ฐานองค์ประกอบสำหรับการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีความซับซ้อนมากขึ้น อุปกรณ์ถูกรวมเข้าเป็นวงจรรวมที่มีฟังก์ชันการทำงานและการควบคุมโปรแกรมที่กำหนด แต่การพัฒนาขึ้นอยู่กับอุปกรณ์พื้นฐาน ได้แก่ ตัวเก็บประจุ ตัวต้านทาน ไดโอด และทรานซิสเตอร์
เนื้อหา
ตัวเก็บประจุคืออะไร
อุปกรณ์ที่เก็บพลังงานไฟฟ้าในรูปของประจุไฟฟ้าเรียกว่าตัวเก็บประจุ
ปริมาณไฟฟ้าหรือประจุไฟฟ้าในวิชาฟิสิกส์วัดเป็นคูลอมบ์ (C) ความจุวัดเป็นฟารัด (F)
ตัวนำเดี่ยวที่มีความจุไฟฟ้า 1 ฟารัดคือลูกบอลโลหะที่มีรัศมีเท่ากับ 13 รัศมีของดวงอาทิตย์ดังนั้นตัวเก็บประจุจึงมีตัวนำอย่างน้อย 2 ตัวซึ่งคั่นด้วยอิเล็กทริก ในการออกแบบที่เรียบง่ายของอุปกรณ์ - กระดาษ
การทำงานของตัวเก็บประจุในวงจร DC จะดำเนินการเมื่อมีการเปิดและปิดไฟ เฉพาะในช่วงเวลาเปลี่ยนผ่านเท่านั้นที่จะเปลี่ยนแปลงศักยภาพของเพลต
ตัวเก็บประจุในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับถูกชาร์จที่ความถี่เท่ากับความถี่ของแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ อันเป็นผลมาจากประจุและการคายประจุอย่างต่อเนื่อง กระแสจะไหลผ่านองค์ประกอบ ความถี่สูงขึ้น - อุปกรณ์ชาร์จเร็วขึ้น
ความต้านทานของวงจรที่มีตัวเก็บประจุขึ้นอยู่กับความถี่ของกระแส ที่ความถี่ศูนย์ DC ค่าความต้านทานมีแนวโน้มเป็นอนันต์ เมื่อความถี่ AC เพิ่มขึ้น ความต้านทานจะลดลง
ตัวเก็บประจุใช้ที่ไหน?
การทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ วิศวกรรมวิทยุ และอุปกรณ์ไฟฟ้าเป็นไปไม่ได้หากไม่มีตัวเก็บประจุ
ในงานวิศวกรรมไฟฟ้า จะใช้เพื่อเปลี่ยนเฟสเมื่อสตาร์ทมอเตอร์เหนี่ยวนำ หากไม่มีการเปลี่ยนเฟส มอเตอร์แบบอะซิงโครนัสสามเฟสในเครือข่ายเฟสเดียวแบบแปรผันจะไม่ทำงาน
ตัวเก็บประจุที่มีความจุหลายฟารัด - ไอออนิสเตอร์ ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าเป็นแหล่งพลังงานของเครื่องยนต์
เพื่อให้เข้าใจว่าเหตุใดจึงจำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุ คุณจำเป็นต้องรู้ว่าอุปกรณ์วัด 10-12% ทำงานบนหลักการของการเปลี่ยนความจุไฟฟ้าเมื่อพารามิเตอร์ของสภาพแวดล้อมภายนอกเปลี่ยนแปลง ความจุปฏิกิริยาของอุปกรณ์พิเศษใช้สำหรับ:
- การลงทะเบียนการเคลื่อนไหวที่อ่อนแอโดยการเพิ่มหรือลดระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลก
- การหาความชื้นโดยกำหนดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานของอิเล็กทริก
- การวัดระดับของเหลวซึ่งจะเปลี่ยนความจุขององค์ประกอบเมื่อเติม
เป็นการยากที่จะจินตนาการว่าระบบอัตโนมัติและการป้องกันรีเลย์ได้รับการออกแบบโดยไม่มีตัวเก็บประจุอย่างไร ตรรกะในการป้องกันบางอย่างจะพิจารณาถึงการชาร์จไฟซ้ำซ้อนของอุปกรณ์
องค์ประกอบแบบ Capacitive ใช้ในวงจรของอุปกรณ์สื่อสารเคลื่อนที่ อุปกรณ์วิทยุและโทรทัศน์ ตัวเก็บประจุใช้ใน:
- เครื่องขยายเสียงความถี่สูงและต่ำ
- แหล่งจ่ายไฟ
- ตัวกรองความถี่
- เครื่องขยายเสียง;
- โปรเซสเซอร์และไมโครเซอร์กิตอื่นๆ
เป็นการง่ายที่จะหาคำตอบสำหรับคำถามที่ว่าตัวเก็บประจุมีไว้ทำอะไรถ้าคุณดูที่วงจรไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
หลักการทำงานของตัวเก็บประจุ
ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ประจุบวกจะถูกรวบรวมไว้บนจานหนึ่ง และอีกแผ่นหนึ่งจะเก็บประจุลบ เนื่องจากแรงดึงดูดซึ่งกันและกันอนุภาคจึงถูกเก็บไว้ในอุปกรณ์และอิเล็กทริกระหว่างกันไม่อนุญาตให้เชื่อมต่อ ยิ่งไดอิเล็กตริกยิ่งบาง ประจุยิ่งถูกผูกมัดมากขึ้น
ตัวเก็บประจุใช้ปริมาณไฟฟ้าที่จำเป็นในการเติมภาชนะและกระแสไฟฟ้าจะหยุดลง
ด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่ในวงจรองค์ประกอบจะเก็บประจุไว้จนกว่าจะปิดเครื่อง จากนั้นจะถูกปล่อยผ่านโหลดในวงจร
กระแสสลับไหลผ่านตัวเก็บประจุในลักษณะที่แตกต่างกัน ¼ แรกของช่วงเวลาการสั่นคือช่วงเวลาที่ชาร์จอุปกรณ์ แอมพลิจูดของกระแสไฟชาร์จลดลงแบบทวีคูณ และเมื่อสิ้นสุดไตรมาส จะลดลงเหลือศูนย์ EMF ในขณะนี้ถึงแอมพลิจูด
ในช่วง ¼ ที่สอง EMF จะลดลงและเซลล์จะเริ่มคายประจุ การลดลงของ EMF ในขั้นต้นมีขนาดเล็กและกระแสไฟจ่ายตามลำดับเช่นกัน มันเติบโตตามการพึ่งพาแบบเลขชี้กำลังเดียวกัน เมื่อสิ้นสุดระยะเวลา EMF จะเป็นศูนย์ กระแสจะเท่ากับค่าแอมพลิจูด
ในช่วง ¼ ที่สามของช่วงการแกว่ง EMF จะเปลี่ยนทิศทาง ผ่านศูนย์ และเพิ่มขึ้นป้ายชาร์จบนจานกลับด้าน กระแสลดขนาดและคงทิศทางไว้ ณ จุดนี้ กระแสไฟฟ้านำแรงดัน 90° ในเฟส
ในตัวเหนี่ยวนำ สิ่งตรงกันข้ามเกิดขึ้น: แรงดันนำไปสู่กระแส คุณสมบัตินี้มาก่อนเมื่อเลือกวงจรที่จะใช้ในวงจร: RC หรือ RL
เมื่อสิ้นสุดรอบ ที่ ¼ การแกว่งสุดท้าย EMF จะลดลงเหลือศูนย์ และกระแสจะถึงค่าสูงสุด
"ความจุ" ถูกคายประจุและชาร์จ 2 ครั้งต่องวดและนำไฟฟ้ากระแสสลับ
นี่คือคำอธิบายเชิงทฤษฎีของกระบวนการ เพื่อให้เข้าใจว่าองค์ประกอบในวงจรทำงานโดยตรงในอุปกรณ์อย่างไร ความต้านทานอุปนัยและตัวเก็บประจุของวงจร พารามิเตอร์ของผู้เข้าร่วมคนอื่นๆ จะถูกคำนวณ และคำนึงถึงอิทธิพลของสภาพแวดล้อมภายนอกด้วย
ลักษณะและคุณสมบัติหลัก
พารามิเตอร์ตัวเก็บประจุที่ใช้ในการสร้างและซ่อมแซมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ได้แก่ :
- ความจุ - C. กำหนดจำนวนการชาร์จที่อุปกรณ์ถืออยู่ ค่าของความจุที่ระบุระบุไว้ในเคส ในการสร้างค่าที่ต้องการ องค์ประกอบจะรวมอยู่ในวงจรแบบขนานหรือแบบอนุกรม ค่าดำเนินการไม่ตรงกับค่าที่คำนวณได้
- ความถี่เรโซแนนท์ - fr. หากความถี่ของกระแสมากกว่าเรโซแนนซ์คุณสมบัติอุปนัยขององค์ประกอบจะปรากฏขึ้น ทำให้งานยาก เพื่อให้กำลังไฟฟ้าที่คำนวณได้ในวงจร ควรใช้ตัวเก็บประจุที่ความถี่น้อยกว่าค่าเรโซแนนท์
- แรงดันไฟฟ้า - Un. เพื่อป้องกันการพังทลายขององค์ประกอบ แรงดันไฟฟ้าทำงานจะถูกตั้งค่าให้น้อยกว่าแรงดันระบุ พารามิเตอร์ถูกระบุไว้ในกล่องตัวเก็บประจุ
- ขั้ว. หากการเชื่อมต่อไม่ถูกต้อง การเสียและความล้มเหลวจะเกิดขึ้น
- ความต้านทานฉนวนไฟฟ้า - ถ. กำหนดกระแสไฟรั่วของอุปกรณ์ ในอุปกรณ์ ชิ้นส่วนต่างๆ จะอยู่ใกล้กัน ที่กระแสไฟรั่วสูงสามารถเชื่อมต่อปรสิตในวงจรได้ สิ่งนี้นำไปสู่ความผิดปกติ กระแสไฟรั่วทำให้คุณสมบัติ capacitive ขององค์ประกอบลดลง
- ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ - TKE ค่ากำหนดว่าความจุของอุปกรณ์เปลี่ยนแปลงอย่างไรตามความผันผวนของอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม พารามิเตอร์นี้ใช้ในการพัฒนาอุปกรณ์สำหรับการใช้งานในสภาพอากาศที่รุนแรง
- ผลของปรสิตเพียโซอิเล็กทริก ตัวเก็บประจุบางชนิดเมื่อเสียรูปจะสร้างเสียงรบกวนในอุปกรณ์
ประเภทและประเภทของตัวเก็บประจุ
องค์ประกอบแบบ Capacitive จำแนกตามประเภทของอิเล็กทริกที่ใช้ในการออกแบบ
ตัวเก็บประจุกระดาษและกระดาษโลหะ
องค์ประกอบที่ใช้ในวงจรที่มีแรงดันคงที่หรือเต้นเป็นจังหวะเล็กน้อย ความเรียบง่ายของการออกแบบส่งผลให้ความเสถียรของประสิทธิภาพลดลง 10-25% และเพิ่มการสูญเสีย
ในตัวเก็บประจุกระดาษ แผ่นฟอยล์อลูมิเนียมจะแยกกระดาษออก ส่วนประกอบถูกบิดและวางในกล่องในรูปแบบของทรงกระบอกหรือสี่เหลี่ยมด้านขนาน
อุปกรณ์ทำงานที่อุณหภูมิ -60 ... + 125 ° C โดยมีแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์แรงดันต่ำสูงถึง 1600 V อุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง - สูงกว่า 1600 V และความจุสูงถึงสิบไมโครฟารัด
ในอุปกรณ์กระดาษโลหะ แทนที่จะใช้ฟอยล์ แผ่นโลหะบางๆ จะถูกนำไปใช้กับกระดาษอิเล็กทริก สิ่งนี้ช่วยในการผลิตองค์ประกอบที่มีขนาดเล็กลง ด้วยการเสียเล็กน้อยสามารถรักษาไดอิเล็กทริกได้ด้วยตนเอง องค์ประกอบกระดาษโลหะนั้นด้อยกว่าองค์ประกอบกระดาษในแง่ของความต้านทานของฉนวน
ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า
การออกแบบผลิตภัณฑ์คล้ายกับกระดาษ แต่ในการผลิตเซลล์อิเล็กโทรไลต์ กระดาษจะชุบด้วยโลหะออกไซด์
ในผลิตภัณฑ์ที่มีอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่มีกระดาษ ออกไซด์จะเกาะอยู่บนอิเล็กโทรดโลหะ ออกไซด์ของโลหะมีค่าการนำไฟฟ้าด้านเดียว ซึ่งทำให้อุปกรณ์มีขั้ว
ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์บางรุ่น เพลตจะทำด้วยร่องที่เพิ่มพื้นที่ผิวของอิเล็กโทรด ช่องว่างในช่องว่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกถูกกำจัดโดยน้ำท่วมด้วยอิเล็กโทรไลต์ สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติ capacitive ของผลิตภัณฑ์
อุปกรณ์อิเล็กโทรไลต์ความจุขนาดใหญ่ - ไมโครฟารัดหลายร้อยตัว - ใช้ในตัวกรองเพื่อทำให้ระลอกคลื่นแรงดันไฟฟ้าเรียบ
อะลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์
ในอุปกรณ์ประเภทนี้ เยื่อบุแอโนดทำจากอลูมิเนียมฟอยล์ พื้นผิวเคลือบด้วยโลหะออกไซด์ - อิเล็กทริก เยื่อบุแคโทดเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งหรือของเหลว ซึ่งถูกเลือกเพื่อให้ชั้นออกไซด์บนฟอยล์กลับคืนสู่สภาพเดิมระหว่างการทำงาน อิเล็กทริกที่รักษาตัวเองช่วยยืดอายุขององค์ประกอบ
ตัวเก็บประจุของการออกแบบนี้จำเป็นต้องมีขั้ว เมื่อเปิดใหม่อีกครั้งเคสจะพัง
อุปกรณ์ภายในซึ่งมีชุดขั้วป้องกันแบบเรียงตามลำดับใช้ใน 2 ทิศทาง ความจุของเซลล์อลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ถึงหลายพันไมโครฟารัด
อิเล็กโทรไลต์แทนทาลัม
อิเล็กโทรดขั้วบวกของอุปกรณ์ดังกล่าวทำจากโครงสร้างที่มีรูพรุนที่ได้จากการให้ความร้อนผงแทนทาลัมที่อุณหภูมิ +2000 องศาเซลเซียส วัสดุดูเหมือนฟองน้ำ ความพรุนจะเพิ่มพื้นที่ผิว
การใช้ปฏิกิริยาออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมี ชั้นของแทนทาลัมเพนท็อกไซด์ที่มีความหนาสูงสุด 100 นาโนเมตรถูกนำไปใช้กับขั้วบวก อิเล็กทริกที่เป็นของแข็งทำจากแมงกานีสไดออกไซด์โครงสร้างสำเร็จรูปถูกอัดเป็นสารประกอบ - เรซินชนิดพิเศษ
ผลิตภัณฑ์แทนทาลัมใช้ที่ความถี่ปัจจุบันที่สูงกว่า 100 kHz ความจุถูกสร้างขึ้นมากถึงหลายร้อย microfarads ที่แรงดันไฟฟ้าสูงสุด 75 V.
พอลิเมอร์
ตัวเก็บประจุใช้อิเล็กโทรไลต์ที่ทำจากโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง ซึ่งมีข้อดีหลายประการ:
- อายุการใช้งานเพิ่มขึ้นถึง 50,000 ชั่วโมง
- พารามิเตอร์จะถูกบันทึกระหว่างการทำความร้อน
- ขยายช่วงของระลอกคลื่นปัจจุบันที่อนุญาต
- ความต้านทานของเพลตและตะกั่วไม่ได้แบ่งความจุ
ฟิล์ม
อิเล็กทริกในรุ่นเหล่านี้คือฟิล์มเทฟลอน โพลีเอสเตอร์ ฟลูออโรเรซิ่น หรือโพลีโพรพิลีน
ปก - ฟอยล์หรือโลหะทับถมบนแผ่นฟิล์ม การออกแบบนี้ใช้เพื่อสร้างชุดประกอบหลายชั้นพร้อมพื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้น
ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มที่มีขนาดจิ๋วมีความจุไมโครฟารัดหลายร้อยตัว ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของเลเยอร์และข้อสรุปของหน้าสัมผัสผลิตภัณฑ์นั้นถูกสร้างขึ้นในแนวแกนหรือแนวรัศมี
ในบางรุ่น แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดคือ 2 kV และสูงกว่า
อะไรคือความแตกต่างระหว่างขั้วและไม่ใช่ขั้ว
ไม่มีขั้วช่วยให้รวมตัวเก็บประจุในวงจรโดยไม่คำนึงถึงทิศทางของกระแส องค์ประกอบนี้ใช้ในตัวกรองของอุปกรณ์จ่ายไฟแบบปรับได้, แอมพลิฟายเออร์ความถี่สูง
ผลิตภัณฑ์โพลาร์เชื่อมต่อตามเครื่องหมาย หากคุณเปิดเครื่องในทิศทางตรงกันข้าม อุปกรณ์จะล้มเหลวหรือไม่ทำงานตามปกติ
ตัวเก็บประจุแบบมีขั้วและแบบไม่มีขั้วที่มีความจุขนาดใหญ่และขนาดเล็กแตกต่างกันในการออกแบบไดอิเล็กตริก ในตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า หากออกไซด์ถูกนำไปใช้กับอิเล็กโทรด 1 อิเล็กโทรดหรือ 1 ด้านของกระดาษ, ฟิล์ม องค์ประกอบนั้นจะเป็นขั้ว
แบบจำลองของตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์แบบไม่มีขั้วในการออกแบบที่โลหะออกไซด์ถูกวางอย่างสมมาตรบนพื้นผิวทั้งสองของอิเล็กทริกนั้นรวมอยู่ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ
สำหรับขั้วมีเครื่องหมายของขั้วบวกหรือขั้วลบบนร่างกาย
อะไรเป็นตัวกำหนดความจุของตัวเก็บประจุ
หน้าที่หลักและบทบาทของตัวเก็บประจุในวงจรคือการสะสมประจุ และอีกประการหนึ่งคือเพื่อป้องกันการรั่วไหล
ค่าความจุของตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลางและพื้นที่ของเพลต และแปรผกผันกับระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรด มีความขัดแย้ง 2 ประการ:
- เพื่อเพิ่มความจุ อิเล็กโทรดจำเป็นต้องมีความหนา กว้างขึ้น และยาวที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในกรณีนี้ไม่สามารถเพิ่มขนาดของอุปกรณ์ได้
- เพื่อรักษาประจุและให้แรงดึงดูดที่ต้องการ ระยะห่างระหว่างแผ่นเปลือกโลกจึงน้อยที่สุด ในกรณีนี้จะไม่สามารถลดกระแสพังทลายลงได้
ในการแก้ไขข้อขัดแย้ง นักพัฒนาใช้:
- โครงสร้างหลายชั้นของไดอิเล็กทริกและอิเล็กโทรด
- โครงสร้างแอโนดที่มีรูพรุน
- แทนที่กระดาษด้วยออกไซด์และอิเล็กโทรไลต์
- การเชื่อมต่อแบบขนานขององค์ประกอบ
- เติมพื้นที่ว่างด้วยสารที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเพิ่มขึ้น
ตัวเก็บประจุมีขนาดเล็กลงและดีขึ้นทุกครั้งที่มีการประดิษฐ์ใหม่
บทความที่คล้ายกัน:
