A base de elementos para o projeto de dispositivos eletrônicos está se tornando mais complicada. Os dispositivos são combinados em circuitos integrados com uma determinada funcionalidade e controle de programa. Mas o desenvolvimento é baseado em dispositivos básicos: capacitores, resistores, diodos e transistores.
Contente
O que é um capacitor
Um dispositivo que armazena energia elétrica na forma de cargas elétricas é chamado de capacitor.
A quantidade de eletricidade ou carga elétrica na física é medida em coulombs (C). A capacitância é medida em farads (F).
Um condutor solitário com capacidade elétrica de 1 farad é uma bola de metal com um raio igual a 13 raios do Sol.Portanto, o capacitor inclui pelo menos 2 condutores, que são separados por um dielétrico. Em projetos simples do dispositivo - papel.
A operação de um capacitor em um circuito CC é realizada quando a energia é ligada e desligada, somente em momentos de transição o potencial nas placas muda.
O capacitor no circuito CA é recarregado em uma frequência igual à frequência da tensão da fonte de alimentação. Como resultado de cargas e descargas contínuas, a corrente flui através do elemento. Frequência mais alta - o dispositivo recarrega mais rápido.
A resistência de um circuito com um capacitor depende da frequência da corrente. Na frequência DC zero, o valor da resistência tende ao infinito. À medida que a frequência CA aumenta, a resistência diminui.
Onde os capacitores são usados?
A operação de dispositivos eletrônicos, de engenharia de rádio e elétricos é impossível sem capacitores.
Na engenharia elétrica, eles são usados para mudar as fases ao iniciar motores de indução. Sem deslocamento de fase, um motor assíncrono trifásico em uma rede monofásica variável não funciona.
Capacitores com capacidade de vários farads - ionistores, são usados em veículos elétricos como fontes de energia do motor.
Para entender por que um capacitor é necessário, você precisa saber que 10-12% dos dispositivos de medição operam com o princípio de alterar a capacitância elétrica quando os parâmetros do ambiente externo mudam. A capacitância de reação de dispositivos especiais é usada para:
- registro de movimentos fracos através do aumento ou diminuição da distância entre as placas;
- determinação da umidade fixando mudanças na resistência do dielétrico;
- medição do nível do líquido, que altera a capacidade do elemento quando cheio.
É difícil imaginar como a automação e a proteção do relé são projetadas sem capacitores. Algumas lógicas de proteção levam em consideração a multiplicidade de recarga do dispositivo.
Elementos capacitivos são usados em circuitos de dispositivos de comunicação móvel, equipamentos de rádio e televisão. Capacitores são usados em:
- amplificadores de altas e baixas frequências;
- suprimentos de energia;
- filtros de frequência;
- amplificadores de som;
- processadores e outros microcircuitos.
É fácil encontrar a resposta para a questão de para que serve um capacitor, se você observar os circuitos elétricos dos dispositivos eletrônicos.
O princípio de operação do capacitor
Em um circuito DC, cargas positivas são coletadas em uma placa e cargas negativas são coletadas na outra. Devido à atração mútua, as partículas são mantidas no dispositivo e o dielétrico entre elas não permite a conexão. Quanto mais fino o dielétrico, mais fortes as cargas são ligadas.
O capacitor leva a quantidade de eletricidade necessária para encher o recipiente e a corrente para.
Com uma tensão constante no circuito, o elemento retém uma carga até que a energia seja desligada. Em seguida, é descarregado através das cargas no circuito.
A corrente alternada flui através de um capacitor de uma maneira diferente. O primeiro ¼ do período de oscilação é o momento em que o dispositivo é carregado. A amplitude da corrente de carga diminui exponencialmente e, no final do trimestre, cai para zero. EMF neste momento atinge a amplitude.
No segundo período de ¼, a EMF cai e a célula começa a descarregar. A diminuição da EMF é inicialmente pequena e a corrente de descarga, respectivamente, também. Ela cresce de acordo com a mesma dependência exponencial. No final do período, o EMF é zero, a corrente é igual ao valor da amplitude.
