Cơ sở phần tử cho việc thiết kế các thiết bị điện tử ngày càng trở nên phức tạp. Các thiết bị được kết hợp thành mạch tích hợp với chức năng và chương trình điều khiển nhất định. Nhưng sự phát triển dựa trên các thiết bị cơ bản: tụ điện, điện trở, điốt và bóng bán dẫn.
Nội dung
Tụ điện là gì
Một thiết bị lưu trữ năng lượng điện dưới dạng điện tích được gọi là tụ điện.
Điện lượng hoặc điện tích trong vật lý được đo bằng coulombs (C). Điện dung được đo bằng farads (F).
Một dây dẫn đơn độc có công suất điện 1 farad là một quả cầu kim loại có bán kính bằng 13 bán kính Mặt Trời.Do đó, tụ điện bao gồm ít nhất 2 vật dẫn, chúng được ngăn cách bởi một chất điện môi. Trong các thiết kế đơn giản của thiết bị - giấy.
Hoạt động của tụ điện trong mạch điện một chiều được thực hiện khi tắt mở nguồn, chỉ ở những thời điểm quá độ thì điện thế trên các bản tụ mới thay đổi.
Tụ điện trong đoạn mạch xoay chiều được nạp lại với tần số bằng tần số của điện áp nguồn điện. Là kết quả của quá trình tích điện và phóng điện liên tục, dòng điện chạy qua phần tử. Tần số cao hơn - thiết bị sạc nhanh hơn.
Cảm kháng của đoạn mạch với tụ điện phụ thuộc vào tần số của dòng điện. Ở tần số DC bằng không, giá trị điện trở có xu hướng vô cùng. Khi tần số xoay chiều tăng, điện trở giảm.
Tụ điện được sử dụng ở đâu?
Hoạt động của các thiết bị điện tử, kỹ thuật vô tuyến và điện là không thể nếu không có tụ điện.
Trong kỹ thuật điện, chúng được sử dụng để chuyển pha khi khởi động động cơ cảm ứng. Nếu không có sự dịch chuyển pha, động cơ không đồng bộ ba pha trong mạng một pha biến đổi không hoạt động.
Tụ điện có công suất vài farads - ionistors, được sử dụng trong xe điện làm nguồn động cơ.
Để hiểu tại sao lại cần tụ điện, bạn cần biết rằng 10-12% thiết bị đo lường hoạt động theo nguyên tắc điện dung thay đổi khi các thông số của môi trường bên ngoài thay đổi. Điện dung phản ứng của các thiết bị đặc biệt được sử dụng để:
- đăng ký các chuyển động yếu thông qua việc tăng hoặc giảm khoảng cách giữa các tấm;
- xác định độ ẩm bằng cách sửa chữa những thay đổi trong điện trở của chất điện môi;
- đo mức chất lỏng, thay đổi dung tích của phần tử khi được làm đầy.
Rất khó để hình dung cách tự động hóa và bảo vệ rơ le được thiết kế mà không có tụ điện. Một số lôgic bảo vệ có tính đến tính đa dạng của việc sạc lại thiết bị.
Phần tử điện dung được sử dụng trong các mạch của thiết bị thông tin di động, thiết bị phát thanh và truyền hình. Tụ điện được sử dụng trong:
- bộ khuếch đại tần số cao và thấp;
- nguồn cung cấp điện;
- bộ lọc tần số;
- máy khuếch đại âm thanh;
- bộ xử lý và các vi mạch khác.
Bạn sẽ dễ dàng tìm ra câu trả lời cho câu hỏi tụ điện dùng để làm gì nếu nhìn vào mạch điện của các thiết bị điện tử.
Nguyên lý hoạt động của tụ điện
Trong mạch điện một chiều, một bản thu được điện tích dương, bản kia thu điện tích âm. Do lực hút lẫn nhau, các hạt bị giữ trong thiết bị, và chất điện môi giữa chúng không cho phép kết nối. Chất điện môi càng mỏng thì liên kết các điện tích càng mạnh.
Tụ điện lấy một lượng điện cần thiết để làm đầy bình chứa và dòng điện dừng lại.
Với hiệu điện thế trong mạch không đổi, phần tử vẫn giữ điện tích cho đến khi tắt nguồn. Sau đó, nó được phóng qua các tải trong mạch.
Dòng điện xoay chiều chạy qua tụ điện theo một chiều khác. ¼ đầu tiên của chu kỳ dao động là thời điểm thiết bị được tích điện. Biên độ của dòng sạc giảm theo cấp số nhân và đến cuối quý thì nó giảm xuống 0. EMF tại thời điểm này đạt đến biên độ.
Trong thời kỳ thứ hai, EMF giảm xuống và tế bào bắt đầu phóng điện. Sự giảm EMF ban đầu là nhỏ và dòng phóng điện cũng vậy. Nó phát triển theo cùng một sự phụ thuộc theo cấp số nhân. Đến cuối chu kì, EMF bằng không, cường độ dòng điện bằng giá trị biên độ.
