Конденсатор принцип работы: Зачем нужны электролитические конденсаторы и как их менять

Что такое конденсатор, его конструкция, принцип работы и виды простым языком

Если вы рассмотрите печатную плату даже самого простого электронного устройства, то обязательно увидите конденсатор, а чаще всего встретите множество этих элементов. Присутствие этих изделий на различных электронных схемах объясняется свойствами данных радиоэлементов, широким диапазоном функций, которые они выполняют.

В настоящее время промышленность поставляет на рынок конденсаторную продукцию различных видов (рис. 1). Параметры изделий варьируются в широких пределах, что позволяет легко подобрать радиодеталь для конкретной цели.

Рис. 1. Распространённые типы конденсаторов

Рассмотрим более подробно конструкции и основные параметры этих вездесущих радиоэлементов.

Что такое конденсатор?

В классическом понимании конденсатором является радиоэлектронное устройство, предназначенное для накопления энергии электрического поля, обладающее способностью накапливать в себе электрический заряд, с последующей передачей накопленной энергии другим элементам электрической цепи. Устройства очень часто используют в различных электрических схемах.

Конденсаторы способны очень быстро накапливать заряд и так же быстро отдавать всю накопленную энергию. Для их работы характерна цикличность данного процесса. Величина накапливаемого электричества и периоды циклов заряда-разряда определяется характеристиками изделий, которые в свою очередь зависят от типа модели. Параметры этих величин можно определить по маркировке изделий.

Конструкция и принцип работы

Простейшим конденсатором являются две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Выступать в качестве диэлектрика может воздушное пространство между пластинами. Модель такого устройства изображена на рис. 2.

Рис. 2. Модель простейшего конденсаторного устройства

Если на конструкцию подать постоянное напряжение, то образуется кратковременная замкнутая электрическая цепь. На каждой металлической пластине сконцентрируются заряды, полярность которых будет соответствоать полярности приложенного тока. По мере накопления зарядов ток будет ослабевать, и в определенный момент цепь разорвётся. В нашем случае это произойдёт молниеносно.

При подключении нагрузки накопленная энергия устремится через нагрузочный элемент в обратном направлении. Произойдёт кратковременный всплеск электрического тока в образованной цепи. Количество накапливаемых зарядов (ёмкость, C) прямо зависит от размеров пластин.

Единицу измерения ёмкости принятоназывать фарадой (Ф). 1 F – очень большая величина, поэтому на практике часто применяют кратные величины: микрофарады (1 мкФ = 10^{-6 F}), нанофарады ( 1 нФ = 10^{-9 F} = 10^-3 мкФ), пикофарады (1 пкФ = 10^{-12 F} = 10^-6  мкФ). Очень редко применяют величину милифараду (1 мФ = 10^-3 Ф).

Конструкции современных конденсаторов отличаются от рассматриваемой нами модели. С целью увеличения ёмкости вместо пластин используют обкладки из алюминиевой, ниобиевой либо танталовой фольги, разделённой диэлектриками. Эти слоеные ленты туго сворачивают в цилиндр и помещают в цилиндрический корпус. Принцип работы не отличается от описанного выше.

Существуют также плоские конденсаторы, конструктивно состоящие из множества тонких обкладок, спрессованных между слоями диэлектрика в форме параллелепипеда. Такие модели можно представить себе в виде стопки пластин, образующих множество пар обкладок, соединённых параллельно.

В качестве диэлектриков применяют:

• бумагу;
• полипропилен;
• тефлон;
• стекло;
• полистирол;
• органические синтетические плёнки;
• эмаль;
• титанит бария;
• керамику и различные оксидные материалы.

Отдельную группу составляют изделия, у которых одна обкладка выполнена из металла, а в качестве второй выступает электролит. Это класс электролитических конденсаторов (пример на рисунке 3 ниже). Они отличаются от других типов изделий большой удельной ёмкостью. Похожими свойствами обладают оксидно-полупроводниковые модели. Второй анод у них – это слой полупроводника, нанесённый на изолирующий оксидный слой.

Рис. 3. Конструкция радиального электролитического конденсатора

Электролитические модели, а также большинство оксидно-полупроводниковых конденсаторов имеют униполярную проводимость. Их эксплуатация допустима лишь при наличии положительного потенциала на аноде и при номинальных напряжениях. Поэтому следует строго соблюдать полярность подключения упомянутых радиоэлектронных элементов.

На корпусе такого прибора обязательно указывается полярность (светлая полоска со значками «–», см. рис. 4) или значок «+» со стороны положительного электрода на корпусах старых отечественных конденсаторов.

Рисунок 4. Обозначение полярности выводов

Срок службы электролитического конденсатора ограничен. Эти приборы очень чувствительны к высоким напряжениям. Поэтому при выборе радиоэлемента старайтесь, чтобы его рабочее напряжение было значительно выше номинального.

Свойства

Из описания понятно, что для постоянного тока конденсатор является непреодолимым барьером, за исключением случаев пробоя диэлектрика. В таких электрических цепях радиоэлемент используется для накопления и сохранения электричества на его электродах. Изменение напряжения происходит лишь в случаях изменений параметров тока в цепи. Эти изменения могут считывать другие элементы схемы и реагировать на них.

В цепях синусоидального тока конденсатор ведёт себя подобно катушке индуктивности. Он пропускает переменный ток, но отсекает постоянную составляющую, а значит, может служить отличным фильтром. Такие радиоэлектронные элементы применяются в цепях обратной связи, входят в схемы колебательных контуров и т. п.

Ещё одно свойство состоит в том, что переменную емкость можно использовать для сдвига фаз. Существуют специальные пусковые конденсаторы (рис.5), применяемые для запусков трёхфазных электромоторов в однофазных электросетях.

Рис. 5. Пусковой конденсатор с проводами

Основные параметры и характеристики

Ёмкость.

Важным параметром конденсатора является его номинальная ёмкость. Для плоского конденсатора справедлива формула:

С = (ε*ε₀*S) / d,

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, S – размеры обкладок (площадь пластин), d – расстояние между пластинами (обкладками).

Реальная емкость отдельных элементов обычно невелика, но можно получить конструкцию ёмкостью в несколько фарад, если параллельно соединить огромное число обкладок. В этом случае реальная ёмкость равняется сумме всех ёмкостей обкладок.

Максимальные емкости некоторых конденсаторов могут достигать нескольких фарад.

Удельная ёмкость.

Величина, характеризующая отношение ёмкости к объёму или к массе радиодетали. Данный параметр важен в микроэлектронике, где размеры деталей очень важны.

Номинальное напряжение.

Одной из важных электрических характеристик я

Конденсатор. Принцип работы, основные характеристики.

Конденсатор — распространенный двухполюсный электронный компонент, главным свойством которого является способность накапливать электрический заряд и «отпускать» его обратно. Процесс накопления заряда называется зарядкой, а процесс его потери – разрядкой.

Выпускаются конденсаторы самых разных типов и конструкций. Наиболее распространены в электронике и любительской радиотехнике следующие виды:

• Керамические конденсаторы
• Танталовые конденсаторы
• Электролитические конденсаторы
• Конденсаторы переменной емкости

При включении в цепь электролитических конденсаторов необходимо соблюдать полярность. Отрицательный контакт, обычно, короче положительного и дополнительно может обозначаться соответствующими пометками на корпусе. Для керамических конденсаторов полярность подключения не имеет значения.

В простейшем виде конденсатор состоит их двух металлических пластин, называемых обкладками, которые разделены слоем диэлектрика.

При включении конденсатора в цепь с источником тока, под воздействием электрического поля на одной обкладке накапливается положительный заряд, а на другой – отрицательный. Это будет происходить до тех пор, пока на обкладках не накопится максимально возможное количество заряда. Оно определяется важной характеристикой конденсатора — емкостью. Емкость конденсатора определяется количеством заряда, которое он может накопить при заданном напряжении:

Формула емкости.

C — емкость конденсатора, q — заряд, U — напряжение.

Емкость зависит от таких физических характеристик, как, например, площадь обкладок, расстояние между ними и диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Единицей измерения емкости конденсаторов в международной системе единиц (СИ) является Фарад (Ф).

Чем больше ёмкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор при заданном напряжении, и тем меньше скорость его зарядки и разрядки.

Основные параметры конденсаторов:

• Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками. Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.
• Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.
• Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита.
• Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.
• Полярность. Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

• Конденсаторы вакуумные (между обкладками находится вакуум).
• Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
• Конденсаторы с жидким диэлектриком.
• Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
• Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
• Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов, прежде всего, большой удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка. Время наработки на отказ типичного электролитического конденсатора 3000-5000 часов при максимально допустимой температуре, качественные конденсаторы имеют время наработки на отказ не менее 8000 часов при температуре 105°С. Рабочая температура — основной фактор, влияющий на продолжительность срока службы конденсатора. Если нагрев конденсатора незначителен из-за потерь в диэлектрике, обкладках и выводах, (например, при использовании его во времязадающих цепях при небольших токах или в качестве разделительных), можно принять, что интенсивность отказов снижается вдвое при снижении рабочей температуры на каждые 10 °C вплоть до +25 °C. Твердотельные конденсаторы — вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник. Время наработки на отказ ~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС меньше чем у жидко-электролитических и слабо зависит от температуры. Не взрываются.

Последовательное соединение конденсаторов.

При последовательном соединении конденсаторов уменьшается общая емкость и увеличивается общее напряжение конденсаторов. Общая емкость при последовательном соединении конденсаторов будет вычисляться по формуле:

Общее напряжение будет равняться сумме напряжений всех конденсаторов.

Например: мы имеем три конденсатора по 30 мкФ x 100 В каждый. При их последовательном соединении общий конденсатор будет иметь следующие данные: 10 мкФ x 300 В.

Параллельное соединение конденсаторов.

При параллельном соединении общая емкость конденсаторов складывается, а допустимое напряжение всего набора будет равно напряжению конденсатора, имеющего самое низкое значение допустимого напряжения из всего набора.

Например: мы имеем три конденсатора 30 мкФ x 100 В, соединённые параллельно. Параметры всего набора конденсаторов в этом случае будут следующие: 90 мкФ x 100 В.

Соединение более двух конденсаторов последовательно редко встречается в реальных схемах. Хотя для увеличения общего напряжения такой набор может встретиться в высоковольтных источниках питания. А вот в низковольтных источниках довольно часто встречается параллельное соединение нескольких конденсаторов для сглаживания пульсаций после выпрямления при больших токах потребления.

Обратите внимание, формулы вычисления емкости последовательного и параллельного соединения конденсаторов в точности обратны формулам вычисления сопротивления при последовательном и параллельном соединении резисторов.

Понравилась статья? Не забудь поделиться с друзьями в соц. сетях. А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу Вконтакте, в группу на Facebook.

До встречи в следующем уроке. Спасибо за внимание!

Технологии начинаются с простого!

Понравилась статья? Поделитесь ею с друзьями:

Что такое конденсатор — простым языком

Конденсатор – это микро аккумулятор, который очень быстро накапливает энергию и очень быстро ее отдает. 

Из чего состоит конденсатор

Конденсатор состоит их двух металлических пластин — электродов, называемых также обкладками, между которыми находится тонкий слой диэлектрика. Более подробно это изображено на рисунке ниже:

Принцип работы

Конденсатор заряжается, если внутреннее накопленное напряжение, меньше подаваемого. И наоборот, если внутреннее напряжение больше подаваемого, конденсатор будет разряжаться. 

Чтобы лучше понять принцип работы этой детали, представим, что ток попадает в конденсатор, как вода в бочонок. Пока конденсатор пустой, ток его наполняет, таким образом растет сопротивление, в бочке же растет давление. Когда бочка наполнится, вода (ток) прекратит поступать. Если перекрыть воду (источник тока), тогда вода польется обратно. Как это работает показано на рисунке:

В емкость прерывисто льется вода – это нестабильный источник воды, или с точки зрения электричества – скачущее напряжение. С другой стороны бочки поступает сглаженный поток воды. По этому же принципу конденсатор стабилизирует напряжение в цепи.

Где используется

Конденсатор очень распространен в электронике, например в светодиодных лампах, она будет гореть только при условии подключения к источнику переменного тока. Благодаря свойству быстро заряжаться и разряжаться, конденсаторы используются для производства электро вспышек, лазерных установок и ускорителей. В домах часто скачет напряжение, в связи с чем могут пострадать электроприборы. Для выравнивания тока устанавливается система конденсаторов.

Разновидности

В основном используются керамический и электролитический конденсаторы. Очень важным является разделение конденсаторов на полярные и неполярные, если перепутать полярность у полярных — они выйдут из строя. Причём это будет сопровождаться бурной электрохимической реакций вплоть до взрыва конденсатора. На полярных конденсаторах всегда имеется маркировка. Неполярные же конденсаторы можно включать в цепь какой угодно стороной.

Виды соединения

• Параллельное. Встречается чаще всего. С его помощью можно собрать любую емкость, объединив группу конденсаторов. Например, чтобы запустить трехфазный электродвигатель, а нужной емкости в 125 мкФ нет под рукой, необходимо соединить параллельно три конденсатора емкостью: 100 мкФ, 20 мкФ и 5 мкФ. Таким образом получим рабочую емкость 125 мкФ.

• Последовательное. Достаточно редко встречается в схемах. Иногда последовательное соединение применяется в высоковольтных источниках напряжения для увеличения общего напряжения.

Единицы измерения и маркировка

Две важные характеристики конденсатора: ёмкость и номинальное напряжение. Ёмкость конденсатора характеризует способность конденсатора накапливать заряд. Это как ёмкость банки, в которой хранится, к примеру, вода.

Ёмкость электрического конденсатора измеряют в фарадах. В схемах ёмкость обозначают латинской буквой C. Как правило, ёмкость классических конденсаторов варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до нескольких тысяч микрофарад (мкФ). Ёмкость указывается на корпусе конденсатора. Если единицы не указаны — то это пикофарады. Микрофарады часто обозначают как uF — так как буква u внешне похожа на греческую букву мю, которую используют вместо приставки микро. 

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии в нём может храниться и тем дольше он заряжается, при прочих равных условиях. 

Номинальное напряжение — второй важный параметр. Это такое напряжение, при котором конденсатор будет работать весь срок службы без критичного изменения своих параметров. Нельзя применять в 12-вольтовой цепи конденсатор на 6 вольт — он быстро выйдет из строя. Именно эти два параметра обычно наносят на поверхность корпуса конденсатора. На фотографии ниже изображен электролитический конденсатор ёмкостью 470 мкФ и номинальным напряжением 16 Вольт. 

На керамических конденсаторах часто указывают только ёмкость. На картинке ниже конденсатор имеет маркировку 104. Последняя цифра в этом коде — количество нулей после двухзначного числа в начале. 104 = 10 0000 пФ = 100 нФ = 0,1 мкФ

Урок 2.3 — Конденсаторы

Конденсатор

Конденсатор встречается в наборах Мастер Кит (да и вообще в электронных устройствах) почти так же часто, как и резистор. Поэтому важно хотя бы в общих чертах представлять его основные характеристики и принцип работы.

Принцип работы конденсатора

В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Чем больше отношение площади пластин к толщине диэлектрика – тем выше ёмкость конденсатора. Чтобы избежать физического увеличения размеров конденсатора до огромных размеров, конденсаторы изготавливают многослойными: например, сворачивают ленты пластин и диэлектриков в рулон.
Так как любой конденсатор имеет диэлектрик, то он не способен проводить постоянный ток, но он может сохранять электрический заряд, приложенный к его обкладкам, и в нужный момент отдавать его. Это важное свойство

Давайте договоримся: радиодеталь мы называем конденсатором, а его физическую величину – ёмкостью. То есть правильно сказать так: «конденсатор имеет ёмкость 1 мкФ», но некорректно сказать: «замени на плате вон ту ёмкость». Вас, конечно, поймут, но лучше соблюдать «правила хорошего тона».

Электрическая ёмкость конденсатора – это главный его параметр
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больший заряд он может сохранить. Электрическая ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах, обозначается F.
1 Фарад — очень большая ёмкость (земной шар имеет ёмкость менее 1Ф), поэтому для обозначения ёмкости в радиолюбительской практике используются следующие основные размерные величины — префиксы: µ (микро), n (нано) и p (пико):
• 1 микроФарад — 10-6 (одна миллионная часть), т.е. 1000000µF = 1F
• 1 наноФарад — 10-9 (одна миллиардная часть), т.е. 1000nF = 1µF
• p (пико) — 10-12 (одна триллионная часть), т.е. 1000pF = 1nF

Как и Ом, Фарад – это фамилия физика. Поэтому, как культурные люди, пишем прописную букву «Ф»: 10 пФ, 33 нФ, 470 мкФ.

Номинальное напряжение конденсатора
Расстояние между пластинами конденсатора (особенно конденсатора большой ёмкости) очень мало, и достигает единиц микрометра. Если приложить к обкладкам конденсатора слишком высокое напряжение, слой диэлектрика может быть нарушен. Поэтому каждый конденсатор имеет такой параметр, как номинальное напряжение. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Но лучше, когда номинальное напряжение конденсатора несколько выше напряжения в схеме. То есть, например, в схеме с напряжением 16В могут работать конденсаторы с номинальным напряжением 16В (в крайнем случае), 25В, 50В и выше. Но нельзя ставить в эту схему конденсатор с номинальным напряжением 10В. Конденсатор может выйти из строя, причём часто это происходит с неприятным хлопком и выбросом едкого дыма.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях для начинающих не используется напряжение питания выше 12В, а современные конденсаторы чаще всего имеют номинальное напряжение 16В и выше. Но помнить о номинальном напряжении конденсатора очень важно.

Типы конденсаторов
О разнообразных конденсаторах можно написать много томов. Впрочем, это уже сделали некоторые другие авторы, поэтому я расскажу только самое необходимое: конденсаторы бывают неполярные и полярные (электролитические).

Неполярные конденсаторы
Неполярные конденсаторы (в зависимости от типа диэлектрика подразделяются на бумажные, керамические, слюдяные…) могут устанавливаться в схему как угодно – в этом они похожи на резисторы.
Как правило, неполярные конденсаторы имеют относительно небольшую ёмкость: до 1 мкФ.

Маркировка неполярных конденсаторов
На корпус конденсатора нанесён код из трёх цифр. Первые две цифры определяют значение ёмкости в пикофарадах (пФ), а третья – количество нулей. Так, на изображённом ниже рисунке на конденсатор нанесён код 103. Определим его ёмкость:
10 пФ + (3 нуля) = 10000 пФ = 10 нФ = 0,01 мкФ.

Конденсаторы ёмкостью до 10 пФ маркируются по-особенному: символ «R» в их кодировке обозначает запятую. Теперь Вы можете определить ёмкость любого конденсатора. Приведённая ниже табличка поможет Вам проверить себя.

Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Например, вместо конденсатора 15 нФ набор может комплектоваться конденсатором 10 нФ или 22 нФ, и это не отразится на работе готовой конструкции.
Керамические конденсаторы не имеют полярности и могут устанавливаться в любом положении выводов.
Некоторые мультиметры (кроме самых бюджетных) имеют функцию измерения ёмкости конденсаторов, и Вы можете воспользоваться этим способом.

Полярные (электролитические) конденсаторы
Есть два способа увеличения ёмкости конденсатора: либо увеличивать размер его пластин, либо уменьшать толщину диэлектрика.
Чтобы минимизировать толщину диэлектрика, в конденсаторах большой ёмкости (выше нескольких микрофарад) применяется специальный диэлектрик в виде оксидной плёнки. Этот диэлектрик нормально работает только при условии правильно приложенного напряжения на обкладках конденсатора. Если перепутать полярность напряжения, электролитический конденсатор может выйти из строя. Метка полярности всегда маркируется на корпусе конденсатора. Это может быть либо значок «+», но чаще всего в современных конденсаторах полосой на корпусе маркируется вывод «минус». Другой, вспомогательный способ определения полярности: плюсовой вывод конденсатора длиннее, но ориентироваться на этот признак можно только до того, как выводы радиодетали обрезаны.
На печатной плате также присутствует метка полярности (как правило, значок «+»). Поэтому при установке электролитического конденсатора обязательно совмещайте метки полярности и на детали, и на печатной плате.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Также допустима замена конденсатора на аналогичный с бОльшим значением допустимого рабочего напряжения. Например, вместо конденсатора 330 мкФ 25В набор можно применить конденсатор 470 мкФ 50В, и это не отразится на работе готовой конструкции.

Внешний вид электролитического конденсатора (правильно установленный на плату конденсатор)

Скачать урок в формате PDF

как работает и зачем нужен в цепи переменного и постоянного тока

Практически во всех электронных устройствах, от самых простых до высокотехнологичных, таких как материнские платы компьютеров, можно встретить один неизменно присутствующий элемент, являющийся пассивным компонентом. Но к сожалению, мало кто знает как устроен и для чего нужен конденсатор, и какие виды этого накопителя бывают.

Просто о сложном

Итак, это небольшое устройство для накопления электрического поля или заряда похоже на обычную банку, ту, в которой маринуют помидоры или хранят муку. Она точно так же в себе накапливает сухое вещество или жидкость, которую в неё поместят. Аналогия проста: по цепи бегут электроны, а на своей дороге встречают проводников, которые ведут их в «банку», где они и накапливаются, усиливая заряд.

Для того чтобы выяснить, много ли элекрончиков так можно собрать, и в какой момент накопление прекратится (банка лопнет), электрический процесс обычно сравнивают с водопроводом. Если представить трубу, в которой течёт вода, закачиваемая туда насосом, то где-то в центре трубопровода нужно вообразить мягкую мембрану, растягивающуюся под давлением жидкости. Очевидно, что она будет растягиваться до определённого предела, пока не разорвётся или, если попалась очень крепкая, не уравновесит силу насоса.

Такой пример показывает, как работает конденсатор, только мембрана заменяется электрическим полем, которое увеличивается по мере зарядки накопителя (работы насоса), уравновешивая напряжение источника питания. Очевидно, что этот процесс не бесконечный, и предельный заряд существует, по достижении которого «банка» выйдет из строя и перестанет выполнять свои функции.

Устройство и принцип работы

Конденсатор — устройство, состоящее из двух пластин (обкладок), имеющих между собой пустоту. Напряжение к нему подаётся через проводки, подсоединённые к пластинкам. Современные приборы, по сути, не сильно отличаются от макетов на уроках физики, они также состоят из диэлектрика и обкладок. Следует отметить, что именно вещество или его отсутствие (вакуум), плохо проводящее электричество, изменяет характеристики накопителя.

Суть принципа работы конденсатора проста: дали напряжение, и заряд начал накапливаться. Для примера следует рассмотреть как ведёт себя накопитель в двух вариантах электрической цепи:

• Постоянный ток. Если в цепь с подключённым к ней конденсатором подать ток, то можно увидеть, что стрелка на амперметре начнёт двигаться, а потом быстро вернётся в исходное положение. Это объясняется просто: устройство быстро зарядилось, то есть источник питания был уравновешен обкладками накопителя, и тока не стало. Поэтому часто говорят, что в условиях постоянного тока конденсатор не работает. Такое утверждение неправильное, всё функционирует, но очень непродолжительное время.
• Переменный ток — это когда электроны двигаются сначала в одну, а затем в другую сторону. Если представить такую цепь с подключённым к ней накопителем, то на обеих обкладках конденсатора будут попеременно накапливаться положительные и отрицательные заряды. Это говорит о том, что переменный ток свободно протекает через устройство.

Поскольку конденсатор задерживает постоянный ток, но пропускает переменный, отсюда формируются и сферы его назначения, например, для устройств, в которых нужно убрать постоянную составляющую в сигнале. Вполне очевидно, что накопитель обладает сопротивлением, а вот мощность на нём не выделяется, поэтому он не греется.

Основные виды

Рядовой пользователь не всегда знает о том, каким конденсатором снабжено его устройство. А ведь каждый вид имеет свои недостатки и преимущества, а также эксплуатационные особенности. Существуют две большие группы этих устройств, предназначенные для электрической цепи с переменным и постоянным током. Но всё-таки основная классификация ведётся по типу диэлектрика, который находится между облатками конденсатора. Основные виды:

• Керамические. Имеют маленький размер, малый ток утечки и небольшую индуктивность. Отлично работают в условиях высоких частот, в цепях пульсирующего, постоянного и переменного тока. Представлены в различном диапазоне напряжений и ёмкостей, в зависимости от того, для чего конденсатор предназначен.
• Слюдяные. В настоящее время почти не используются и не выпускаются. В накопителях такого типа диэлектриком служит слюда. Рабочее напряжение таких конденсаторов в диапазоне — 200−1500 В.
• Бумажные. В алюминиевых облатках заключена конденсаторная бумага. Выдерживают напряжение 160−1500 В.
• Полиэстеровые. Максимальная ёмкость не превышает 15 мФ, рабочее напряжение — 50−1500 В.
• Полипропиленовые. Выгодно выделяются на фоне остальных собратьев двумя преимуществами. Первое — маленький допуск ёмкости (+/- 1%), второе — до 3 кВ рабочего напряжения.

Отдельно стоит отметить электролитические конденсаторы. Главное их отличие от других видов — подключения только к цепи постоянного или пульсирующего тока. Такие накопители имеют полярность — это особенность их конструкции, поэтому неправильное подключение ведёт к вздутию или взрыву устройства. Они обладают большой ёмкостью, что делает конденсатор электролитический пригодным для применения в выпрямительных цепях.

Сферы применения

Можно смело сказать, что конденсаторы используют практически во всех электронных и радиотехнических схемах. Чтобы иметь представление о том, где и зачем нужен конденсатор, следует вспомнить его способность сохранять заряд и разряжаться в нужное время, а также пропускать переменный ток и не пропускать постоянный. А это значит, что такие устройства используются во многих технических сферах, например:

• телефонии;
• в производстве счётных и запоминающих устройств;
• автоматике;
• при создании измерительных приборов и многих других.

Электрические накопители можно встретить как в телевизорах, так и в приборах радиолокации, где необходимо формировать импульс большой мощности, для чего и служит конденсатор. Невозможно встретить блок питания без этих устройств или сетевой фильтр.

Нужно сказать, что накопители применяют и в сферах, не связанных с электрикой, например, в производстве металла и добыче угля, где используют конденсаторные электровозы.

Что такое конденсатор и как они используются

Приветствую, друзья!

Мы уже рассматривали, как устроены «кирпичики», из которых собран компьютер.

Вы уже знаете, как устроены и как работают полупроводниковые диоды, полевые и биполярные транзисторы.

Вы уже знакомы с таким понятием, как SMD компоненты.

Давайте познакомимся с еще одной интереснейшей штуковиной — конденсатором.

Из всего многообразия конденсаторов мы рассмотрим лишь те, которые используются в компьютерах и периферийных устройствах.

Что такое конденсатор?

Конденсатор — это деталь с двумя выводами (двухполюсник), позволяющая накапливать энергию.

Конденсатор характеризуется такой величиной, как ёмкость.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии он может накопить и тем (грубо говоря) больше его габариты.

Конденсатор может не только накапливать энергию, но и отдавать ее.

Именно в таком режиме он чаще всего и работает.

Конденсатор, в отличие от транзистора, является пассивным компонентом, т.е. есть он не может генерировать или усиливать сигнал.

Как устроен конденсатор?

В простейшем случае конденсатор состоит из двух металлических пластин (обкладок) и диэлектрика (изолятора) между ними. Чем больше размер пластин и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора.

Вообще говоря, конденсатор накапливает на обкладках заряд (множество элементарных частиц, каждая из которых обладает элементарным зарядом). Чем больший заряд накоплен, тем большая запасена энергия. Ёмкость конденсатора зависит также и от вида диэлектрика.

Две пластины, разделенные тонким воздушным слоем (воздух — тоже диэлектрик), обладают очень небольшой емкостью, и в таком виде конденсаторы не используются.

С помощью специальных материалов и технологических ухищрений научились достаточно большую ёмкость втискивать в очень небольшой объём.

Самый характерный пример — электролитические конденсаторы.

В них две металлические обкладки в виде длинных полос (чаще всего из алюминиевой фольги) разделены слоем бумаги, пропитанной электролитом.

Электролит вызывает образование тонкой пленки оксида (окисла), которая является хорошим диэлектриком.

Поэтому электролитические конденсаторы называют ещё оксидными. Полосы сворачивают и помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.

Раньше выводы конденсаторов делали из меди – как из материала с высокой электропроводностью. Теперь же их нередко делают из более дешевых сплавов на основе железа. В этом можно убедиться, если поднести к ним магнит. Фирмачи научились экономить!

В керамических конденсаторах диэлектриком служит пластинка из керамики, а обкладками – напыленные на керамику пленки металлических сплавов.

В каких единицах измеряется емкость конденсатора?

Основная единица для измерения ёмкости – Фарад (Ф, старое название – Фарада).

Но это очень большая величина, поэтому на практике используются её производные — пикофарад (пФ, пикофарада), нанофарад (нФ, нанофарада), микрофарад (мкФ, микрофарада).

Один микрофарад = 1 000 нанофарад = 1 000 000 пикофарад.

В компьютерных блоках питания и в материнских платах используются электролитические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч микрофарад.

Там же применяется малогабаритные керамические конденсаторы ёмкостью несколько сотен или тысяч пикофарад.

Керамические конденсаторы используются чаще всего в виде SMD компонентов.

Как обозначаются конденсаторы в электрических схемах?

Конденсаторы в электрических схемах обозначается в виде двух вертикальных черточек, разделенных небольшим пространством. Графическое изображение напоминает те самые две пластины, разделенные воздушным диэлектриком.

У электролитических конденсаторов возле одной из черточек (обкладок) помещается знак «+».

Это потому, что электролитические конденсаторы обычно имеют полярность, которую надо соблюдать при монтаже.

Отметим, что в некоторых случаях применяются электролитические неполярные конденсаторы.

Рядом наносится значение ёмкости конденсатора.

А если конденсатор электролитический — то и величина его рабочего напряжения.

Записи вида 1000 p (1000 pF) и 3,9 n (3,9 nF) означают соответственно 1000 пикофарад и 3,9 нанофарад (или 3900 пикофарад).

Запись вида 1000uFx16V  означает емкость 1000 микрофарад и рабочее напряжение 16 Вольт.

Напротив отрицательного электрода на корпусе конденсатора наносится соответствующая маркировка (знак «-»).

Где и как используются конденсаторы?

Перед тем как начать рассказывать об области применения конденсаторов, вспомним, что конденсатор это — две пластины, разделенные диэлектриком. Поэтому ток через конденсатор (в первом приближении) идти не может. Однако в цепи с конденсатором могут происходить процессы заряд и разряда. И во время этих процессов в цепи будут протекать токи заряда или разряда.

Таким образом, если переменное напряжение будет приложено  к цепи с конденсатором, в ней будет протекать переменный ток. Поэтому конденсатор можно охарактеризовать такой величиной как емкостное сопротивление (обозначается в технической литературе как Хс).

Емкостное сопротивление зависит от ёмкости конденсатора и частоты приложенного напряжения. Чем ёмкость и частота больше, тем меньше емкостное сопротивление. На этих эффектах основано применение конденсаторов в схемах фильтрации источников питания.

В компьютерных блоках питания для получения постоянных напряжений +3,3, +5, и +12 В используется двухполупериодная схема выпрямление с двумя диодами и фильтрующим конденсатором. Без конденсатора на нагрузке будет пульсирующее напряжение одной полярности.

Источник постоянного напряжения можно представить в виде эквивалентной схемы из генератора и двух сопротивлений, где R1 — это внутреннее сопротивление выпрямителя, а R2 — емкостное сопротивление конденсатора.

Генератор – это сумма постоянного и переменного напряжений (пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную и переменную составляющую).

Таким образом, сигнал с генератора подается на частотно-зависимый делитель напряжения. Выходной сигнал снимается с нижнего плеча (конденсатора). Для постоянного напряжения сопротивление конденсатора очень велико, гораздо больше сопротивления выпрямителя. Поэтому уменьшения постоянного напряжения не происходит.

Для переменного напряжения сопротивления конденсатора очень мало, гораздо меньше сопротивления выпрямителя, поэтому происходит сильное ослабление переменной составляющей.

В реальной схеме ситуация несколько сложнее, так как к нижнему плечу делителя подключена нагрузка, обладающая сопротивлением. Поэтому полностью избавиться от пульсаций нельзя, можно только свести их к какому-то небольшому значению.

Вообще, такая комбинация активного сопротивления и конденсатора называется фильтром нижних частот, который пропускает постоянную составляющую и какой-то диапазон низких частот.

Чем выше частота входного переменного напряжения, тем сильнее оно ослабляется.

Так как необходимо сильное подавление пульсаций переменного напряжения, то используется электролитические конденсаторы большой емкости.

Назначение керамических SMD конденсаторов на материнской плате — подавлять высокочастотные помехи, возникающие при переключении транзисторов в микросхемах. Таким образом, электролитические конденсаторы фильтруют относительно низкочастотные помехи и пульсации, а керамические  — более высокочастотные.

Приведем еще один пример разделения переменной и постоянной составляющей. Пусть в схеме на рисунке сигнал в точке А будет иметь постоянную составляющую 5 В и переменную амплитудой 2 В.

После конденсатора,  в точке В будет уже только переменная составляющая той же амплитудой 2 В (если емкостное сопротивление конденсатора мало для такой частоты). Интересно, не правда ли?

По существу, это тоже частотно-зависимый делитель напряжения, где в виде нижнего плеча выступает сопротивление нагрузки. Такую комбинацию называют фильтром верхних частот, который не пропускает постоянную составляющие и низкие частоты, так как в емкостное сопротивление будет для них большим.

Заканчивая, отметим маленькую деталь: так как максимальное напряжение на конденсаторе будет равно сумме постоянной и переменной составляющей, его рабочее напряжение должно быть не менее этой величины.

Купить конденсаторы можно здесь:

Продолжение следует.

Что такое переменный конденсатор?

Рефераты

Переменный конденсатор — это конденсатор, емкость которого можно регулировать в определенном диапазоне. Когда относительная эффективная площадь между металлической пластиной полюса или расстояние между пластинами изменяется, ее емкость соответственно изменяется. Обычно он используется в качестве настраивающего конденсатора в радиоприемной цепи. Его два основных типа — конденсатор с переменным диэлектриком с воздушным диэлектриком и переменный конденсатор с твердым диэлектриком.Он широко используется в настройке и усилении, частотно-селективных колебаниях и других схемах.

Краткое объяснение переменных конденсаторов

Каталог

I Переменный конденсатор Введение

Конденсаторы

, емкость которых можно регулировать в определенном диапазоне, называются конденсаторами переменной емкости .

Переменный конденсатор обычно состоит из двух наборов полюсных пластин, изолированных друг от друга: фиксированный набор полюсных пластин называется статором , а подвижный набор полюсных пластин называется ротором .Роторы нескольких переменных конденсаторов могут быть объединены на одном валу для образования коаксиального переменного конденсатора (обычно известного как двойной, тройной и т. Д.). Переменные конденсаторы имеют длинную ручку, которую можно регулировать, потянув за провода или циферблаты. Форма следующая:

Рисунок 1. конденсатор переменной емкости

II Идентификация конденсатора

Емкость конденсатора обозначена на корпусе конденсатора числом или комбинацией буквенно-цифровых кодов, а иногда и обозначена лентой.На этикетке конденсатора указаны различные параметры конденсатора, включая значение емкости , номинальное напряжение и допуск .

Некоторые конденсаторы не имеют единицы измерения емкости. В этих случаях их единицы по умолчанию взяты из заданных значений и определены эмпирически. В некоторых случаях используется трехзначное обозначение. Первые две цифры — это первые две цифры значения емкости, а третья цифра — множитель или количество Os после второй цифры.Например, 103 означает 10000 пФ.

Некоторые типы конденсаторов используют WV или WVDC для обозначения номинального напряжения, а другие типы конденсаторов опускаются. Если не указано иное, номинальное напряжение можно определить на основе информации, предоставленной производителем. Допуски конденсаторов обычно выражаются в нескольких процентах, например ± 10%. Температурный коэффициент выражается в частях на миллион (ppm). Этот тип знака состоит из P или N и следующих цифр. Например, N750 означает отрицательный температурный коэффициент 750 ppm / ° C, а P30 означает положительный температурный коэффициент 30 ppm / ° C.Знак NPO указывает, что и положительный температурный коэффициент, и отрицательный температурный коэффициент равны 0, поэтому емкость не изменяется с температурой. Также определенные типы конденсаторов отмечены цветными лентами.

На приведенном ниже рисунке показаны обозначения схем для конденсатора постоянной и переменной емкости.

Рисунок 2. условные обозначения конденсаторов постоянной и переменной емкости

(а) показывает графический символ, представляющий конденсатор постоянной емкости в цепи.Обычно используются оба типа. В некоторых типах конденсаторов левая кривая на рисунке обычно представляет внешнюю пластину (то есть конец рядом с внешним корпусом). Этот конец обычно обозначается цветной полосой рядом с проводом, соединенным с пластиной.

(b) показывает символ переменного конденсатора. Они добавляют стрелку через пластину к конденсатору постоянной емкости. Небольшие подстроечные конденсаторы обычно обозначаются символом справа. Стрелками указаны переменные тарелки.

III Классификация переменных конденсаторов

Переменные конденсаторы можно разделить на конденсаторы с воздушной диэлектрической проницаемостью и переменные конденсаторы с твердым диэлектриком в зависимости от используемых диэлектрических материалов.

1. Конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком

Электрод воздушного диэлектрического переменного конденсатора состоит из двух комплектов металлических листов. Одна неподвижная из двух групп электродов — статор, а вращающаяся — ротор. Воздух используется как среда между подвижной и неподвижной пластинами.

Когда подвижная пластина переменного конденсатора с воздушным диэлектриком вращается так, что все подвижные пластины ввинчиваются в неподвижную пластину, емкость становится наибольшей; в противном случае, когда подвижная пластина полностью вывернута из неподвижной пластины, емкость будет наименьшей.

Воздушные средние переменные конденсаторы подразделяются на воздушные одинарные переменные конденсаторы и воздушные двойные переменные конденсаторы. Конденсаторы с воздушной диэлектрической проницаемостью обычно используются в радиоприемниках, электронных приборах, генераторах высокочастотных сигналов, оборудовании связи и сопутствующем электронном оборудовании.

Рисунок 3. (а) воздушные односвязные переменные конденсаторы (б) воздушные двойные переменные конденсаторы

2. Конденсатор переменной емкости с твердым диэлектриком

Твердый диэлектрический переменный конденсатор представляет собой лист слюды или пластиковую пленку (полистирол и другие материалы) в качестве среды между подвижной пластиной и неподвижной пластиной (подвижная деталь и неподвижная деталь представляют собой неправильные полукруглые металлические пластины. ).Оболочка — прозрачный пластик. Его преимущества — небольшие размеры и легкий вес; его недостатки — большой шум и удобство ношения.

Рисунок 4. лист слюды

Переменные конденсаторы с твердым диэлектриком подразделяются на герметичные переменные конденсаторы с одинарным подключением, герметичные переменные конденсаторы с двойным подключением (у него есть два набора ротора, статора и диэлектрика, которые могут вращаться коаксиально и синхронно) и герметичный конденсатор с 4 подключениями переменного тока он имеет четыре набора ротора, статора и диэлектрика).

Герметичные односвязные переменные конденсаторы в основном используются в простых радиоприемниках или электронных приборах; герметичные переменные конденсаторы с двойным соединением используются в транзисторных радиоприемниках и связанных электронных приборах и электронном оборудовании; герметичные конденсаторы переменной емкости с четырьмя подключениями обычно используются в многодиапазонных радиоприемниках AM / FM.

IV Устройство и принцип работы конденсаторов переменной емкости

1. Строение конденсатора переменной емкости

Независимо от типа переменного конденсатора его электроды состоят из двух наборов металлических листов, изолированных друг от друга.Ниже мы используем самый ранний конденсатор переменного тока с воздушным диэлектриком (разновидность конденсатора переменного тока), чтобы проиллюстрировать его структуру и принцип работы: Как показано на рисунке, неподвижная одна из двух групп электродов представляет собой статор. Группа, которая может вращаться, представляет собой ротор, а воздух используется в качестве среды между подвижной пластиной и неподвижной пластиной. Когда подвижная пластина переменного конденсатора с воздушным диэлектриком вращается так, что все подвижные части ввинчиваются в неподвижную пластину, емкость является наибольшей; в противном случае, когда подвижная деталь полностью вывернута из неподвижной пластины, емкость будет наименьшей.

Рисунок 5. Конденсатор воздушный

В практических приложениях подвижные пластины нескольких переменных конденсаторов могут быть установлены на одном вращающемся валу для образования коаксиального переменного конденсатора. Конденсаторы переменной емкости имеют длинную ручку, которую можно регулировать с помощью троса или шкалы. Следовательно, переменный конденсатор воздушной среды делится на воздушный конденсатор переменного тока с одинарным подключением и переменный конденсатор с двойным подключением воздуха.

2.Что делает переменный конденсатор?

Основная роль переменного конденсатора заключается в изменении и регулировке резонансной частоты контура. Он широко используется в настройке и усилении, частотно-селективных колебаниях и других схемах.

(1) Резонансный контур

Рисунок 6. Резонансная цепь

Как показано на рисунке, резонансный контур LC может изменять резонансную частоту, изменяя емкость переменного конденсатора C.Резонансная частота обратно пропорциональна квадрату емкости, и формула имеет следующий вид:

(2) Колебания выбранной частоты

Конденсатор должен быть подключен к генератору, чтобы частоту колебаний можно было плавно регулировать в определенном диапазоне. В схеме хорошего генератора высокочастотного сигнала отрегулируйте односвязный переменный конденсатор C, и частоту выходного сигнала можно изменить по мере необходимости.

Рисунок7. Выбранная частота колебаний

(3) Тюнинг

Часто используется в контуре настройки радио, чтобы сыграть роль при выборе радиостанции. Как показано на рисунке ниже, эта схема представляет собой супергетеродинную схему ступени преобразования радиочастоты. Один из конденсаторов C1a в двойном переменном конденсаторе C1 вмешивается в выходной контур антенны, а другой C1b подключается к гетеродину.Регулировка емкости двух линий C1 может изменить частоту синхронизации приема. C2 и C3 — это подстроечные конденсаторы, которые используются для частотной калибровки входной цепи антенны и цепи гетеродина.

Рисунок 8. Тюнинг

В Подстроечные конденсаторы

Подстроечный конденсатор — это разновидность переменного конденсатора, также называемого полупеременным конденсатором . Он играет роль микронастройки.Он часто используется для точной регулировки емкости, и больше не требуется изменять емкость во время использования. В схеме наиболее важным требованием к подстроечным конденсаторам является поддержание надежности заданной емкости.

Существует много типов подстроечных конденсаторов. В зависимости от диэлектрического материала его можно разделить на воздушных, подстроечных конденсаторов, подстроечных конденсатора с фарфоровой подрезкой, подстроечных конденсатора, подстроечных конденсаторов с органической пленкой и подстроечных конденсаторов слюдяных .Его часто используют в качестве компенсационного или корректирующего конденсатора в различных схемах настройки и колебаний. Емкость можно регулировать в небольшом диапазоне, а конденсатор, который может быть зафиксирован на определенном значении емкости после регулировки, называется подстроечным конденсатором, также называемым полуборочным конденсатором. Когда вы настраиваете подстроечный конденсатор, вы должны изменить расстояние или площадь между двумя пластинами.

Подстроечный конденсатор состоит из двух или двух наборов небольших металлических пластин с диэлектриком, зажатым между ними.На фотографии показана форма переменного конденсатора. Полупеременные конденсаторы обычно не имеют ручек и могут регулироваться только отверткой, поэтому их часто используют в местах, где частая регулировка не требуется. Полупеременные конденсаторы используются в качестве компенсационных или корректирующих конденсаторов в различных схемах настройки и колебаний.

Рисунок 9. Форма конденсатора полупеременной

Подстроечные конденсаторы

можно разделить на керамических подстроечных конденсатора и подстроечных конденсаторов с органической пленкой сек.Керамические подстроечные конденсаторы состоят из двух пластин из серебряного фарфора. Нижняя пластина представляет собой неподвижную пластину, а верхняя пластина — подвижная пластина. Подвижная пластина может вращаться вместе с валом. Поскольку площадь, покрытая серебром на двух пластинах, меньше полукруга, емкость можно изменить при вращении вала. Органические тонкопленочные подстроечные конденсаторы используют полиэфирную пленку в качестве среды, а однослойные или многослойные люминофорные медные листы в качестве неподвижных и подвижных пластин. Объем меньше, чем у подстроечных конденсаторов на фарфоровой основе.

VI Как проверить конденсатор переменной емкости?

Емкость переменного конденсатора, как правило, очень мала и не может быть измерена с помощью мультиметра, но можно судить, есть ли утечка в микросхеме или между подвижной и неподвижной пластинами, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 10. Испытание переменного конденсатора

Расстояние между подвижной пластиной и неподвижной пластиной переменного конденсатора очень мало, и его легко закоротить, прикоснувшись к пластине.Прикосновение переменного конденсатора к микросхеме можно определить с помощью электрического блока мультиметра.

Во время теста вы должны поместить два щупа мультиметра на ротор и статор конденсатора и медленно вращать вал конденсатора вперед и назад. Если стрелка счетчика всегда неподвижна, это означает, что неровности нет. Если при повороте на угол стрелка указывает на ноль Ом, это означает, что пластины здесь соприкасаются. После того, как конденсатор ударяется об пластину, сначала проверьте, одинаково ли расстояние между подвижной пластиной и неподвижной пластиной.Если обнаруживается, что отдельные подвижные или неподвижные пластины перекошены или деформированы, это обычно вызвано воздействием внешних факторов, если они выпрямляются с помощью тонкого лезвия. Если обнаруживается, что один или два набора фиксированных пластин конденсатора все изогнуты или отклонены в одну сторону, это может быть вызвано ослаблением резиновой платы фиксированного кронштейна платы или распайкой припоя на опоре на обоих концах фиксированной пластины. .

Электростатический шум — это серия «дребезжащих» шумов, которые появляются в динамиках радиоприемника, когда вал переменного конденсатора вращается во время настройки радиостанции.Если соединительный провод фиксированной детали припаян и короткого замыкания не обнаружено, мы говорим, что это электростатический шум, вызванный электростатическим эффектом. Когда органический герметичный переменный конденсатор генерирует электростатический шум, вы можете подключить два контакта ротора и статора конденсатора к источнику питания 12 В постоянного тока, а затем несколько раз повернуть ротор, чтобы устранить электростатический шум конденсатора.

Артикул Рекомендуемый:

Введение в танталовые конденсаторы

Принцип работы однофазного асинхронного двигателя

Однофазный асинхронный двигатель состоит из однофазной обмотки, которая установлена ​​на статоре двигателя, и обмотки клетки, размещенной на роторе.Пульсирующее магнитное поле создается, когда на обмотку статора однофазного асинхронного двигателя, показанного ниже, подается однофазное питание.

Слово «Пульсация» означает, что поле, нарастающее в одном направлении, падает до нуля, а затем нарастает в противоположном направлении. В этих условиях ротор асинхронного двигателя не вращается. Следовательно, однофазный асинхронный двигатель не запускается самостоятельно. Это требует специальных пусковых средств.

Если 1 фазная обмотка статора возбуждена и ротор двигателя вращается вспомогательными средствами, а пусковое устройство затем снимается, двигатель продолжает вращаться в том направлении, в котором он был запущен.

Характеристики однофазного асинхронного двигателя анализируются с помощью двух теорий. Один известен как теория двойного вращающегося поля , а другой — теория перекрестного поля . Обе теории схожи и объясняют причину создания крутящего момента при вращении ротора.

Теория двойного вращающегося поля однофазного асинхронного двигателя

Теория двойного вращающегося поля однофазного асинхронного двигателя утверждает, что пульсирующее магнитное поле разделяется на два вращающихся магнитных поля.Они равны по величине, но противоположны по направлениям. Асинхронный двигатель реагирует на каждое из магнитных полей отдельно. Чистый крутящий момент в двигателе равен сумме крутящего момента каждого из двух магнитных полей.

Уравнение переменного магнитного поля имеет вид

Где βmax — максимальное значение плотности потока синусоидально распределенного воздушного зазора, создаваемого правильно распределенной обмоткой статора, по которой проходит переменный ток с частотой ω, а α — пространственный угол смещения, измеренный от оси обмотки статора.

Как известно,

Итак, уравнение (1) можно записать как

Первый член правой части уравнения (2) представляет вращающееся поле, движущееся в положительном направлении α. Это поле известно как поле прямого вращения. Точно так же второй член показывает вращающееся поле, движущееся в отрицательном направлении α и известное как поле обратного вращения.

Направление, в котором первоначально запускается однофазный двигатель, известно как положительное направление.Оба вращающихся поля вращаются с синхронной скоростью. ω _s = 2πf в обратном направлении. Таким образом, пульсирующее магнитное поле разделяется на два вращающихся магнитных поля. Оба они равны по величине и противоположны по направлению, но с одинаковой частотой.

В состоянии покоя наведенные напряжения в результате равны и противоположны; два момента также равны и противоположны. Таким образом, чистый крутящий момент равен нулю, и, следовательно, однофазный асинхронный двигатель не имеет пускового момента.

Работа конденсатора

SMD, полярность, идентификация типов на основе кодов

Конденсатор SMD

— это конденсатор, разработанный с использованием другой технологии. SMD иногда называют SMT, что означает «технология поверхностного монтажа». Эта технология заключается в том, чтобы производить конденсаторы с такой легкостью, что упрощает массовое производство. В этой технологии конденсатор выполнен без проводов. Это позволяет удобно размещать печатные платы (PCB).

С использованием этой технологии разработаны различные типы конденсаторов, а именно керамические и танталовые.Среди керамических — самые распространенные. Простота изготовления снижает конечные затраты на производительность. По соответствующим кодам и конструкции можно определить его вариант. В целом эта технология используется в современных конструкциях из-за ее меньшего размера и гибких соединений. Далее у этой модификации есть свои недостатки. Тем не менее, для достижения эффективных результатов вносятся изменения.

Что такое конденсатор SMD?

Конденсатор, разработанный по «технологии поверхностного монтажа», может называться конденсатором SMD.Вместо выводов в нем используются металлы, обеспечивающие удобные соединения. Из-за этого величина индуктивности меньше. Следовательно, это делает эти конденсаторы более гибкими.

Принцип работы и типы конденсаторов SMD

Конденсатор может быть электролитическим или неэлектролитическим, может быть изготовлен с использованием технологии SMD. Кроме этого, в конструкции не замечено никаких различий. Будет два электрода, разделенных материалом, обладающим изоляционными свойствами.В зависимости от источника питания происходит зарядка и зарядка, а также разрядка конденсатора. Чтобы узнать больше, нажмите, как работает конденсатор?

По типу выбранного «диэлектрического материала» классифицируются различные конденсаторы. Здесь обсуждаются некоторые из наиболее популярных.

1. Керамические конденсаторы поверхностного монтажа

Эти конденсаторы состоят из диэлектрика из керамического материала. Внутри него металлические электроды.В процессе проектирования используется многослойная концепция. Из-за такой структуры значение емкости на единицу объема огромно. С помощью сплава «серебро-палладий» или барьера, первоначально сделанного из серебра и покрытого никелем, и окончательного покрытия из олова. Эти конденсаторы после нанесения покрытия нагреваются до температур от 1100 до 1300 градусов Цельсия. При разработке этих керамических конденсаторов были предприняты определенные методы и меры предосторожности.

2. Электролитические конденсаторы SMD

Технология SMD может применяться к электролитическим конденсаторам. Это делает дизайн и стоимость удобными. Изготовленные можно идентифицировать по нанесенным на них кодам. Он состоит из маркировок, представляющих значения «рабочих напряжений». Функциональность осталась прежней.

3. Танталовые конденсаторы SMD

Для достижения более высокого диапазона емкости предпочтительны танталовые конденсаторы.Он соответствует спецификациям «EIA» с точки зрения конструкции, значения емкости и ее кодирования для определения номинальной емкости конденсатора. На основе этих различных пакетов разработаны.

Эти конденсаторы идентифицируются в соответствии с определенными стандартами, методами маркировки и кодирования.

Коды конденсаторов SMD, полярность, размеры и идентификация

Различается основная классификация конденсаторов, разработанных с учетом полярности.В остальном остальные характеристики не меняются. В электролитических конденсаторах, изготовленных по технологии SMD, соблюдаются определенные правила. В этом случае единицы, называемые микрофарадами, напечатаны прямо на нем. В некоторых случаях эти конденсаторы можно идентифицировать с помощью нанесенных на них кодов. В некоторых случаях коды представлены с использованием алфавитов, основанных на установленных стандартах.

Конденсаторы SMD — электролитические коды

На некоторых конкретных конденсаторах присутствует трехзначный код.В котором последняя цифра рассматривается как множитель. Единицы измерения — фарады. Как уже говорилось ранее, эти конденсаторы не состоят из выводов. Следовательно, конструкция у него компактная. За счет применения различных новейших технологий размер даже минимизируется и становится удобным в соответствии с критериями дизайна различного современного оборудования.

SMD конденсатор-тантал

Рассмотрим приведенный выше пример танталового конденсатора SMD. На нем можно увидеть напечатанное значение емкости.Таким образом, различные номиналы конденсаторов определяются на основе стандарта, которому он соответствует. Иногда он печатается как 33,6, где значение емкости можно определить как 33 мкФ, а число после десятичной точки указывает значение рабочего напряжения.

Использование:

Уменьшенный размер, удобство отсутствия выводов, гибкость с помощью кодирования делают этот конденсатор преобладающим в современных устройствах. По этим причинам эти конденсаторы находят множество практических применений.Однако основные свойства конденсатора, изготовленного по технологии SMD, претерпевают лишь некоторые изменения, а остальные свойства остаются прежними. В приложениях с высокими частотами они предпочтительны.

Керамические конденсаторы более предпочтительны для конденсаторов SMD уменьшенного размера. При его изготовлении используется концепция нескольких слоев. Даже минимизация размеров имеет недостаток. Это затрудняет обращение с ней для подключения. У него есть определенные ограничения, если надавить на него, конденсатор повредится.При проектировании массового оборудования, ориентированного на применение, эти конденсаторы устанавливаются на нем. Но благодаря технологии поверхностного монтажа, конструкция конденсаторов приводит к низкой стоимости.

Наконец, можно сказать, что эта технология имеет широкую область и область применения. Наряду с этим при утилизации конденсаторов также принимаются определенные меры предосторожности и профилактические меры. Дополнительную информацию об этих конденсаторах можно получить в его техническом описании конденсатора SMD.Теперь вы можете идентифицировать различные конденсаторы SMD и отмечать их значения емкости?

Принцип конденсатора | Репетитор 4 по физике

См. Коллекцию из решенных примеров по току и электричеству на нашем сайте
buzztutor.com

Что такое конденсатор

Это устройство, используемое для хранения заряда в электрической цепи.

Ежедневное использование

Для устранения искры в системе зажигания автомобиля. Когда электрический ток
включен или выключен, возникает наведенный ток, который может вызвать искрение.Если поставить конденсатор в
цепь этим током вместо этого заряжает конденсатор, и это предотвратит возникновение искры.

Заряд пропорционален потенциалу

Когда в проводник подается заряд, его потенциал повышается. Если дать проводнику заряд Q
затем его потенциал возрастает. Чем больше заряд, тем больше потенциал. Таким образом, они имеют отношение к каждому
другое и может быть выражено как

Q ∝ V

Это означает, что заряд Q прямо пропорционален потенциалу V или что потенциал прямо пропорционален
пропорционально заряду проводника

Мы можем переписать это как следующее уравнение

Q = C V

Здесь C — емкость проводника

Факторы, определяющие емкость

1.Форма и размер жилы

2. Окружающая среда

3. Наличие прочих проводников

Мы можем переписать уравнение как:

C = Q / V

Где C — заряд, накопленный на единицу повышения потенциала в проводнике

Единица СИ для емкости

Это Фарад

1 Фарад = 1 Кулон / Вольт

или

1 F = 1 перекл. / Об.

Однако Фарад — очень большая единица измерения, поэтому мы используем единицы меньшего размера, такие как

мкФ

что

10 ^-6 F

Емкость изолированного сферического проводника

Рассмотрим емкость изолированного сферического проводника.Скажем, у нас есть сфера радиуса
r и, скажем, заряд Q передается проводнику.

Можно записать, что потенциал

V = Q / 4π Ε ₀ r

Мы знаем, что

C = Q / V

или

Q / V = ​​4π Ε ₀ r

, таким образом, емкость сферического проводника равна

C = 4π Ε ₀ r

Это выражение показывает, что емкость C прямо пропорциональна радиусу
r сферического проводника

Чем больше радиус, тем больше емкость сферического проводника.

Принцип конденсатора

Допустим, у нас есть большая тарелка и мы даем ей положительный заряд

Существует ограничение на количество заряда, которое может быть передано пластине, поскольку
Заряд с учетом его потенциала возрастает, и после определенного предела заряды начинают протекать.

Если мы возьмем другую пластину и поместим ее рядом с этой положительно заряженной пластиной, то отрицательная
заряд будет тянуться к стороне этой пластины, которая ближе к положительно заряженной пластине
а с другой стороны — положительный заряд.

Этот отрицательный заряд на пластине 2 снижает потенциал на пластине 1. На
В то же время положительный заряд на пластине 2 будет пытаться увеличить потенциал пластины 1.
Однако эффект от более близкой стороны пластины 2, удерживающей отрицательный заряд, будет больше.Это приводит к снижению потенциала пластины 1. Итак, теперь
дополнительную плату можно отнести к пластине 1

Теперь заземлим внешнюю сторону второй пластины. Тогда положительный заряд на этой стороне
отправится на Землю. С этой пластиной 1 сможет удерживать еще больше положительного заряда.

Это принцип конденсатора

Типичный конденсатор, представляющий собой конденсатор с параллельными пластинами, состоит из двух параллельных
пластины, разделенные расстоянием d. А — площадь поперечного сечения этих пластин
и если на одну пластину подается заряд + Q, на другой пластине будет заряд -Q.

Как заряжать такой конденсатор? Давайте посмотрим на электрическую схему. Конденсатор C
обозначены двумя параллельными линиями. В схеме также есть батарейка V и выключатель K. При включении ключа
включается, электроны с первой пластины начинают двигаться к положительному полюсу батареи.
Это означает, что ток течет от положительного полюса батареи к отрицательному.

Таким образом, положительный конец батареи будет извлекать электроны из одной пластины и откладывать их на другой.
тарелка.В результате одна пластина приобретет положительный заряд, а другая — отрицательный.
плата. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока конденсатор не приобретет потенциал V
что в точности равно потенциалу аккумулятора. Тогда ток прекратится. Теперь конденсатор
на нем хранится заряд, а разность потенциалов на пластинах точно равна
разность потенциалов на аккумуляторе. Или сохраненный заряд можно записать как

Q = CV

Принцип работы и применение суперконденсатора

(соответствующее видео)

Каталог

Основы

Конструкция суперконденсатора

2. Материалы суперконденсатора

1) Актикарбон

2) Углеродный аэрогель

3) Углеродная нанотрубка

4) Активированное углеродное волокно

5) Графен

6) Металлический оксид

Полимер

3. Типы и принцип работы

) Контроль разрядки) Время

В этом видео обсуждаются основные аспекты суперконденсаторов и их сравнение с батареями.

Введение

Терминология

Суперконденсатор (также называемый суперконденсатором, электрохимическим конденсатором, ультраконденсатором или Goldcap) — это конденсатор большой емкости с более высокими значениями емкости, но более низким пределом напряжения, чем другие конденсаторы, перекрывающие зазор. между электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями. Это электрохимический элемент, разработанный в 1970-1980-х годах для хранения энергии через поляризованные электролиты. Обычно они накапливают в 10-100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы, могут принимать и доставлять заряд намного быстрее, чем батареи, и выдерживают гораздо больше циклов зарядки и разрядки, чем аккумуляторные батареи.

Он отличается от традиционного химического источника питания и представляет собой источник питания, который имеет особые характеристики по сравнению с традиционным конденсатором и батареей и в основном основан на двойном электростатическом слое и псевдоемкости окисления-восстановления для хранения электроэнергии. Но в процессе его накопления энергии не происходит химической реакции, и этот тип накопления энергии обратим.

Суперконденсатор, как новый тип накопителя энергии, который обладает преимуществами быстрой зарядки и разрядки, высокой эффективностью, хорошей стабильностью, долгим сроком службы и т. Д., И является источником экологически чистой зеленой энергии нового типа. зеленой энергии в 21 веке, она имеет большой рыночный потенциал.

Основы суперконденсаторов

1) Структура

Детали структуры суперконденсаторов зависят от их применения. Другими словами, эти материалы могут незначительно отличаться в зависимости от производителя или конкретных требований к применению. Все суперконденсаторы имеют основные общие черты: они содержат положительный электрод, отрицательный электрод и диафрагму между двумя электродами, а электролит заполняет две поры, отделенные от двух электродов и диафрагмы.

Конструкция суперконденсатора, как показано ниже, состоит из пористого электродного материала, токосъемника, пористого сепаратора батареи и электролита. Материал электрода плотно соединен с токосъемником для уменьшения контактного сопротивления; диафрагма должна соответствовать условиям как можно более высокой ионной проводимости и как можно более низкой электронной проводимости, она обычно изготавливается из электронного изоляционного материала, такого как полипропиленовая пленка с волокнистой структурой.Тип электролита выбирается в зависимости от характеристик материала электрода.

1-ПТФЭ носитель

2 и 4: активное вещество на вспененном никелевом коллекторе

3-полипропиленовая мембрана ячейки

Компоненты суперконденсатора могут варьироваться от продукта к продукту. Это определяется геометрической структурой корпуса суперконденсатора. Для призматической или квадратной упаковки внутренняя структура основана на расположении внутренних компонентов, то есть внутренний коллектор выдавливается из пакета каждого электрода, и эти коллекторные площадки будут приварены к клемме, чтобы продлить путь тока за пределы конденсатор.

Для круглой или цилиндрической упаковки электроды нарезаются катушкой. Наконец, электродная фольга приваривается к выводу, чтобы расширить путь внешней емкости для тока.

2) Материалы суперконденсаторов

В настоящее время углеродные материалы в основном используются в качестве электродных материалов суперконденсаторов. На рынке это в основном материалы из активированного угля, поскольку из-за более низкой стоимости и высокой удельной поверхности активированного угля это характеристики, которыми должен обладать электродный материал суперконденсатора.Однако проводимость активированного угля является общей, а микроструктура в основном представлена ​​микропорами, поэтому в электролите будет большое сопротивление, процесс погружения электрода в электролит будет относительно медленным, либо процесс хранения и передачи начислений. Но его стоимость невысока, он в основном соответствует требованиям рынка, поэтому он используется в качестве основного материала конденсатора на рынке, хотя другие углеродные материалы имеют хорошие характеристики, но их стоимость выше, поэтому они не используются в коммерческих целях.Таким образом, электродные материалы с хорошими характеристиками и низкой стоимостью в настоящее время являются основным направлением в области суперконденсаторов. Одним словом, имеет большое значение улучшение суперконденсаторов с превосходными характеристиками и низкой стоимостью, в такой ситуации суперконденсаторы могут широко использоваться на рынке.

До сих пор углеродные материалы, используемые для изучения и исследования электродных материалов для суперконденсаторов, включают активированный уголь, углеродный аэрогель, углеродные нанотрубки, стеклоуглерод, графен, углеродное волокно и композиты углерод / углерод.Из-за низкой цены углеродного сырья, большой площади поверхности он подходит для массового производства. Однако материалы электродов из чистого углерода не обладают высокой удельной емкостью, которую необходимо модифицировать.

1. Acticarbon

Для материалов с активированным углем при различных методах обработки будут производиться разные активированные угли с различной удельной площадью поверхности, которая может достигать 1000 ~ 3000 м2 / г, и иметь разные пустоты с широким диапазоном размеров пор. простой производственный процесс и невысокая стоимость.Его можно получить из асфальта, скорлупы растений, нефтяного кокса, каучука и другого сырья. И это промышленный электродный материал для суперконденсаторов. Активированный уголь можно активировать различными способами, и сегодня в основном используются физическая активация и химическая активация.

2. Углеродный аэрогель

Углеродный аэрогель представляет собой сшитый сетчатый углеродный материал с пористыми свойствами. Его преимущества включают хорошую проводимость, большую площадь поверхности, высокую пористость и широкое распределение пор по размерам.Углеродный аэрогель — единственный аэрогель с высокой проводимостью. Например, наноуглеродные материалы, один из углеродных материалов с большим диапазоном плотности, хорошей пористостью и легким весом, а между тем, его распределение пор и размер частиц можно контролировать, регулируя параметры процесса.

3. Углеродная нанотрубка

Углеродная нанотрубка представляет собой гексагональный углеродный материал, похожий на графит. Многослойная трубка с микроперфорации: два ее конца закрыты, диаметр составляет несколько десятков нанометров, а расстояние между слоями немного больше, чем у графитового слоя.Из-за требований к материалу электродов суперконденсатора материал углеродных нанотрубок очень подходит для использования в качестве материала электродов, потому что структура углеродных нанотрубок представляет собой полую трубку, площадь поверхности большая, особенно углеродная нанотрубка. с очень тонкими стенками удельная поверхность больше, что очень полезно для хранения электрического двухслойного конденсатора. Если эту углеродную нанотрубку превратить в электрод, также предусмотрено специальное отверстие, структура отверстий образована между трубками, отверстия соединены друг с другом, и отсутствует ситуация закупоривания, что очень важно для потока электролит, когда он используется в качестве электрода.И такого рода отверстия от намотанной друг на друга трубки не будут слишком маленькими, как правило, принадлежат мезопоре, это сделает внутреннее сопротивление электрода очень низким, которое требуется для электрода суперконденсатора. В настоящее время исследования углеродных нанотрубок в качестве электродных материалов для суперконденсаторов в основном сосредоточены на прямом применении углеродных нанотрубок в суперконденсаторах или на сочетании углеродных нанотрубок и других материалов в качестве суперконденсаторов.

4. Активированное углеродное волокно

Активированное углеродное волокно (ACF) — это вид экологически чистого материала, который обладает лучшими адсорбционными характеристиками, чем активированный уголь.Ткань из активированного углеродного волокна с большой удельной поверхностью, полученная из ACF, успешно используется в коммерческих электродных материалах.

5. Графен

Многие исследователи во всем мире изучают графен в течение длительного времени. Потому что графен имеет много характеристик, которых нет у других материалов. Его основные преимущества включают хорошую электропроводность, большую площадь поверхности, низкую плотность, особую теплопроводность и оптические свойства, высокие механические свойства и т. Д. — это требования к материалу электродов идеального суперконденсатора.Существует множество методов получения графена, в том числе удаление ленты, разложение SiC, восстановление окисленного графита и так далее. В настоящее время наиболее широко используется окислительно-восстановительный метод. Графен, полученный этим методом, обладает такими преимуществами, как высокий выход, хорошее качество и относительно простой процесс. Однако у этого метода есть и недостатки, например, оксид графена после сильного окислителя нелегко полностью восстановить, более того, восстановитель обычно может быть высокотоксичным.

6.Оксид металла

Оксид металла — это вид материала, который используется в суперконденсаторах помимо углеродного материала. Его хранение отличается от хранения углеродного материала. Он в основном использует принцип квазиемкости Фарадея, который намного больше, чем конденсатор с двойным слоем. Квазиемкость Фарадея объясняет сильно обратимую химическую реакцию адсорбции-десорбции или окислительно-восстановительную реакцию, которая может происходить на границе раздела между электродами или внутри электродов. Значения емкости электродов конденсаторов, изготовленных из этого материала, больше, чем у двухслойных конденсаторов.

7. Проводящий полимер

Проводящие полимерные материалы — это еще одна категория электродных материалов для суперконденсаторов, и их теория конденсаторов в основном основана на принципе конденсатора Фарадея. После изготовления электродов из материалов такого типа небольшая часть емкости двойного слоя возникает на границе раздела электродного раствора, более обратимой является окислительно-восстановительная реакция, основанная на принципе Фарадея. Поскольку проводящий полимер обладает пластичностью, легко изготавливать тонкослойный электрод с низким внутренним сопротивлением и низкой стоимостью.

3) Типы и принцип работы

Для суперконденсаторов существуют разные методы классификации в зависимости от различного содержания.

Во-первых, в соответствии с различным механизмом накопления энергии суперконденсаторы можно разделить на конденсаторы с двойным электрическим слоем и квазиконденсаторы Фарадея. Среди них конденсаторы с двойным электрическим слоем в основном генерируются за счет адсорбции чистого электростатического заряда на поверхности электрода для выработки энергии хранения.Емкость квазиконденсаторов Фарадея в основном создается за счет обратимых окислительно-восстановительных реакций на поверхности и вблизи поверхности активных электродных материалов (таких как оксиды переходных металлов и материалы с высоким содержанием полимеров) для накопления и преобразования энергии.

Во-вторых, по типу электролита его можно разделить на два типа: суперконденсатор водяной системы и органический суперконденсатор.

Кроме того, по типу активных материалов его можно разделить на симметричные суперконденсаторы и асимметричные суперконденсаторы.

Наконец, по состоянию электролита его можно разделить на суперконденсаторы с твердым электролитом и суперконденсаторы с жидким электролитом.

Принцип работы суперконденсаторов заключается в использовании структуры с двойным электрическим слоем, состоящей из пористого электрода с активированным углем и электролита для получения сверхмощной емкости.

Принцип работы конденсатора с двойным электрическим слоем и квазиконденсатора Фарадея будет объяснен ниже.

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем: он создается за счет конфронтации заряда на границе раздела электрод / раствор за счет направленного выравнивания электронов или ионов.Для системы электрод / раствор на границе раздела между электронопроводящим электродом и раствором ионно-проводящего электролита формируется двойной электрический слой. В частности, когда электрическое поле прикладывается к двум электродам, анион и катионы в растворе мигрируют к положительному и отрицательному электродам соответственно, тогда на поверхности электрода образуется двойной электрический слой. После снятия электрического поля положительный и отрицательный заряд на электроде притягивается к противоположно заряженному иону в растворе, и двойной слой стабилизируется, что приводит к относительно стабильной разности потенциалов между положительным и отрицательным электродами.В этот момент для определенного электрода, на определенном расстоянии (дисперсионный слой), гетеросексуальный ионный заряд создается в том же количестве, что и заряд на электроде, чтобы сохранять электрическую нейтральность. Когда два полюса соединены с внешней цепью, перенос заряда на электроде приводит к генерации электрического тока во внешней цепи, а ионы в растворе мигрируют, отражая электрическую нейтральность, что является принципом заряда и разряда двойного конденсатор электрического слоя.

2. Квазиконденсатор Фарадея: теория была впервые предложена Конвеем. На поверхности электрода и рядом с ней или в двумерном или квазидвумерном пространстве в объемной фазе электроактивные вещества имеют пониженное потенциальное осаждение за счет обратимой химической адсорбции-десорбции и окислительно-восстановительной реакции, в результате чего конденсаторы связаны с зарядовый потенциал электрода. Для квазиконденсаторов Фарадея процесс накопления заряда включает не только накопление на двойном электрическом слое, но также включает окислительно-восстановительную реакцию между ионами электролита и активными веществами электрода.Когда ионы в электролите (например, H +, OH-, K + или Li +) из раствора распространяются на поверхность раздела электрод / раствор под действием внешнего электрического поля, в электроде сохраняется большой заряд в результате окислительно-восстановительной реакции. Во время разряда эти ионы возвращаются в электролит в результате обратимой окислительно-восстановительной реакции, а накопленный заряд будет выпущен через внешнюю цепь. Это механизм зарядки и разрядки квазиконденсатора Фарадея.

Суперконденсаторы Преимущества и недостатки

Преимущества

1) Скорость зарядки высокая, и заряд может достигать 95% своей номинальной емкости за 10 секунд ~ 10 минут.

2) Длительный срок службы, время цикла полной зарядки и разрядки может достигать 1 ~ 500000 раз.

3) Сильная разрядная способность при большом токе, высокое преобразование энергии, небольшие потери, эффективность энергетического цикла при большом токе ≥ 90%.

4) Высокая удельная мощность, до 300 Вт / кг ~ 5000 Вт / кг, эквивалентна 5-10-кратному увеличению емкости аккумулятора.

5) Отсутствие загрязнения в составе сырья продукта, процессах производства, использования, хранения и разборки, суперконденсатор является идеальным и эхо-электрическим компонентом.

6) Простая схема зарядки и разрядки, противоположная перезаряжаемой батарее, очень безопасна, не требует обслуживания при длительном использовании.

7) Характеристики хорошие при сверхнизких температурах, диапазон температур -40 ℃ ~ + 70 ℃.

8) Легко обнаружить, а оставшееся количество электроэнергии можно считывать напрямую.

9) Диапазон производительности обычно составляет 0,1-1000 футов.

10) Очень маленький объем может достичь емкости класса Фарах.

11) Нет необходимости в специальных схемах управления зарядкой и разрядкой.

12) Перезарядка не оказывает отрицательного влияния на срок службы суперконденсатора по сравнению с батареями.

13) Суперконденсаторы можно сваривать, чтобы решить проблему нестабильности батарей.

Недостатки

1) Если он не используется должным образом, это вызовет утечку электролита и т. Д.

2) По сравнению с алюминиевым электролитическим конденсатором, его внутреннее сопротивление больше, поэтому его нельзя использовать в цепи переменного тока.

«Супер» что значит?

1.Суперконденсаторы можно рассматривать как две нереактивные, но активные пористые электродные пластины, подвешенные в электролите. Заряжая электродную пластину, положительная пластина притягивает отрицательные ионы в электролите, а отрицательная пластина притягивает положительный ион, который фактически образует два емкостных накопительных слоя. Отделенный положительный ион находится рядом с отрицательной пластиной, а отрицательный ион — рядом с положительной пластиной.

2. Суперконденсатор накапливает энергию в разделенном заряде. Чем больше площадь, используемая для хранения заряда, тем плотнее заряд, тем больше емкость.

3. Площадь традиционного конденсатора — это площадь проводящей пластины. Чтобы получить большую емкость, материал проводника очень долго скручивают, иногда со специальной структурой для увеличения площади поверхности. Кроме того, в традиционных конденсаторах используются изоляционные материалы для разделения полярных пластин, как правило, пластиковая пленка, бумага и т. Д., Для этих материалов обычно требуются как можно более тонкие.

4. Площадь суперконденсатора основана на пористом углеродном материале.Пористая структура суперконденсатора позволяет его площадь достигать 2000 м2 / г, что позволяет достичь большей площади поверхности за счет некоторых мер. Расстояние, на котором разнесены заряды суперконденсатора, определяется размером иона электролита, притянутого к заряженному электроду. Более того, суперконденсаторы могут достигать меньшего расстояния по сравнению с традиционными пленочными материалами конденсаторов.

5. Благодаря большой площади поверхности и очень малому расстоянию разделения зарядов суперконденсаторы обладают удивительной электростатической емкостью по сравнению с обычными конденсаторами.

Контроль разрядки суперконденсатора

1) Разрядка

Сопротивление суперконденсатора препятствует его быстрой разрядке. Постоянная времени суперконденсатора τ составляет 1 ~ 2 с, а для полного разряда цепи сопротивление-емкость требуется около 5τ. То есть, если разряд короткого замыкания занимает около 5 ~ 10 с (из-за особой конструкции электрода, фактически требуется несколько часов, чтобы полностью удалить оставшийся заряд).

2) Время управления

Суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться быстро, а пиковые токи ограничиваются их внутренним сопротивлением, даже короткие замыкания не имеют большого значения. На самом деле это зависит от объема конденсаторного блока. Для согласования нагрузок маленький блок можно разместить на 10 А, а большой элемент — на 1000 А. Еще одним ограничивающим фактором скорости разряда является тепло. Частые повторные разряды повышают температуру конденсатора и в конечном итоге приводят к обрыву цепи.

Выбор суперконденсатора

Требования к мощности, время разрядки и систематическое изменение напряжения играют решающую роль при выборе суперконденсаторов. Падение выходного напряжения суперконденсатора состоит из двух частей: одна — это энергия, выделяемая суперконденсатором, другая — вызвано внутренним сопротивлением суперконденсатора. Кроме того, две части, на которые приходится больше всего времени. В случае очень быстрого импульса внутреннее сопротивление является основной частью, тогда как в случае длительного разряда внутреннее сопротивление является основной частью.

Устройство

Устройство: F

1F = 1C / 1V

1C = 1A · S

Разряд батареи 12 В / 14 А = 14 * 3600 * 1/12 = 4200F, (Примечание: батарея 12 В / 14 А рассчитана на соединены последовательно шестью батареями 2 В / 14 А. Если эти батареи были подключены параллельно, оно будет равно 2 В / 84 А.

Выбор электрических параметров

Следующие основные параметры определяют размер выбранного конденсатора:

1) максимум рабочее напряжение

2) рабочее напряжение отключения

3) средний ток разряда

4) время разряда

Внимание

1.Суперконденсаторы имеют фиксированную полярность, которую необходимо подтвердить перед использованием.

2. Следует использовать при номинальном напряжении. Когда напряжение конденсатора превышает номинальное, это приведет к разложению электролита, при этом конденсатор нагреется, емкость уменьшится, а внутреннее сопротивление увеличится, срок службы сократится, а в некоторых случаях конденсатор работает неправильно.

3. Нельзя применять в высокочастотной цепи зарядки и разрядки.Высокая частота быстрой зарядки и разрядки приведет к внутреннему выделению тепла в конденсаторе, уменьшению емкости, увеличению внутреннего сопротивления, что в некоторых случаях приведет к нарушению нормальной работы.

4. Температура окружающей среды также оказывает большое влияние на срок службы. Конденсатор должен находиться как можно дальше от источника тепла.

5. Падение напряжения при использовании в качестве резервного источника питания. Из-за большого внутреннего сопротивления суперконденсаторов в момент разряда возникает падение напряжения Δ V = IR.

6. Не находится в местах с относительной влажностью более 85% или с токсичными газами. Эти условия будут способствовать коррозии выводов и корпуса конденсатора, что приведет к разрыву цепи.

7. Нельзя размещать в среде с высокой температурой и высокой влажностью. Его следует проводить при температуре от -30 ℃ до +50 ℃ и относительной влажности менее 60%, чтобы избежать резкого изменения температуры, которое может привести к повреждению компонентов.

8. При использовании на двусторонних печатных платах соединения не должны проходить через конденсаторы.Из-за установки суперконденсатора, если конденсатор рядом с проводкой сжимается, это вызовет явление короткого замыкания.

9. Когда конденсатор приварен к печатной плате, корпус конденсатора не должен контактировать с печатной платой. В противном случае припой просочится в перфорированное отверстие конденсатора, что повлияет на работу конденсатора.

10. После установки суперконденсатора не наклоняйте и не поворачивайте конденсатор наугад. В противном случае это приведет к ослаблению проводов конденсатора и ухудшению его характеристик.

11. Избегайте перегрева конденсатора во время сварки. Если конденсатор перегреется во время сварки, срок службы конденсатора сократится. Например, при использовании печатной платы толщиной 1,6 мм температура процесса сварки должна составлять 260 ℃, а время пайки одного контракта не должно превышать 5 с.

12. После сварки конденсатора монтажную плату и конденсатор необходимо очистить, так как некоторые загрязнения могут вызвать короткое замыкание конденсатора.

13. Суперконденсатор должен иметь последовательное соединение. По техническим причинам номинальное рабочее напряжение униполярного суперконденсатора обычно составляет около 2,8 В, поэтому в большинстве случаев необходимо использовать его последовательно. Поскольку трудно гарантировать одинаковую емкость каждого блока в последовательной цепи, либо утечка каждого блока, что приведет к разному напряжению заряда каждой ячейки в последовательном контуре, что в конечном итоге приведет к повреждению конденсатора из-за перенапряжения. Следовательно, к суперконденсатору последовательно необходимо подключить схему эквалайзера.Когда суперконденсаторы используются последовательно, возникает проблема баланса напряжений между блоками, простая серия суперконденсаторов может вызвать перенапряжение на одном или нескольких отдельных конденсаторах, что приведет к повреждению этих конденсаторов и ухудшит общую производительность. Поэтому при последовательном использовании конденсаторов необходимо получить техническую поддержку от производителей конденсаторов.

Prospect of Supercapacitors

Наиболее многообещающим будущим суперконденсаторов является сочетание двухуровневого интерфейса зарядки с существующими технологиями накопления энергии.Добавляя ЕС-технологию в приложения для топливных элементов, компании добились успеха в быстром улучшении характеристик цикла зарядки / разрядки гибридных и электрических транспортных средств. Во многих городах, использующих гибридные технологии для общественного транспорта, также наблюдается улучшение общих циклов накопления энергии и заряда при соединении своих энергетических систем с такими вещами, как стартеры двигателей на основе суперконденсаторов и зарядные станции.

Ближайшее будущее применение суперконденсаторов — накопление энергии и быстрая зарядка.Многие приложения этого типа уже вышли на рынок и меняют наше представление о хранении энергии.

Реализация коммерчески жизнеспособной автономной суперконденсаторной батареи может быть отложена в будущем. Тем не менее, применение суперконденсаторов, которые были достигнуты, являются захватывающей реализацией части вековой технологии, которая со временем становится только лучше.

Как только ученые совершат прорыв в технологии суперконденсаторов, новая энергетическая промышленность может быть в значительной степени стимулирована разработкой суперконденсаторов.

Приложение

1） Авто поле

В автомобильной промышленности применение интеллектуальной системы управления пуском и остановом (легкая гибридная система питания) обеспечивает широкую основу для суперконденсаторов, особенно в подключаемых гибридных транспортных средствах. Процесс разряда аккумулятора сильно варьируется из-за частого запуска и остановки электромобиля. А при обычной езде средняя мощность электромобиля от аккумулятора очень мала, но пиковое значение ускорения и набора высоты довольно велико.

Согласно существующей технологии аккумуляторов электромобилей, аккумуляторная батарея должна обеспечивать баланс между удельной энергией и удельным энергопотреблением, а также сроком службы. Но одновременно в одной энергосистеме сложно достичь высокой удельной энергии, высокой удельной мощности и длительного срока службы.

Чтобы разрешить противоречие между пробегом и ускорением подъема электромобиля, следует принять две энергетические системы. Основная энергия может улучшить оптимальный диапазон движения, а вспомогательная энергия может обеспечить кратковременную вспомогательную мощность при ускорении и подъеме.Вспомогательная энергетическая система может напрямую потреблять свою собственную энергию или также может восстанавливать возобновляемую кинетическую энергию, когда электромобиль тормозит и спускается с горы, и выбирает суперконденсатор в качестве вспомогательной энергии.

В краткосрочной перспективе удельная энергия суперконденсатора делает невозможным его использование только в качестве энергетической системы электромобиля, но он имеет значительные преимущества в качестве вспомогательного источника энергии. Лучшая комбинация, используемая в электромобилях, — это гибридно-энергетическая система аккумулятор-суперконденсатор, но эта система требует отдельной удельной энергии и удельной мощности батареи.

Суперконденсатор имеет функцию балансировки нагрузки. Ток разряда батареи снижает, что значительно увеличивает доступную энергоэффективность батареи и ее срок службы. По сравнению с аккумулятором суперконденсатор может быстро и эффективно поглощать регенеративную кинетическую энергию, генерируемую при торможении электромобиля. Баланс нагрузки суперконденсаторов и рекуперация энергии значительно увеличивают пробег автомобиля. Однако для достижения этой цели система должна выполнять комплексное управление и оптимизацию для батареи, суперконденсатора, двигателя и инвертора мощности, кроме того, конструкция преобразователя мощности и его контроллер должны полностью учитывать согласование между двигателем и суперконденсатором.

2） Другие области

При разработке суперконденсаторов в течение десятков лет микроконденсаторы широко использовались в небольших механических устройствах, таких как компьютерные системы памяти, камеры, звуковое оборудование и вспомогательные электрические устройства с прерывистым режимом работы. Столбчатые суперконденсаторы большого размера в основном используются в автомобильной промышленности и в сфере сбора энергии. Таким образом, в будущем суперконденсаторы станут важной частью транспортной отрасли и сбора естественной энергии.

1) Суперконденсаторы большого размера (125 В) могут использоваться в тормозных системах поездов и метро, ​​а также могут обеспечивать энергией грузовые автомобили; суперконденсаторы среднего размера (75 В) могут быть использованы в сборе солнечной энергии, поскольку они способны работать при высоких температурах; В автомобилях используются суперконденсаторы на 48В; малогабаритные суперконденсаторы (в пределах 2,7 В) в значительной степени способствуют непрерывному питанию средств связи и хранению резервного питания в системах памяти компьютеров.

2) Низкое сопротивление суперконденсаторов сегодня важно для многих мощных приложений. Для быстрой зарядки и разрядки более низкое ESR суперконденсатора означает большую выходную мощность: несколько секунд для зарядки и несколько минут для разрядки. Например, он подходит для электроинструментов и игрушек.

3) В системах ИБП суперконденсаторы обеспечивают мгновенную выходную мощность в качестве дополнения к двигателю двигателя или другим устройствам бесперебойной системы.

4) В качестве поддержки питания, когда шина переключается с одного источника питания на другой.

5) Благодаря малому току, длительному непрерывному разряду, который можно использовать в качестве резервного источника питания памяти компьютера.

6) Импульсные приложения переходной мощности, важная память, кратковременная поддержка питания системы памяти.

В области сбора естественной энергии ветровая энергия не обходится без гидравлической системы или аккумулятора. Поскольку каждый раз, когда вентилятор генератора останавливается, внутренняя турбина регулирует лопасти в определенное положение, этот процесс называется системой управления ветром с переменным шагом при производстве энергии ветра, а электричество, необходимое во время работы, подается гидравлической системой или аккумулятор.Что касается аккумуляторов, то периодическая интенсивность работы и постоянная нагрузка значительно сократят срок их службы. По этой причине каждые несколько лет требуется обнаружение каждой ветряной турбины, поэтому обслуживание и замена батарей обходятся дорого. Для мощных суперконденсаторов, обладающих характеристиками быстрой зарядки и разрядки и длительного срока службы, он может заменить батарею для выполнения этой работы. Хотя в более ранний период стоимость высока, стоимость частого обслуживания и замены батареи будет снижена, а интенсивность работы устройств может быть снижена по сравнению с батареями.

Дополнение к суперконденсаторам

«Могут ли суперконденсаторы превзойти батареи для хранения энергии?»

Суперконденсаторы имеют много преимуществ:

A. Низкое последовательное последовательное сопротивление (ESR) и удельная мощность более чем в десять раз выше, чем у литий-ионного аккумулятора, который подходит для сильноточного разряда. (Конденсатор 4,7 Ф может высвободить мгновенный ток более 18 А).

B. Сверхдлительный срок службы, заряда и разряда более 500000 раз, в 500 раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов, в 1000 раз больше, чем у Ni-MH и Ni-Cd аккумуляторов.Если суперконденсатор заряжается и разряжается 20 раз в день, его можно использовать непрерывно в течение 68 лет.

C. Сильноточная зарядка, короткое время зарядки и разрядки, простая схема зарядки, отсутствие эффекта памяти.

D. Не требующий обслуживания, герметичный

E. Температурный диапазон суперконденсатора составляет -40 ℃ ~ + 70 ℃, а стандартная батарея составляет -20 ℃ ~ + 60 ℃.

F. Суперконденсаторы могут быть последовательными и параллельными в комплект суперконденсаторов, который может выдерживать напряжение и сохранять большую емкость.

Достижения в области суперконденсаторов предоставляют лучшие, чем когда-либо, варианты хранения энергии.В некоторых случаях они могут конкурировать с более популярными батареями, чтобы выйти на более широкий рынок.

1) В некоторых приложениях суперконденсаторы превосходят батареи. Это лучший способ совместить характеристики мощности конденсатора с аккумулятором высокой энергии.

2) Суперконденсатор можно заряжать до любого потенциала в пределах его номинального диапазона напряжений и полностью разряжать. в то время как батарея ограничена более узким диапазоном напряжения из-за своей собственной химической реакции, и переразряд может привести к необратимому повреждению.

3) Состояние заряда (SOC) суперконденсатора и напряжение составляют простую функцию, но состояние заряда батареи включает различные сложные преобразования.

4) Суперконденсаторы могут хранить больше энергии, чем обычные конденсаторы, а батареи могут хранить больше энергии, чем суперконденсаторы того же объема. Но в некоторых приложениях, где мощность определяет размер устройств хранения энергии, суперконденсаторы могут быть лучшим вариантом.

5) Суперконденсаторы могут многократно передавать импульсы энергии без каких-либо негативных последствий, наоборот, если батареи повторяют это многократно, их срок службы значительно сокращается.

6) Суперконденсаторы можно заряжать быстро, но батареи могут быть повреждены при быстрой зарядке.

7) Суперконденсаторы можно заряжать и разряжать сотни тысяч раз, в то время как батарея имеет всего несколько сотен циклов.

Новости, связанные с суперконденсаторами

Устройства, называемые суперконденсаторами, в последнее время стали привлекательными формами хранения энергии: они перезаряжаются за секунды, имеют очень долгий срок службы, работают со 100-процентным КПД, намного легче и менее летучие, чем батареи.Но они страдают от низкой емкости хранения энергии и других недостатков, что означает, что они в основном служат в качестве резервных источников энергии для таких вещей, как электромобили, технологии возобновляемых источников энергии и потребительские устройства.
Но дочерняя компания MIT FastCAP Systems разрабатывает ультрапленочных конденсаторов и системы на основе суперконденсаторов, которые предлагают большую плотность энергии и другие достижения. Эта технология открыла новые возможности использования устройств во многих отраслях промышленности, в том числе в экстремальных условиях.

Согласно исследованиям Массачусетского технологического института, суперконденсаторы FastCAP накапливают до 10 раз больше энергии и имеют в 10 раз большую удельную мощность по сравнению с коммерческими аналогами. Они также являются единственными коммерческими суперконденсаторами, способными выдерживать температуры, достигающие от 300 градусов Цельсия до минус 110 градусов Цельсия, что позволяет им выдерживать условия, характерные для бурения скважин и космического пространства. Совсем недавно компания разработала суперконденсатор размером с батарею AA с преимуществами своих более крупных моделей, поэтому клиенты могут размещать устройства в местах, где раньше суперконденсаторы не могли поместиться.

Компания FastCAP, основанная в 2008 году, уже внедрила свои технологии в нефтегазовую промышленность и теперь нацелена на аэрокосмическую и оборонную промышленность и, в конечном итоге, на электрические, гибридные автомобили и даже автомобили на топливных элементах. «На нашем долгосрочном рынке продуктов мы надеемся, что сможем повлиять на транспортную отрасль для повышения энергоэффективности

MOSFET Основы, принцип работы, применения и преимущества

Автор усовершенствовал эту статью 17 января 2020 г.

Аннотация

Поскольку MOSFET широко используется сегодня, необходимо понять, как работает MOSFET, и его базовые знания.Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET) — это полевой транзистор (FET), который может широко использоваться в аналоговых и цифровых схемах. По полярности своего «канала» (рабочей несущей) MOSFET можно разделить на два типа: «N-тип» и «P-тип», которые также называются NMOSFET и PMOSFET или NMOS и PMOS. Чтобы узнать о нем больше, мы должны узнать о его принципе работы, основных конструкциях и других деталях.

Каталог

5 Принцип работы полевого МОП-транзистора

I Введение

Металлооксидный полупроводниковый транзистор (полевой транзистор MOS) -эффектный транзистор (FET), который может широко использоваться в аналоговых и цифровых схемах. С точки зрения наименования MOSFET создается неправильное впечатление, что первая буква M, обозначающая «металл» в MOSFET, отсутствует в большинстве современных компонентов такого рода.Электрод затвора ранних MOSFET использовал металл в качестве материала, но с развитием полупроводниковой технологии поликремний заменил металл в качестве материала электрода затвора MOSFET. Что касается процессоров, то поликремниевые ворота больше не являются основной технологией. Металл снова используется в воротах после того, как Intel использовала процессор P1266 с шириной линии 45 нм.

MOSFET — это концептуально «полевой транзистор с изолированным затвором» (IGFET). Изолятором затвора IGFET может быть оксидный слой, используемый другими веществами, а не MOSFET.Некоторые люди предпочитают IGFET, когда речь идет о полевых транзисторах с поликремниевыми затворами, но большинство из этих IGFET относятся к MOSFET.

Основы MOSFET

Сегодня кремний является предпочтительным материалом для полупроводниковых компонентов, но некоторые полупроводниковые компании разработали процессы с использованием других полупроводниковых материалов, самым известным из которых является кремний-германиевый процесс (процесс SiGe), разработанный IBM с использованием смесь кремния и германия. К сожалению, многие полупроводниковые материалы с хорошими электрическими свойствами, такие как арсенид галлия (GaAs), не могут быть использованы для изготовления компонентов полевого МОП-транзистора, поскольку они не могут образовывать достаточно оксидного слоя на поверхности.

Когда между затвором и истоком полевого МОП-транзистора приложена достаточно большая разность потенциалов, электрическое поле формирует индуктивный заряд на поверхности полупроводника под слоем оксида, и образуется так называемый «инверсионный канал». Полярность канала такая же, как у источника. Если предположить, что сток и исток относятся к N-типу, тогда канал также будет N-типом. После того, как канал сформирован, полевые МОП-транзисторы могут пропускать ток. В зависимости от напряжения, приложенного к затвору, ток, который может протекать через канал полевого МОП-транзистора, также контролируется полевым МОП-транзистором.

MOSFET — это разновидность униполярного полупроводникового устройства, управляемого напряжением. Входной импеданс затвора по постоянному току чрезвычайно высок. Он имеет характеристики низкой мощности привода, высокой скорости переключения, отсутствия вторичного пробоя, большой безопасной зоны и частоты переключения выше 500 кГц, поэтому он особенно подходит для высокочастотных устройств. Однако MOSFET может использоваться только в устройствах средней и малой мощности из-за его малой емкости по току и низкого сопротивления напряжению.

II Структура полевого МОП-транзистора

Структура полевого МОП-транзистора

1.Источник : Источник основных носителей (P-дырка, N-электрон)

2. Сток : Конечные точки, которые принимают эти основные носители

3. Ворота: Композит из поликремния. Принимайте положительное напряжение на NMOSFET и отрицательное напряжение на PMOSFET

4. Объем / корпус: Его можно разделить на легирование полупроводников типа P и легирование полупроводников N типа в основе.

Структура N-канального MOSFET

В качестве примера возьмите изображение выше.На рисунке представлена ​​базовая структурная схема типичного плоского N-канального усовершенствованного NMOSFET. Он использует кремниевый полупроводниковый материал P-типа в качестве подложки, рассеивает две области N-типа на своей поверхности, а затем покрывает их слоем изолятора SiO2. Наконец, в N-области в результате коррозии проделываются два отверстия. Три электрода были изготовлены путем металлизации на изолирующем слое и в двух отверстиях: затвор (G), исток (S), сток (D). Из рисунка видно, что затвор изолирован от стока и истока.Между D и S есть два PN-перехода. В общем, подложка и источник соединены внутри, что эквивалентно PN-переходу между D и S. Для улучшения характеристик некоторых параметров, таких как увеличение рабочего тока , увеличивая рабочее напряжение, уменьшая сопротивление в открытом состоянии, улучшая характеристики переключения и так далее, существуют различные структуры и процессы для формирования так называемой структуры VMOS / DMOS / TMOS. Хотя есть разные конструкции, принцип их работы практически одинаков.

III Схема S символ полевого МОП-транзистора

Символы схем, обычно используемых в полевых МОП-транзисторах, могут быть различными. Наиболее распространенная конструкция представляет канал в виде прямой линии, двух линий, перпендикулярных каналу, для представления истока и стока, и параллельной и более короткой линии слева, представляющей затвор. Иногда линия, представляющая канал, заменяется пунктирной линией, чтобы различить MOSFET в режиме улучшения или MOSFET в режиме истощения.Кроме того, он делится на два типа: NMOSFET и PMOSFET. Обозначения схем показаны на рисунке ниже. Поскольку полевой МОП-транзистор на ИС-микросхеме представляет собой компонент с четырьмя выводами, в дополнение к затвору, истоку и стоку имеется также основание (основная часть). В символе схемы полевого МОП-транзистора стрелка, идущая от канала вправо, может представлять полевые МОП-транзисторы типа N или P. Направление стрелки всегда указывает от конца P к концу N, поэтому стрелка указывает от канала к основанию MOSFET P-типа, или PMOS.Напротив, если стрелка указывает от объема к каналу, то объем является P-типом, а канал — N-типом, что называется NMOS. В обычных компонентах распределенных полевых МОП-транзисторов (дискретное устройство) основная часть обычно подключается к источнику, поэтому распределенный полевой МОП-транзистор обычно представляет собой трехконтактный компонент. MOSFET в интегральной схеме обычно использует общий объем, чтобы не было отметки полярности базы, но добавляет дополнительный кружок к затвору PMOS, чтобы показать разницу.Таким образом, полевой МОП-транзистор имеет четыре типа часов: режим расширения P-канала, режим истощения P-канала, режим расширения N-канала и режим истощения N-канала. Их обозначения цепей и кривые прикладных характеристик показаны на следующем рисунке.

Обозначение цепи

IV Принцип работы полевого МОП-транзистора

Структура металл-окисление-полупроводник структурно сконцентрирована на емкости металл-оксид-полупроводниковый (как упоминалось выше, большая часть современных использует поликремний вместо металла в качестве материала затвора).Большинство оксидных материалов — это диоксид кремния. Снизу кремний в качестве основы, а сверху поликремний, который выполняет роль затвора. Этот тип структуры точно такой же, как у конденсатора, а оксидный слой действует как диэлектрический материал конденсатора. Емкость определяется толщиной оксида и диэлектрической проницаемостью диоксида кремния. Поликремний затвора и основной кремний являются двумя конечными точками МОП-конденсатора.

Принцип работы

Когда напряжение подается на оба конца МОП-конденсатора, распределение заряда полупроводника также изменяется.Рассмотрим МОП-емкость, образованную полупроводником P-типа (концентрация дырок — NA). Когда положительное напряжение VGB приложено к крайним значениям затвора и базы, концентрация дырок будет уменьшаться, а концентрация электронов увеличиваться. Когда VGB достаточно силен, концентрация электронов около конца затвора будет превышать дырку. В полупроводниках P-типа область, в которой концентрация электронов (отрицательный заряд) превышает концентрацию дырок (положительный заряд), является так называемым инверсионным слоем.

Характеристики МОП-конденсаторов определяют рабочие характеристики МОП-транзистора, но полная структура МОП-транзистора также требует источника, который обеспечивает большинство несущих и стоков, которые принимают эти основные несущие.

На рисунке выше, чтобы улучшить работу N-канального MOSFET, он должен добавить положительное напряжение VGS между G и S и положительное напряжение VDS между D и S, что будет генерировать положительный ток ID.

Если VGS (VGS = 0) не подключен первым, положительное напряжение VDS добавляется между D и S, а PN-переход между D и подложкой находится в обратном направлении, поэтому источник утечки не может быть проводящим.Если между затвором и истоком добавлено напряжение VGS, затвор и подложка можно рассматривать как две полярные пластины конденсатора, в то время как оксидный изолирующий слой используется как среда конденсатора. При добавлении VGS положительные заряды индуцируются на границе раздела изолятор и затвор, а отрицательные заряды индуцируются на границе раздела между изолирующим слоем и подложкой P-типа. Индуцированный отрицательный заряд в этом слое противоположен полярности большинства носителей (дырок) в подложках P-типа, поэтому он называется «инверсионным слоем», который может связывать утечку в двух областях N-типа источника с образуют проводящий канал.Когда напряжение VGS слишком низкое, индуцированный отрицательный заряд меньше, и он будет нейтрализован отверстиями в подложке P-типа, поэтому в этой ситуации между истоками стока по-прежнему нет тока ID. Когда VGS увеличивается до определенного значения, его индуцированный отрицательный заряд связывает две отдельные N-области с образованием N-канала. Это критическое напряжение называется напряжением включения (или пороговым напряжением), которое выражается символом VT (VT — это VGS, когда ID = 10uA).

Рабочий режим

Когда VGS продолжает увеличиваться, отрицательный заряд увеличивается, проводящий канал расширяется, сопротивление уменьшается, а ID увеличивается.И есть хорошая линейная зависимость, которая называется характеристикой преобразования. Следовательно, в определенном диапазоне можно считать, что изменение VGS для управления сопротивлением между стоком-истоком для достижения функции управления ID. Поскольку этот вид структуры называется расширенным MOSFET, когда VGS = 0. Другой тип MOSFET с определенным идентификатором (IDSS) при VGS = 0 называется MOSFET с истощением.

Основное различие между обедненным типом и улучшенным типом заключается в том, что при изготовлении изолирующего слоя SiO2 используется большое количество положительных ионов, что индуцирует больше отрицательных зарядов на границе раздела подложки P-типа.То есть тонкий слой кремния N-типа сформирован в кремнии P-типа в середине двух областей N-типа, чтобы сформировать проводящий канал. Итак, когда VGS = 0, существует определенный идентификатор при наличии VDS. Когда VGS имеет напряжение (положительное или отрицательное), он изменит количество индуцированных отрицательных зарядов, чтобы изменить размер идентификатора. VP равно -VGS, когда ID = 0, это называется напряжением отсечки.

Применение и преимущества полевого МОП-транзистора В

1.Цифровая схема

Развитие цифровых технологий, таких как повышение эффективности микропроцессорных вычислений, дает больше возможностей для дальнейших исследований и разработок MOSFET нового поколения, что делает скорость работы самого MOSFET все быстрее и быстрее и почти становится один из самых быстрых полупроводниковых активных компонентов.

Главный успех полевого МОП-транзистора в цифровой обработке сигналов связан с изобретением логической схемы КМОП. Самым большим преимуществом этой структуры является то, что теоретически отсутствуют статические потери мощности, и только при переключении логического элемента через него проходит ток.Самым основным элементом логического элемента CMOS является преобразователь CMOS. Основные операции всех логических вентилей CMOS аналогичны инверторам. В момент логического преобразования должен быть только один транзистор, NMOS или PMOS, в состоянии проводимости одновременно, а другой должен быть в отключенном состоянии. В результате отсутствует прямой путь от источника питания к земле, что позволяет экономить ток или потребляемую мощность и снижает нагрев интегральной схемы.

Еще одно преимущество применения полевых МОП-транзисторов в цифровых схемах заключается в том, что для сигналов постоянного тока крайнее сопротивление затвора полевого МОП-транзистора бесконечно (эквивалентно разомкнутой цепи).То есть теоретически не будет тока, протекающего от края затвора полевого МОП-транзистора к точке заземления в цепи, а будет протекать он в виде затвора, управляемого напряжением. Это делает MOSFET более энергоэффективным и более простым в управлении, чем их главный конкурент BJT. В логических схемах CMOS, помимо управления внешними драйверами, управляемыми нагрузкой, каждый уровень логического элемента должен быть обращен только к одному и тому же затвору MOSFET. Таким образом, нет необходимости учитывать движущую силу самого логического элемента. Для сравнения, логические схемы BJT (такие как наиболее распространенный TTL) не имеют этих преимуществ.Бесконечное входное сопротивление затвора полевого МОП-транзистора также имеет другие преимущества для инженеров-проектировщиков схем, например, меньше необходимости учитывать влияние нагрузки на выходе логического элемента.

Логические схемы КМОП

2. Аналоговая схема

МОП-транзисторы не являются первым выбором для инженеров-проектировщиков аналоговых схем в течение некоторого времени, поскольку МОП-транзисторы менее подходят для аналоговых схем, чем БЮТ с точки зрения их рабочих параметров, таких как крутизна транзистора или движущие силы тока.Однако с развитием технологии MOSFET сегодняшняя технология CMOS может удовлетворить требования многих аналоговых схем. Кроме того, MOSFET не имеет некоторых фатальных недостатков BJT, таких как тепловой разгон из-за его структуры. Управляемые напряжением характеристики сопротивления полевого МОП-транзистора в линейной области также могут использоваться для замены обычного поликремниевого резистора в интегральных схемах, или сам МОП-конденсатор может использоваться для замены обычно используемых конденсаторов PIP. Это преимущества, которые BJT нелегко предложить.Другими словами, полевой МОП-транзистор может также использоваться в качестве пассивного устройства в аналоговых схемах в дополнение к роли исходного транзистора. Преимущества использования полевого МОП-транзистора для реализации аналоговой схемы могут не только соответствовать требованиям спецификаций, но также эффективно уменьшать площадь кристалла и стоимость производства.

С развитием технологии производства полупроводников резко возросла потребность в интеграции большего количества функций в один кристалл. В этой ситуации мы можем найти еще одно преимущество использования MOSFET для разработки аналоговых схем.Чтобы уменьшить количество интегральных схем, используемых на печатных платах (PCB), а также снизить стоимость упаковки и размер системы, многие ранее независимые аналоговые микросхемы и цифровые микросхемы были интегрированы в одну микросхему. MOSFET изначально имел большое конкурентное преимущество в цифровых интегральных схемах, а MOSFET широко использовался в аналоговых интегральных схемах. После этого сложность интеграции этих двух типов схем с разными функциями также значительно снизилась.Кроме того, некоторые схемы со смешанными сигналами, такие как аналого-цифровые преобразователи (АЦП), также смогли разработать более эффективные продукты с использованием технологии MOSFET.

Существует также технологический процесс, объединяющий преимущества MOSFET и BJT: BiCMOS (Bipolar-CMOS), который также становится все более популярным. Компоненты BJT по-прежнему превосходят обычные КМОП по способности управлять большим током и имеют некоторые преимущества в надежности, например, их нелегко повредить «электростатическим разрядом» (ESD).Биполярный транзистор по-прежнему превосходит средний КМОП по способности управлять большими токами, а также имеет некоторые преимущества с точки зрения надежности. Например, его нелегко повредить «электростатическим разрядом» (ESD). Таким образом, многие продукты на интегральных схемах, требующие сложной обработки шумовых чисел и возможности подачи сильного тока, будут производиться с использованием технологии BiCMOS.

Рекомендация книги VI

1. Теория и конструкция MOSFET

Разработанная для односеместрового курса на младшем, старшем или высшем уровне, MOSFET Theory and Design представляет четкое и глубокое рассмотрение физического анализа и принципов проектирования для полевого МОП-транзистора.Сосредоточив внимание исключительно на MOSFET, этот небольшой том признает доминирование этого устройства в современной технологии микроэлектроники, а также предоставляет студентам эффективный текст, свободный от дополнительных предметов.

—Р. M. Warner

2. Усовершенствованные концепции силовых полевых МОП-транзисторов

В течение последнего десятилетия было предложено много новых концепций для улучшения характеристик силовых полевых МОП-транзисторов. Результаты этого исследования рассредоточены в технической литературе, среди журнальных статей и тезисов конференций.Следовательно, информация недоступна для исследователей и практикующих инженеров из сообщества силовых устройств.