No terceiro ¼ do período de oscilação, a EMF muda de direção, passa por zero e aumenta.O sinal de carga nas placas é invertido. A corrente diminui em magnitude e mantém a direção. Neste ponto, a corrente elétrica adianta a tensão em 90° em fase.
Nos indutores, acontece o contrário: a tensão conduz a corrente. Esta propriedade vem em primeiro lugar ao escolher quais circuitos usar no circuito: RC ou RL.
No final do ciclo, no último ¼ de oscilação, a EMF cai para zero e a corrente atinge seu valor de pico.
"Capacidade" é descarregada e carregada 2 vezes por período e conduz corrente alternada.
Esta é uma descrição teórica dos processos. Para entender como o elemento do circuito funciona diretamente no dispositivo, são calculadas as resistências indutiva e capacitiva do circuito, os parâmetros dos outros participantes e a influência do ambiente externo é levada em consideração.
Principais características e propriedades
Os parâmetros do capacitor que são usados para criar e reparar dispositivos eletrônicos incluem:
- Capacidade - C. Determina a quantidade de carga que o dispositivo suporta. O valor da capacidade nominal é indicado na caixa. Para criar os valores necessários, os elementos são incluídos no circuito em paralelo ou em série. Os valores operacionais não correspondem aos calculados.
- Frequência de ressonância - fр. Se a frequência da corrente for maior que a ressonante, aparecem as propriedades indutivas do elemento. Isso dificulta o trabalho. Para fornecer a potência calculada no circuito, é razoável usar um capacitor em frequências menores que os valores ressonantes.
- Tensão nominal - Un. Para evitar a quebra do elemento, a tensão de operação é ajustada abaixo da tensão nominal. O parâmetro é indicado na caixa do capacitor.
- Polaridade. Se a conexão estiver incorreta, ocorrerá avaria e falha.
- Resistência de isolamento elétrico - Rd. Define a corrente de fuga do dispositivo. Nos dispositivos, as peças estão localizadas próximas umas das outras. Em alta corrente de fuga, conexões parasitas nos circuitos são possíveis. Isso leva a avarias. A corrente de fuga degrada as propriedades capacitivas do elemento.
- Coeficiente de temperatura - TKE. O valor determina como a capacitância do dispositivo muda com flutuações na temperatura do ambiente. O parâmetro é usado no desenvolvimento de dispositivos para operação em condições climáticas severas.
- efeito piezoelétrico parasita. Alguns tipos de capacitores, quando deformados, criam ruídos nos dispositivos.
Tipos e tipos de capacitores
Os elementos capacitivos são classificados de acordo com o tipo de dielétrico usado no projeto.
Capacitores de papel e metal-papel
Os elementos são usados em circuitos com tensão constante ou levemente pulsante. A simplicidade do design resulta em uma estabilidade de desempenho 10-25% menor e perdas maiores.
Nos capacitores de papel, as placas de papel alumínio separam o papel. Os conjuntos são torcidos e colocados em uma caixa na forma de um cilindro ou um paralelepípedo retangular.
Os dispositivos operam a temperaturas de -60 ... + 125 ° C, com tensão nominal de dispositivos de baixa tensão até 1600 V, dispositivos de alta tensão - acima de 1600 V e capacidade de até dezenas de microfarads.
Em dispositivos de metal-papel, em vez de papel alumínio, uma fina camada de metal é aplicada ao papel dielétrico. Isso ajuda a produzir elementos menores. Com pequenas avarias, a autocura do dielétrico é possível. Os elementos metal-papel são inferiores aos elementos de papel em termos de resistência de isolamento.
Capacitores eletrolíticos
O design dos produtos lembra os de papel. Mas na fabricação de células eletrolíticas, o papel é impregnado com óxidos metálicos.
Em produtos com eletrólito sem papel, o óxido é depositado em um eletrodo metálico. Os óxidos metálicos têm condutividade unilateral, o que torna o dispositivo polar.
Em alguns modelos de células eletrolíticas, as placas são feitas com ranhuras que aumentam a área superficial do eletrodo. As lacunas no espaço entre as placas são eliminadas por inundação com eletrólito. Isso melhora as propriedades capacitivas do produto.
Uma grande capacidade de dispositivos eletrolíticos - centenas de microfarads - é usada em filtros para suavizar ondulações de tensão.
Alumínio eletrolítico
Em dispositivos deste tipo, o revestimento do ânodo é feito de folha de alumínio. A superfície é revestida com óxido de metal - um dielétrico. O revestimento do cátodo é um eletrólito sólido ou líquido, que é selecionado para que a camada de óxido na folha seja restaurada durante a operação. O dielétrico auto-regenerativo prolonga a vida útil do elemento.
Capacitores deste projeto requerem polaridade. Quando ligado novamente, ele vai quebrar o caso.
Dispositivos, dentro dos quais estão localizados conjuntos polares anti-seqüenciais, são usados em 2 direções. A capacitância das células eletrolíticas de alumínio atinge vários milhares de microfarads.
Tântalo eletrolítico
O eletrodo anódico de tais dispositivos é feito de uma estrutura porosa obtida pelo aquecimento de pó de tântalo a +2000°C. O material parece uma esponja. A porosidade aumenta a área de superfície.
Usando oxidação eletroquímica, uma camada de pentóxido de tântalo de até 100 nanômetros de espessura é aplicada ao ânodo. Um dielétrico sólido é feito de dióxido de manganês.A estrutura acabada é prensada em um composto - uma resina especial.
Os produtos de tântalo são usados em frequências de corrente acima de 100 kHz. A capacitância é criada até centenas de microfarads, a uma tensão de operação de até 75 V.
Polímero
Os capacitores usam um eletrólito feito de polímeros sólidos, o que oferece várias vantagens:
- a vida útil é aumentada para 50 mil horas;
- os parâmetros são salvos durante o aquecimento;
- a faixa de ondulações de corrente permitidas é expandida;
- a resistência das placas e terminais não desvia a capacitância.
Filme
O dielétrico nesses modelos é um filme de Teflon, poliéster, fluoroplástico ou polipropileno.
Capas - deposição de folha ou metal no filme. O design é usado para criar montagens multicamadas com área de superfície aumentada.
Capacitores de filme com tamanhos em miniatura têm uma capacitância de centenas de microfarads. Dependendo da colocação das camadas e das conclusões dos contatos, são feitas formas axiais ou radiais dos produtos.
Em alguns modelos, a tensão nominal é de 2 kV e superior.
Qual é a diferença entre polar e apolar
Os apolares permitem a inclusão de capacitores no circuito sem levar em conta o sentido da corrente. Os elementos são usados em filtros de fontes de alimentação variáveis, amplificadores de alta frequência.
Os produtos Polar são conectados de acordo com a marcação. Se você ligá-lo na direção oposta, o dispositivo falhará ou não funcionará normalmente.
Capacitores polares e não polares de grandes e pequenas capacidades diferem no design do dielétrico. Em capacitores eletrolíticos, se o óxido for aplicado em 1 eletrodo ou 1 lado de papel, filme, então o elemento será polar.
Modelos de capacitores eletrolíticos não polares, nos projetos em que o óxido metálico foi depositado simetricamente em ambas as superfícies do dielétrico, são incluídos em circuitos de corrente alternada.
Para os polares, há uma marcação de um eletrodo positivo ou negativo no corpo.
O que determina a capacitância de um capacitor
A principal função e papel de um capacitor em um circuito é acumular cargas, e uma adicional é evitar vazamentos.
O valor da capacitância do capacitor é diretamente proporcional à constante dielétrica do meio e à área das placas e inversamente proporcional à distância entre os eletrodos. Existem 2 contradições:
- Para aumentar a capacitância, os eletrodos são necessários tão grossos, largos e longos quanto possível. Neste caso, as dimensões do dispositivo não podem ser aumentadas.
- Para manter as cargas e fornecer a força de atração desejada, a distância entre as placas é mínima. Neste caso, a corrente de ruptura não pode ser reduzida.
Para resolver conflitos, os desenvolvedores usam:
- construções multicamadas de um par de dielétrico e eletrodo;
- estruturas anódicas porosas;
- substituição do papel por óxidos e eletrólitos;
- conexão paralela de elementos;
- preenchendo o espaço livre com substâncias com constante dielétrica aumentada.
Os capacitores estão ficando menores e melhores a cada nova invenção.
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