Trong ¼ thứ ba của chu kỳ dao động, EMF đổi hướng, đi qua không và tăng lên.Dấu hiệu điện tích trên các tấm được đảo ngược. Dòng điện giảm độ lớn và giữ nguyên hướng. Lúc này, dòng điện dẫn hiệu điện thế lệch pha 90o.
Trong cuộn cảm, điều ngược lại xảy ra: điện áp dẫn dòng. Thuộc tính này xuất hiện đầu tiên khi chọn mạch sẽ sử dụng trong mạch: RC hoặc RL.
Vào cuối chu kỳ, ở dao động ¼ cuối cùng, EMF giảm xuống 0 và dòng điện đạt giá trị cực đại.
"Công suất" được phóng điện và sạc 2 lần mỗi chu kỳ và dẫn dòng điện xoay chiều.
Đây là một mô tả lý thuyết của các quá trình. Để hiểu cách phần tử trong mạch hoạt động trực tiếp trong thiết bị, người ta tính toán điện trở cảm ứng và điện dung của mạch, các thông số của các thành phần tham gia khác và ảnh hưởng của môi trường bên ngoài được tính đến.
Các đặc điểm và tính chất chính
Các thông số của tụ điện được sử dụng để tạo và sửa chữa các thiết bị điện tử bao gồm:
- Công suất - C. Xác định lượng điện tích mà thiết bị đó giữ. Giá trị của công suất danh định được ghi trên vỏ máy. Để tạo ra các giá trị cần thiết, các phần tử được đưa vào mạch song song hoặc nối tiếp. Các giá trị hoạt động không khớp với các giá trị được tính toán.
- Tần số cộng hưởng - fр. Nếu tần số của dòng điện lớn hơn tần số cộng hưởng thì xuất hiện tính chất cảm ứng của phần tử. Điều này làm cho công việc trở nên khó khăn. Để cung cấp công suất tính toán trong mạch, sử dụng tụ điện ở tần số nhỏ hơn giá trị cộng hưởng là hợp lý.
- Điện áp định mức - Un. Để ngăn ngừa sự cố của phần tử, điện áp làm việc được đặt nhỏ hơn điện áp danh định. Thông số được ghi trên vỏ tụ điện.
- Tính phân cực. Nếu kết nối không chính xác, sự cố và hỏng hóc sẽ xảy ra.
- Điện trở cách điện - Rđ. Xác định dòng rò của thiết bị. Trong các thiết bị, các bộ phận được đặt gần nhau. Ở dòng điện rò rỉ cao, có thể xảy ra các kết nối ký sinh trong mạch. Điều này dẫn đến trục trặc. Dòng điện rò rỉ làm suy giảm các đặc tính điện dung của phần tử.
- Hệ số nhiệt độ - TKE. Giá trị xác định điện dung của thiết bị thay đổi như thế nào với sự biến động của nhiệt độ của môi trường. Tham số được sử dụng khi phát triển các thiết bị hoạt động trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt.
- hiệu ứng áp điện kí sinh. Một số loại tụ điện khi bị biến dạng sẽ tạo ra nhiễu trong các thiết bị.
Các loại và các loại tụ điện
Các phần tử điện dung được phân loại theo loại chất điện môi được sử dụng trong thiết kế.
Tụ giấy và giấy kim loại
Các phần tử được sử dụng trong mạch có điện áp không đổi hoặc hơi xung. Sự đơn giản của thiết kế dẫn đến độ ổn định của hiệu suất thấp hơn 10-25% và tăng tổn thất.
Trong tụ giấy, các tấm lá nhôm ngăn cách giấy. Các cụm được xoắn và đặt trong một hộp có dạng hình trụ hoặc hình chữ nhật song song.
Thiết bị hoạt động ở nhiệt độ -60 ... + 125 ° C, với điện áp định mức của thiết bị điện áp thấp lên đến 1600 V, thiết bị điện áp cao - trên 1600 V và công suất lên đến hàng chục microfarads.
Trong các thiết bị bằng giấy kim loại, thay vì giấy bạc, một lớp kim loại mỏng được phủ lên giấy điện môi. Điều này giúp tạo ra các phần tử nhỏ hơn. Với những sự cố nhỏ, chất điện môi có thể tự phục hồi. Các phần tử giấy kim loại kém hơn các phần tử giấy về khả năng chống cách điện.
Tụ điện
Thiết kế của các sản phẩm giống như giấy. Nhưng trong sản xuất tế bào điện phân, giấy được tẩm các oxit kim loại.
Trong các sản phẩm với một chất điện phân không có giấy, oxit được lắng đọng trên một điện cực kim loại. Các oxit kim loại có tính dẫn điện một mặt, làm cho thiết bị phân cực.
Trong một số mô hình của tế bào điện phân, các tấm được tạo ra với các rãnh giúp tăng diện tích bề mặt của điện cực. Các khoảng trống trong không gian giữa các tấm được loại bỏ bằng cách làm ngập chất điện phân. Điều này cải thiện các đặc tính điện dung của sản phẩm.
Một công suất lớn của các thiết bị điện phân - hàng trăm microfarads - được sử dụng trong các bộ lọc để làm phẳng các gợn sóng điện áp.
Điện phân nhôm
Trong các thiết bị loại này, lớp lót cực dương được làm bằng lá nhôm. Bề mặt được phủ một lớp oxit kim loại - một chất điện môi. Lớp lót catốt là chất điện phân rắn hoặc lỏng, được lựa chọn để lớp oxit trên lá được khôi phục trong quá trình hoạt động. Chất điện môi tự phục hồi kéo dài tuổi thọ của phần tử.
Tụ điện của thiết kế này yêu cầu phân cực. Khi bật lại, nó sẽ phá vỡ vỏ máy.
Các thiết bị, bên trong được đặt các cụm cực chống tuần tự, được sử dụng theo 2 hướng. Điện dung của các tế bào điện phân nhôm lên tới vài nghìn microfarads.
Tantali điện phân
Điện cực anot của các thiết bị như vậy được làm từ cấu trúc xốp thu được bằng cách nung bột tantali đến + 2000 ° C. Vật liệu trông giống như một miếng bọt biển. Độ xốp làm tăng diện tích bề mặt.
Sử dụng quá trình oxy hóa điện hóa, một lớp tantali pentoxit dày tới 100 nanomet được phủ lên cực dương. Chất điện môi rắn được làm từ mangan đioxit.Cấu trúc hoàn thành được ép thành một hợp chất - một loại nhựa đặc biệt.
Các sản phẩm tantali được sử dụng ở tần số hiện tại trên 100 kHz. Điện dung được tạo ra lên đến hàng trăm microfarads, ở điện áp hoạt động lên đến 75 V.
Polymer
Tụ điện sử dụng chất điện phân làm bằng polyme rắn, mang lại một số ưu điểm:
- tăng tuổi thọ lên đến 50 nghìn giờ;
- các thông số được lưu trong quá trình gia nhiệt;
- phạm vi gợn sóng dòng điện cho phép được mở rộng;
- điện trở của các bản và đạo trình không làm giảm điện dung.
Phim ảnh
Chất điện môi trong các mô hình này là màng Teflon, polyester, fluoroplastic hoặc polypropylene.
Bìa - giấy bạc hoặc lắng đọng kim loại trên phim. Thiết kế được sử dụng để tạo ra các cụm nhiều lớp với diện tích bề mặt tăng lên.
Tụ phim với kích thước thu nhỏ có điện dung hàng trăm microfarads. Tùy thuộc vào vị trí của các lớp và kết luận của các điểm tiếp xúc, hình dạng trục hoặc xuyên tâm của sản phẩm được thực hiện.
Trong một số kiểu máy, điện áp định mức là 2 kV và cao hơn.
Sự khác biệt giữa phân cực và không phân cực là gì
Không phân cực cho phép bao gồm các tụ điện trong mạch mà không cần quan tâm đến hướng của dòng điện. Các phần tử được sử dụng trong các bộ lọc của nguồn điện thay đổi, bộ khuếch đại tần số cao.
Các sản phẩm cực được kết nối phù hợp với việc đánh dấu. Nếu bạn bật ngược lại, thiết bị sẽ bị lỗi hoặc không hoạt động bình thường.
Tụ điện có cực và không cực có dung lượng lớn và nhỏ khác nhau về thiết kế của chất điện môi. Trong tụ điện, nếu cho oxit vào 1 điện cực hoặc 1 mặt giấy, phim ảnh thì phần tử đó sẽ phân cực.
Các mô hình của tụ điện không phân cực, với thiết kế trong đó oxit kim loại được lắng đọng đối xứng trên cả hai bề mặt của chất điện môi, được đưa vào mạch điện xoay chiều.
Đối với các cực, có một đánh dấu của điện cực dương hoặc âm trên cơ thể.
Yếu tố quyết định điện dung của tụ điện
Chức năng và vai trò chính của tụ điện trong mạch là tích lũy điện tích và một tụ điện bổ sung là ngăn rò rỉ.
Giá trị của điện dung của tụ điện tỷ lệ thuận với hằng số điện môi của môi trường và diện tích các bản tụ, tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các điện cực. Có 2 mâu thuẫn:
- Để tăng điện dung, các điện cực cần thiết càng dày, càng rộng và càng dài càng tốt. Trong trường hợp này, không thể tăng kích thước của thiết bị.
- Để giữ các điện tích và cung cấp lực hút mong muốn, khoảng cách giữa các tấm được làm nhỏ nhất. Trong trường hợp này, dòng điện đánh thủng không thể giảm được.
Để giải quyết xung đột, các nhà phát triển sử dụng:
- cấu tạo nhiều lớp của một cặp điện môi và điện cực;
- cấu trúc cực dương xốp;
- thay giấy bằng oxit và chất điện ly;
- kết nối song song của các phần tử;
- lấp đầy không gian tự do bằng các chất có hằng số điện môi tăng.
Tụ điện ngày càng nhỏ hơn và tốt hơn với mọi phát minh mới.
Các bài tương tự:
