang palagi τ = R * C
Sa pormula na ito, ang paglaban at kapasidad ng isang seryeng nakakonekta na risistor at kapasitor ay pinarami lamang.Kung, nang hindi pinapabayaan ang SI system, kapalit ang resistensya sa Ohms, ang kapasidad sa Farads, kung gayon ang resulta ay sa loob ng ilang segundo. Ito ang oras na kinakailangan para sa kapasitor na singilin hanggang sa 36.8% ng boltahe ng pinagmulan ng kuryente. Alinsunod dito, para sa singil ng halos 100%, kakailanganin ang isang oras ng 5 * τ.
Kadalasan, ang pagpapabaya sa sistema ng SI, ang paglaban sa Ohms ay nahalili sa formula, at ang kapasidad ay nasa mga microfarads, kung gayon ang oras ay lalabas sa mga microsecond. Sa aming kaso, mas maginhawa upang makuha ang resulta sa mga segundo, kung saan kailangan mo lamang dumami ang microseconds ng isang milyon, o, mas simple ilagay, ilipat ang komma ng anim na mga character sa kaliwa.
Para sa circuit na ipinakita sa Figure 4, na may isang kapasitor ng 2000 μF at isang resistor na pagtutol ng 500 Ω, ang palaging oras ay τ = R * C = 500 * 2000 = 1,000,000 microsecond o eksaktong isang segundo. Kaya, kailangan mong maghintay ng mga 5 segundo hanggang sa ganap na sisingilin ang kapasitor.
Kung, matapos ang tinukoy na oras, lumipat ang switch SA sa tamang posisyon, pagkatapos ang kapasitor C ay pinalabas sa pamamagitan ng EL bombilya. Sa sandaling ito, ang isang maikling flash ay magaganap, ang capacitor ay ilalabas at lalabas ang ilaw. Ang direksyon ng paglabas ng kapasitor ay ipinapakita ng isang arrow kasama ang index ip. Ang oras ng paglabas ay tinutukoy din ng pare-pareho ng oras τ. Ang graph ng paglabas ay ipinapakita sa Figure 6.
Larawan 6. Pag-aalis ng graph ng capacitor
Ang Capacitor ay hindi pumasa direktang kasalukuyang
Upang mapatunayan ang pahayag na ito, isang mas simpleng pamamaraan, na ipinapakita sa Larawan 7, ay makakatulong.
Larawan 7. Circuit na may isang kapasitor sa DC circuit
Kung isasara mo ang switch SA, pagkatapos ay sumunod ang isang maikling flash ng bombilya, na nagpapahiwatig na ang kapasitor C ay sisingilin sa pamamagitan ng bombilya. Ang tsart ng singil ay ipinapakita din dito: sa sandaling magsara ang switch, ang kasalukuyang ay maximum, dahil ang singil ng kapasitor, bumababa ito, at pagkatapos ng isang sandali ay huminto ito nang ganap.
Kung ang kapasitor ay may mahusay na kalidad, i.e. na may isang maliit na butas na tumutulo (self-discharge), ang paulit-ulit na pagsasara ng switch ay hindi hahantong sa isang flash. Upang makakuha ng isa pang flash, ang kapasitor ay kailangang palayasin.
Kapasitor sa mga filter ng kuryente
Ang kapasitor ay karaniwang inilalagay pagkatapos ng rectifier. Kadalasan, ang mga rectifier ay ginawa ng kalahating alon. Ang pinakakaraniwang circuit circuit ay ipinapakita sa Figure 8.
Larawan 8. Mga circuit ng Rectifier
Ang mga Half-wave na mga rectifier ay ginagamit din madalas, bilang isang panuntunan, sa mga kaso kung saan ang kapangyarihan ng pag-load ay hindi gaanong mahalaga. Ang pinakamahalagang kalidad ng naturang mga rectifier ay simple: isang diode lamang at pag-ikot ng transpormer.
Para sa isang half-wave na rectifier, ang kapasidad ng filter capacitor ay maaaring kalkulahin ng formula
C = 1,000,000 * Po / 2 * U * f * dU, kung saan ang C ay ang kapasitor μF, Po ay ang lakas ng pag-load W, U ang boltahe sa output ng rectifier V, f ay ang dalas ng AC boltahe Hz, dU ay ang ripple amplitude V.
Ang isang malaking bilang sa numerator na 1,000,000 ay nagko-convert ng kapasidad ng capacitor mula sa system Farads hanggang sa mga microfarads. Ang dalawa sa denominator ay kumakatawan sa bilang ng mga kalahating yugto ng rectifier: para sa isang kalahating alon sa lugar nito, lilitaw ang isang yunit
C = 1,000,000 * Po / U * f * dU,
at para sa isang three-phase rectifier, kukuha ng pormula ang form C = 1,000,000 * Po / 3 * U * f * dU.
Supercapacitor - Ionistor
Kamakailan lamang, isang bagong klase ng electrolytic capacitors, ang tinatawag na ionistor. Sa mga pag-aari nito, ito ay katulad ng isang baterya, gayunpaman, na may maraming mga limitasyon.
Ang pagsingil ng ionistor sa rate ng boltahe sa isang maikling panahon, nang literal sa loob ng ilang minuto, kaya ipinapayong gamitin ito bilang isang mapagkukunan ng backup na kapangyarihan. Sa katunayan, ang ionistor ay isang aparato na hindi polar, ang tanging bagay na tumutukoy sa polaridad nito ay singilin sa pabrika. Upang hindi malito ang polarity na ito sa hinaharap, ipinapahiwatig ito ng + sign.
Ang isang mahalagang papel ay nilalaro ng mga kondisyon ng operating ng mga ionistors. Sa temperatura ng 70˚C sa isang boltahe na 0.8 ng nominal na garantisadong tibay ng hindi hihigit sa 500 oras.Kung ang aparato ay magpapatakbo sa isang boltahe na 0.6 mula sa nominal, at ang temperatura ay hindi lalampas sa 40 degree, kung gayon ang tamang operasyon ay posible para sa 40,000 na oras o higit pa.
Ang pinakakaraniwang aplikasyon ng ionistor ay mga backup na mapagkukunan ng backup. Ito ay higit sa lahat memory chip o electronic na orasan. Sa kasong ito, ang pangunahing parameter ng ionistor ay isang mababang pagtagas kasalukuyang, ang sarili nitong paglabas.
Ang medyo nangangako ay ang paggamit ng mga ionistors kasabay ng mga solar panel. Naaapektuhan din nito ang di-kritikal na kondisyon sa singil at isang halos walang limitasyong bilang ng mga pag-load-discharge cycle. Ang isa pang mahalagang pag-aari ay ang ionistor ay libre sa pagpapanatili.
Sa ngayon ito ay naka-out upang sabihin kung paano at kung saan gumagana ang mga electrolytic capacitor, at higit sa lahat sa mga DC circuit. Ang pagpapatakbo ng mga capacitor sa AC circuit ay ilalarawan sa isa pang artikulo - Mga capacitor para sa pag-install ng elektrikal na AC.
Boris Aladyshkin
P.S. Isang kawili-wiling kaso para sa mga capacitor: kapasitor hinang
Tingnan din sa electro-tl.tomathouse.com
: