La base d'éléments pour la conception d'appareils électroniques devient de plus en plus compliquée. Les dispositifs sont combinés en circuits intégrés avec une fonctionnalité et un contrôle de programme donnés. Mais le développement repose sur des dispositifs de base : condensateurs, résistances, diodes et transistors.
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Qu'est-ce qu'un condensateur
Un appareil qui stocke de l'énergie électrique sous forme de charges électriques est appelé un condensateur.
La quantité d'électricité ou de charge électrique en physique est mesurée en coulombs (C). La capacité est mesurée en farads (F).
Un conducteur solitaire d'une capacité électrique de 1 farad est une boule métallique de rayon égal à 13 rayons du Soleil.Par conséquent, le condensateur comprend au moins 2 conducteurs, qui sont séparés par un diélectrique. Dans les conceptions simples de l'appareil - papier.
Le fonctionnement d'un condensateur dans un circuit à courant continu est effectué lors de la mise sous tension et hors tension.Ce n'est qu'à des moments transitoires que le potentiel sur les plaques change.
Le condensateur du circuit alternatif est rechargé à une fréquence égale à la fréquence de la tension d'alimentation. À la suite de charges et de décharges continues, le courant traverse l'élément. Fréquence plus élevée - l'appareil se recharge plus rapidement.
La résistance d'un circuit avec un condensateur dépend de la fréquence du courant. A fréquence DC nulle, la valeur de la résistance tend vers l'infini. Lorsque la fréquence CA augmente, la résistance diminue.
Où sont utilisés les condensateurs ?
Le fonctionnement des appareils électroniques, radiotechniques et électriques est impossible sans condensateurs.
En électrotechnique, ils sont utilisés pour déphaser lors du démarrage des moteurs à induction. Sans déphasage, un moteur asynchrone triphasé dans un réseau monophasé variable ne fonctionne pas.
Les condensateurs d'une capacité de plusieurs farads - ionistors, sont utilisés dans les véhicules électriques comme sources d'alimentation du moteur.
Pour comprendre pourquoi un condensateur est nécessaire, vous devez savoir que 10 à 12% des appareils de mesure fonctionnent sur le principe de la modification de la capacité électrique lorsque les paramètres de l'environnement extérieur changent. La capacité de réaction des dispositifs spéciaux est utilisée pour :
- enregistrement des mouvements faibles par augmentation ou diminution de la distance entre les plaques ;
- détermination de l'humidité en fixant les changements de résistance du diélectrique;
- mesure du niveau de liquide, qui modifie la capacité de l'élément lorsqu'il est rempli.
Il est difficile d'imaginer comment l'automatisation et la protection des relais sont conçues sans condensateurs. Certaines logiques de protection prennent en compte la multiplicité de la recharge des appareils.
Les éléments capacitifs sont utilisés dans les circuits des appareils de communication mobiles, des équipements de radio et de télévision. Les condensateurs sont utilisés dans :
- amplificateurs de hautes et basses fréquences;
- blocs d'alimentation;
- filtres de fréquence ;
- amplificateurs de son;
- processeurs et autres microcircuits.
Il est facile de trouver la réponse à la question de savoir à quoi sert un condensateur, si vous regardez les circuits électriques des appareils électroniques.
Le principe de fonctionnement du condensateur
Dans un circuit à courant continu, les charges positives sont collectées sur une plaque et les charges négatives sont collectées sur l'autre. En raison de l'attraction mutuelle, les particules sont retenues dans l'appareil et le diélectrique entre elles ne permet pas de se connecter. Plus le diélectrique est fin, plus les charges sont liées.
Le condensateur prend la quantité d'électricité nécessaire pour remplir le récipient et le courant s'arrête.
Avec une tension constante dans le circuit, l'élément conserve une charge jusqu'à ce que l'alimentation soit coupée. Ensuite, il est déchargé à travers les charges du circuit.
Le courant alternatif traverse un condensateur d'une manière différente. Le premier quart de la période d'oscillation correspond au moment où l'appareil est chargé. L'amplitude du courant de charge diminue de façon exponentielle et à la fin du trimestre, elle tombe à zéro. EMF à ce moment atteint l'amplitude.
Au cours de la deuxième période ¼, l'EMF chute et la cellule commence à se décharger. La diminution de la FEM est initialement faible et le courant de décharge également. Il croît selon la même dépendance exponentielle. À la fin de la période, la FEM est nulle, le courant est égal à la valeur d'amplitude.
Dans le troisième ¼ de la période d'oscillation, la FEM change de direction, passe par zéro et augmente.Le signe de charge sur les plaques est inversé. Le courant diminue en amplitude et conserve sa direction. A ce stade, le courant électrique est en avance sur la tension de 90° en phase.
Dans les inducteurs, c'est l'inverse qui se produit : la tension précède le courant. Cette propriété vient en premier lors du choix des circuits à utiliser dans le circuit : RC ou RL.
À la fin du cycle, au dernier ¼ d'oscillation, la FEM tombe à zéro et le courant atteint sa valeur maximale.
La "capacité" est déchargée et chargée 2 fois par période et conduit le courant alternatif.
Il s'agit d'une description théorique des processus. Pour comprendre comment l'élément du circuit fonctionne directement dans l'appareil, la résistance inductive et capacitive du circuit, les paramètres des autres participants sont calculés et l'influence de l'environnement extérieur est prise en compte.
Principales caractéristiques et propriétés
Les paramètres de condensateur utilisés pour créer et réparer des appareils électroniques comprennent :
- Capacité - C. Détermine le niveau de charge de l'appareil. La valeur de la capacité nominale est indiquée sur le boîtier. Pour créer les valeurs requises, les éléments sont inclus dans le circuit en parallèle ou en série. Les valeurs opérationnelles ne correspondent pas à celles calculées.
- Fréquence de résonance - fр. Si la fréquence du courant est supérieure à celle de résonance, les propriétés inductives de l'élément apparaissent. Cela rend le travail difficile. Pour fournir la puissance calculée dans le circuit, il est raisonnable d'utiliser un condensateur à des fréquences inférieures aux valeurs de résonance.
- Tension nominale - Un. Pour éviter la panne de l'élément, la tension de fonctionnement est réglée à une valeur inférieure à la tension nominale. Le paramètre est indiqué sur le boîtier du condensateur.
- Polarité. Si la connexion est incorrecte, une panne et une panne se produiront.
- Résistance d'isolement électrique - Rd. Définit le courant de fuite de l'appareil. Dans les appareils, les pièces sont situées à proximité les unes des autres. A fort courant de fuite, des connexions parasites dans les circuits sont possibles. Cela entraîne des dysfonctionnements. Le courant de fuite dégrade les propriétés capacitives de l'élément.
- Coefficient de température - TKE. La valeur détermine comment la capacité de l'appareil change avec les fluctuations de la température de l'environnement. Le paramètre est utilisé lors du développement d'appareils destinés à fonctionner dans des conditions climatiques sévères.
- effet piézoélectrique parasite. Certains types de condensateurs, lorsqu'ils sont déformés, créent du bruit dans les appareils.
Types et types de condensateurs
Les éléments capacitifs sont classés selon le type de diélectrique utilisé dans la conception.
Condensateurs papier et métal-papier
Les éléments sont utilisés dans des circuits à tension constante ou légèrement pulsée. La simplicité de la conception se traduit par une stabilité des performances inférieure de 10 à 25 % et des pertes accrues.
Dans les condensateurs en papier, les plaques de papier d'aluminium séparent le papier. Les ensembles sont torsadés et placés dans un boîtier en forme de cylindre ou de parallélépipède rectangle.
Les appareils fonctionnent à des températures de -60 ... + 125 ° C, avec une tension nominale des appareils basse tension jusqu'à 1600 V, des appareils haute tension - au-dessus de 1600 V et une capacité allant jusqu'à des dizaines de microfarads.
Dans les dispositifs métal-papier, au lieu d'une feuille d'aluminium, une fine couche de métal est appliquée sur du papier diélectrique. Cela aide à produire des éléments plus petits. Avec des pannes mineures, l'auto-guérison du diélectrique est possible. Les éléments en métal-papier sont inférieurs aux éléments en papier en termes de résistance d'isolation.
Condensateurs électrolytiques
Le design des produits ressemble à ceux en papier. Mais dans la fabrication des cellules électrolytiques, le papier est imprégné d'oxydes métalliques.
Dans les produits à électrolyte sans papier, l'oxyde est déposé sur une électrode métallique. Les oxydes métalliques ont une conductivité unilatérale, ce qui rend l'appareil polaire.
Dans certains modèles de cellules électrolytiques, les plaques sont réalisées avec des rainures qui augmentent la surface de l'électrode. Les lacunes dans l'espace entre les plaques sont éliminées par inondation d'électrolyte. Cela améliore les propriétés capacitives du produit.
Une grande capacité de dispositifs électrolytiques - des centaines de microfarads - est utilisée dans les filtres pour lisser les ondulations de tension.
Électrolytique en aluminium
Dans les dispositifs de ce type, le garnissage de l'anode est en feuille d'aluminium. La surface est recouverte d'oxyde métallique - un diélectrique. Le revêtement cathodique est un électrolyte solide ou liquide, qui est choisi de sorte que la couche d'oxyde sur la feuille soit restaurée pendant le fonctionnement. Le diélectrique auto-cicatrisant prolonge la durée de vie de l'élément.
Les condensateurs de cette conception nécessitent une polarité. Lorsqu'il est rallumé, il cassera le boîtier.
Les dispositifs, à l'intérieur desquels se trouvent des ensembles polaires anti-séquentiels, sont utilisés dans les 2 sens. La capacité des cellules électrolytiques en aluminium atteint plusieurs milliers de microfarads.
Électrolytique au tantale
L'électrode d'anode de tels dispositifs est réalisée à partir d'une structure poreuse obtenue en chauffant de la poudre de tantale à +2000°C. Le matériau ressemble à une éponge. La porosité augmente la surface.
En utilisant l'oxydation électrochimique, une couche de pentoxyde de tantale jusqu'à 100 nanomètres d'épaisseur est appliquée sur l'anode. Un diélectrique solide est fabriqué à partir de dioxyde de manganèse.La structure finie est pressée dans un composé - une résine spéciale.
Les produits en tantale sont utilisés à des fréquences de courant supérieures à 100 kHz. La capacité est créée jusqu'à des centaines de microfarads, à une tension de fonctionnement allant jusqu'à 75 V.
Polymère
Les condensateurs utilisent un électrolyte composé de polymères solides, ce qui offre de nombreux avantages :
- la durée de vie est augmentée jusqu'à 50 000 heures;
- les paramètres sont enregistrés pendant le chauffage ;
- la plage d'ondulations de courant autorisées est élargie ;
- la résistance des plaques et des conducteurs ne shunte pas la capacité.
Film
Le diélectrique de ces modèles est un film de téflon, polyester, fluoroplastique ou polypropylène.
Couvertures - feuille ou dépôt de métal sur le film. La conception est utilisée pour créer des assemblages multicouches avec une surface accrue.
Les condensateurs à film de tailles miniatures ont une capacité de centaines de microfarads. Selon le placement des couches et les conclusions des contacts, des formes axiales ou radiales des produits sont réalisées.
Dans certains modèles, la tension nominale est de 2 kV et plus.
Quelle est la différence entre polaire et non polaire
Les non polaires permettent l'inclusion de condensateurs dans le circuit sans tenir compte du sens du courant. Les éléments sont utilisés dans les filtres d'alimentations variables, les amplificateurs haute fréquence.
Les produits Polar sont connectés conformément au marquage. Si vous l'allumez dans le sens opposé, l'appareil tombera en panne ou ne fonctionnera pas normalement.
Les condensateurs polaires et non polaires de grandes et petites capacités diffèrent par la conception du diélectrique. Dans les condensateurs électrolytiques, si l'oxyde est appliqué sur 1 électrode ou 1 côté du papier, film, alors l'élément sera polaire.
Des modèles de condensateurs électrolytiques non polaires, dans les conceptions desquels l'oxyde métallique a été déposé symétriquement sur les deux surfaces du diélectrique, sont inclus dans les circuits à courant alternatif.
Pour les polaires, il y a un marquage d'une électrode positive ou négative sur le corps.
Ce qui détermine la capacité d'un condensateur
La fonction principale et le rôle d'un condensateur dans un circuit est d'accumuler des charges, et un autre est d'empêcher les fuites.
La valeur de la capacité du condensateur est directement proportionnelle à la constante diélectrique du milieu et à la surface des plaques, et inversement proportionnelle à la distance entre les électrodes. Il y a 2 contradictions :
- Pour augmenter la capacité, les électrodes sont nécessaires aussi épaisses, plus larges et plus longues que possible. Dans ce cas, les dimensions de l'appareil ne peuvent pas être augmentées.
- Pour conserver les charges et fournir la force d'attraction souhaitée, la distance entre les plaques est rendue minimale. Dans ce cas, le courant de claquage ne peut pas être réduit.
Pour résoudre les conflits, les développeurs utilisent :
- constructions multicouches d'une paire de diélectrique et d'électrode ;
- structures anodiques poreuses;
- remplacer le papier par des oxydes et des électrolytes ;
- connexion parallèle d'éléments;
- remplir l'espace libre avec des substances à constante diélectrique accrue.
Les condensateurs deviennent de plus en plus petits et meilleurs à chaque nouvelle invention.
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