Thể loại: Sự thật thú vị, Điện tử thực hành
Số lượt xem: 231.928
Bình luận về bài viết: 9
Tụ điện: mục đích, thiết bị, nguyên lý hoạt động
Trong tất cả các thiết bị vô tuyến và điện tử, ngoại trừ bóng bán dẫn và vi mạch, tụ điện được sử dụng. Trong một số mạch có nhiều trong số chúng, ở những cái khác ít hơn, nhưng thực tế không có mạch điện tử nào không có tụ điện.
Trong trường hợp này, tụ điện có thể thực hiện một loạt các nhiệm vụ trong các thiết bị. Trước hết, đây là những container trong bộ lọc của bộ chỉnh lưu và chất ổn định. Với sự trợ giúp của các tụ điện, tín hiệu được truyền giữa các tầng khuếch đại, các bộ lọc tần số thấp và cao được xây dựng, các khoảng thời gian trong độ trễ thời gian được đặt và tần số dao động trong các máy phát khác nhau được chọn.
Tụ điện dẫn từ ngân hàng leidenvào giữa thế kỷ 18 đã được sử dụng trong các thí nghiệm của họ bởi nhà khoa học người Hà Lan Peter van Mushenbrook. Ông sống ở thành phố Leiden, vì vậy rất dễ đoán tại sao ngân hàng này được gọi.
Trên thực tế, đây là một lọ thủy tinh thông thường, được lót bên trong và bên ngoài bằng một lá thiếc - staniol. Nó được sử dụng cho các mục đích tương tự như nhôm hiện đại, nhưng sau đó nhôm vẫn chưa mở.
Nguồn điện duy nhất trong những ngày đó là một máy điện di, có khả năng phát triển điện áp lên tới vài trăm kilovolt. Đó là từ cô ấy mà họ tính một lọ Leyden. Trong sách giáo khoa vật lý, một trường hợp được mô tả khi Mushenbrook xả lon của mình thông qua một chuỗi mười vệ sĩ nắm tay nhau.
Vào thời điểm đó, không ai biết rằng hậu quả có thể là bi thảm. Cú đánh hóa ra khá nhạy cảm, nhưng không gây tử vong. Nó đã không đến với điều này, bởi vì công suất của bình Leyden không đáng kể, xung lực hóa ra rất ngắn ngủi, do đó năng lượng phóng điện nhỏ.
Tụ điện thế nào
Thiết bị của tụ điện thực tế không khác biệt so với bình Leyden: tất cả hai tấm giống nhau, được ngăn cách bởi một lớp điện môi. Đây là cách các tụ điện được mô tả trên các mạch điện hiện đại. Hình 1 cho thấy một cấu trúc sơ đồ của một tụ điện phẳng và công thức tính toán của nó.
Hình 1. Thiết bị tụ điện phẳng
Ở đây S là diện tích bản tính bằng mét vuông, d là khoảng cách giữa các bản tính bằng mét, C là điện dung trong farads, ε là hằng số điện môi của môi trường. Tất cả các giá trị được bao gồm trong công thức được chỉ định trong hệ thống SI. Công thức này có giá trị cho tụ điện phẳng đơn giản nhất: bạn có thể chỉ cần đặt hai tấm kim loại bên cạnh chúng, từ đó rút ra kết luận. Không khí có thể phục vụ như một chất điện môi.
Từ công thức này có thể hiểu rằng tụ điện càng lớn, diện tích của các tấm càng lớn và khoảng cách giữa chúng càng nhỏ. Đối với các tụ điện có hình dạng khác nhau, công thức có thể khác nhau, ví dụ, đối với điện dung của một dây dẫn hoặc cáp điện. Nhưng sự phụ thuộc của điện dung vào diện tích của các bản và khoảng cách giữa chúng giống như của một tụ điện phẳng: diện tích càng lớn và khoảng cách càng nhỏ thì điện dung càng lớn.
Trong thực tế, các tấm không phải luôn luôn được làm bằng phẳng. Đối với nhiều tụ điện, ví dụ như giấy, các tấm là các lá nhôm được cuộn lại với nhau bằng một chất điện môi giấy trong một quả bóng chặt, có hình dạng của vỏ kim loại.
Để tăng cường độ điện, giấy tụ mỏng được tẩm với các thành phần cách điện, thường xuyên nhất là dầu biến thế. Thiết kế này cho phép bạn chế tạo các tụ điện có công suất lên tới vài trăm microfarad. Các tụ điện với các điện môi khác được sắp xếp tương tự.
Công thức không chứa bất kỳ hạn chế nào đối với diện tích của các tấm S và khoảng cách giữa các tấm d.Nếu chúng ta giả định rằng các tấm có thể được đưa đi rất xa, đồng thời làm cho diện tích của các tấm rất nhỏ, thì một số công suất, mặc dù nhỏ, vẫn sẽ vẫn còn. Lý do này cho thấy rằng thậm chí chỉ có hai dây dẫn trong khu phố có điện dung.
Tình huống này được sử dụng rộng rãi trong công nghệ tần số cao: trong một số trường hợp, tụ điện được chế tạo đơn giản dưới dạng các rãnh mạch in, hoặc thậm chí chỉ là hai dây được xoắn với nhau trong cách điện bằng polyetylen. Dây mì hoặc cáp thông thường cũng có công suất, và với chiều dài tăng lên, nó tăng lên.
Ngoài điện dung C, bất kỳ cáp nào cũng có điện trở R. Cả hai tính chất vật lý này được phân phối dọc theo chiều dài của cáp và khi truyền tín hiệu xung, chúng hoạt động như một chuỗi RC tích hợp, như trong Hình 2.
Hình 2
Mọi thứ đều đơn giản trong hình: đây là mạch, đây là tín hiệu đầu vào, nhưng ở đây là ở đầu ra. Sự thúc đẩy bị bóp méo ngoài sự công nhận, nhưng điều này được thực hiện trên mục đích, mà mạch được lắp ráp. Trong khi đó, chúng ta đang nói về ảnh hưởng của điện dung cáp đến tín hiệu xung. Thay vì một xung, một chuông Chuông như vậy sẽ xuất hiện ở đầu kia của cáp và nếu xung ngắn, thì nó có thể không đến đầu kia của cáp, nó sẽ biến mất hoàn toàn.
Sự thật lịch sử
Ở đây khá thích hợp để nhớ lại câu chuyện về cách đặt cáp xuyên Đại Tây Dương. Nỗ lực đầu tiên vào năm 1857 đã thất bại: các điểm điện báo - dấu gạch ngang (xung hình chữ nhật) bị biến dạng để không có gì có thể tháo rời ở đầu kia của đường 4000 km.
Lần thử thứ hai được thực hiện vào năm 1865. Đến thời điểm này, nhà vật lý người Anh W. Thompson đã phát triển lý thuyết truyền dữ liệu qua các dòng dài. Theo lý thuyết này, việc định tuyến cáp hóa ra thành công hơn và chúng tôi có thể nhận được tín hiệu.
Với chiến công khoa học này, Nữ hoàng Victoria đã trao cho nhà khoa học danh hiệu hiệp sĩ và danh hiệu Lord Kelvin. Đó là tên của thành phố nhỏ trên bờ biển Ireland, nơi bắt đầu đặt cáp. Nhưng đây chỉ là một từ, và bây giờ chúng ta trở lại chữ cái cuối cùng trong công thức, cụ thể là, hằng số điện môi của môi trường.
Một chút về điện môi
Này nằm trong mẫu số của công thức, do đó, mức tăng của nó sẽ kéo theo sự gia tăng công suất. Đối với hầu hết các chất điện môi được sử dụng, như không khí, lavsan, polyethylen, fluoroplastic, hằng số này gần giống như của chân không. Nhưng đồng thời, có nhiều chất có hằng số điện môi cao hơn nhiều. Nếu thiết bị ngưng tụ không khí chứa đầy acetone hoặc rượu, thì công suất của nó sẽ tăng lên sau mỗi 15 ... 20.
Nhưng các chất như vậy, ngoài ε cao, còn có độ dẫn đủ cao, do đó một tụ điện như vậy sẽ không giữ điện tích tốt, nó sẽ nhanh chóng phóng qua chính nó. Hiện tượng có hại này được gọi là dòng rò. Do đó, các vật liệu đặc biệt đang được phát triển cho điện môi, với điện dung riêng của tụ điện cao, cung cấp dòng rò có thể chấp nhận được. Điều này giải thích sự đa dạng của các loại và loại tụ điện, mỗi loại được thiết kế cho các điều kiện cụ thể.
Tụ điện
Công suất cụ thể lớn nhất (tỷ lệ công suất / khối lượng) tụ điện điện phân. Công suất của "chất điện phân" đạt tới 100.000 microfarad và điện áp hoạt động lên tới 600V. Các tụ điện như vậy chỉ hoạt động tốt ở tần số thấp, thường xuyên nhất trong các bộ lọc của nguồn điện. Tụ điện được bật ở cực.
Các điện cực trong các tụ điện như vậy là một màng mỏng oxit kim loại, vì vậy thường các tụ điện này được gọi là oxit. Một lớp không khí mỏng giữa các điện cực như vậy không phải là chất cách điện rất đáng tin cậy, do đó, một lớp điện phân được đưa vào giữa các tấm oxit. Thông thường đây là các dung dịch đậm đặc của axit hoặc kiềm.
Hình 3 cho thấy một trong những tụ điện này.
Hình 3. Tụ điện phân
Để đánh giá kích thước của tụ điện, một hộp diêm đơn giản được chụp bên cạnh nó. Ngoài công suất đủ lớn trong hình, bạn cũng có thể thấy dung sai tỷ lệ phần trăm: không dưới 70% danh nghĩa.
Vào thời đó khi máy tính lớn và được gọi là máy tính, các tụ điện như vậy nằm trong các ổ đĩa (trong ổ cứng hiện đại). Dung lượng thông tin của các ổ như vậy giờ chỉ có thể gây cười: 5 megabyte thông tin được lưu trữ trên hai đĩa có đường kính 350 mm và bản thân thiết bị nặng 54 kg.
Mục đích chính của các siêu tụ điện được thể hiện trong hình là rút các đầu từ từ khỏi khu vực làm việc của đĩa trong thời gian mất điện đột ngột. Các tụ điện như vậy có thể lưu trữ một khoản phí trong vài năm, đã được thử nghiệm trong thực tế.
Thấp hơn một chút với các tụ điện sẽ được cung cấp để thực hiện một số thí nghiệm đơn giản để hiểu những gì một tụ điện có thể làm.
Để làm việc trong các mạch điện xoay chiều, các tụ điện phân cực không được tạo ra, điều đó chỉ khiến chúng trở nên khó khăn. Để giải quyết vấn đề này bằng cách nào đó, các "chất điện phân" cực thông thường bao gồm phản ứng liên tiếp: cộng-trừ-trừ-cộng.
Nếu tụ điện phân cực được bao gồm trong mạch điện xoay chiều, thì đầu tiên nó sẽ nóng lên, và sau đó một vụ nổ sẽ được nghe thấy. Các tụ điện cũ trong nước nằm rải rác ở mọi hướng, trong khi các tụ điện nhập khẩu có một thiết bị đặc biệt tránh các tiếng nổ lớn. Đây thường là một rãnh chéo ở dưới cùng của tụ điện, hoặc một lỗ có nút cao su đặt ở cùng một nơi.
Họ không thích các tụ điện điện phân tăng điện áp, ngay cả khi quan sát cực tính. Do đó, bạn không bao giờ nên đặt "chất điện phân" trong một mạch nơi có điện áp gần với mức tối đa cho một tụ điện nhất định.
Thỉnh thoảng trong một số diễn đàn, ngay cả những diễn đàn có uy tín, người mới bắt đầu hỏi một câu hỏi: Bộ tụ 470 470F * 16V được chỉ định trên mạch, và tôi có 470 470F * 50V, tôi có thể đặt nó không? Có, tất nhiên bạn có thể, nhưng sự thay thế ngược lại không được phép.
Tụ điện có thể lưu trữ năng lượng
Để đối phó với tuyên bố này, một sơ đồ đơn giản được hiển thị trong Hình 4 sẽ giúp ích.
Hình 4. Mạch có tụ điện
Nhân vật chính của mạch này là một tụ điện điện phân C có công suất đủ lớn để các quá trình phóng điện tích diễn ra chậm, và thậm chí rất rõ ràng. Điều này cho phép quan sát hoạt động của mạch một cách trực quan bằng cách sử dụng ánh sáng thông thường từ đèn pin. Những đèn này từ lâu đã nhường chỗ cho đèn LED hiện đại, nhưng bóng đèn cho chúng vẫn đang được bán. Do đó, rất dễ dàng để lắp ráp một mạch và tiến hành các thí nghiệm đơn giản.
Có lẽ ai đó sẽ nói: Tại sao? Rốt cuộc, mọi thứ đều rõ ràng và ngay cả khi bạn đọc mô tả ... Dường như không có gì để tranh luận ở đây, nhưng bất kỳ điều gì, ngay cả điều đơn giản nhất vẫn tồn tại trong đầu trong một thời gian dài nếu sự hiểu biết của nó đến qua tay.
Vì vậy, mạch được lắp ráp. Cô ấy làm việc thế nào
Ở vị trí của công tắc SA, được hiển thị trong sơ đồ, tụ C được tích điện từ nguồn điện GB qua điện trở R trong mạch: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Dòng sạc trong sơ đồ được hiển thị bằng một mũi tên với chỉ số i. Quá trình sạc tụ điện được hiển thị trong Hình 5.
Hình 5. Quá trình sạc tụ điện
Hình vẽ cho thấy điện áp trên tụ tăng dọc theo một đường cong, trong toán học gọi là số mũ. Dòng điện tích phản chiếu trực tiếp điện áp sạc. Khi điện áp trên tụ tăng lên, dòng điện tích ngày càng ít đi. Và chỉ tại thời điểm ban đầu tương ứng với công thức thể hiện trong hình.
Sau một thời gian, tụ điện sẽ được sạc từ 0V đến điện áp của nguồn điện, trong mạch của chúng tôi đến 4,5V. Toàn bộ câu hỏi là, làm thế nào là thời gian này để xác định thời gian chờ đợi, khi nào tụ điện sạc?
Hằng số thời gian "tau" = R * C
Trong công thức này, điện trở và điện dung của điện trở và tụ điện nối tiếp đơn giản được nhân lên.Nếu, không bỏ qua hệ thống SI, thay thế điện trở trong Ohms, điện dung trong Farads, thì kết quả sẽ tính bằng giây. Đây là thời gian cần thiết để tụ điện sạc tới 36,8% điện áp của nguồn điện. Theo đó, với mức phí gần như 100%, sẽ cần có thời gian 5 *.
Thông thường, bỏ qua hệ thống SI, điện trở trong Ohms được thay thế vào công thức và điện dung tính bằng microfarad, sau đó thời gian sẽ bật ra tính bằng micro giây. Trong trường hợp của chúng tôi, sẽ thuận tiện hơn khi nhận được kết quả sau vài giây, mà bạn chỉ cần nhân một phần triệu giây với một triệu, hoặc đơn giản hơn là đặt sáu dấu phẩy sang trái.
Đối với mạch như trong Hình 4, với tụ điện 2000 F và điện trở 500, hằng số thời gian sẽ là τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 micro giây hoặc chính xác là một giây. Do đó, bạn sẽ phải chờ khoảng 5 giây cho đến khi tụ được sạc đầy.
Nếu sau khi hết thời gian quy định, công tắc SA được chuyển sang đúng vị trí, thì tụ C được xả qua bóng đèn EL. Tại thời điểm này, một đèn flash ngắn sẽ xảy ra, tụ điện sẽ phóng điện và ánh sáng sẽ tắt. Hướng phóng điện của tụ điện được hiển thị bằng một mũi tên với chỉ số ip. Thời gian xả cũng được xác định bởi hằng số thời gian τ. Biểu đồ phóng điện được thể hiện trong Hình 6.
Hình 6. Biểu đồ phóng điện của tụ điện
Tụ điện không qua dòng điện trực tiếp
Để xác minh tuyên bố này, một lược đồ thậm chí đơn giản hơn, được hiển thị trong Hình 7, sẽ giúp ích.
Hình 7. Mạch có tụ điện trong mạch DC
Nếu bạn đóng công tắc SA, thì đèn flash ngắn sẽ theo sau, cho biết tụ C được tích điện qua bóng đèn. Biểu đồ điện tích cũng được hiển thị ở đây: tại thời điểm đóng công tắc, dòng điện là tối đa, khi các tụ điện tích điện, nó giảm xuống và sau một thời gian nó dừng hẳn.
Nếu tụ điện có chất lượng tốt, tức là với dòng rò nhỏ (tự xả), việc đóng công tắc lặp đi lặp lại sẽ không dẫn đến đèn flash. Để có được một đèn flash khác, tụ điện sẽ phải được xả.
Tụ điện trong các bộ lọc điện
Các tụ điện thường được đặt sau bộ chỉnh lưu. Thông thường, chỉnh lưu được thực hiện nửa sóng. Các mạch chỉnh lưu phổ biến nhất được hiển thị trong Hình 8.
Hình 8. Mạch chỉnh lưu
Chỉnh lưu nửa sóng cũng được sử dụng khá thường xuyên, như một quy luật, trong trường hợp công suất tải không đáng kể. Chất lượng có giá trị nhất của các bộ chỉnh lưu như vậy là đơn giản: chỉ có một diode và cuộn dây biến áp.
Đối với bộ chỉnh lưu nửa sóng, điện dung của tụ lọc có thể được tính theo công thức
C = 1.000.000 * Po / 2 * U * f * dU, trong đó C là tụ điện μF, Po là công suất tải W, U là điện áp ở đầu ra chỉnh lưu V, f là tần số của điện áp xoay chiều Hz, dU là biên độ gợn sóng V.
Một số lượng lớn trong tử số 1.000.000 chuyển đổi điện dung của tụ điện từ Farads hệ thống sang microfarads. Hai trong mẫu số đại diện cho số nửa chu kỳ của bộ chỉnh lưu: đối với một nửa sóng ở vị trí của nó, một đơn vị sẽ xuất hiện
C = 1.000.000 * Po / U * f * dU,
và đối với bộ chỉnh lưu ba pha, công thức sẽ có dạng C = 1.000.000 * Po / 3 * U * f * dU.
Siêu tụ điện - Ionistor
Gần đây, một loại tụ điện mới, cái gọi là điện trở. Trong các thuộc tính của nó, nó tương tự như pin, tuy nhiên, với một số hạn chế.
Điện cực ion nạp vào điện áp định mức trong một thời gian ngắn, theo nghĩa đen trong vài phút, vì vậy nên sử dụng nó làm nguồn điện dự phòng. Trên thực tế, ionistor là một thiết bị không phân cực, điều duy nhất quyết định sự phân cực của nó là sạc tại nhà máy. Để không nhầm lẫn giữa cực này trong tương lai, nó được biểu thị bằng dấu +.
Một vai trò quan trọng được chơi bởi các điều kiện hoạt động của các ionistors. Ở nhiệt độ 70˚C ở điện áp 0,8 độ bền danh nghĩa được đảm bảo không quá 500 giờ.Nếu thiết bị sẽ hoạt động ở điện áp 0,6 từ danh nghĩa và nhiệt độ không vượt quá 40 độ, thì có thể hoạt động đúng cách trong 40.000 giờ trở lên.
Các ứng dụng ionistor phổ biến nhất là các nguồn năng lượng dự phòng. Đây chủ yếu là chip nhớ hoặc đồng hồ điện tử. Trong trường hợp này, tham số chính của ionistor là dòng rò thấp, tự phóng điện của nó.
Khá hứa hẹn là việc sử dụng các ionist kết hợp với các tấm pin mặt trời. Nó cũng ảnh hưởng đến mức độ không quan trọng đối với tình trạng của điện tích và số chu kỳ phóng điện gần như không giới hạn. Một tài sản có giá trị khác là các ionistor không cần bảo trì.
Cho đến nay, nó đã chỉ ra cách thức và nơi các tụ điện điện phân hoạt động, và chủ yếu trong các mạch điện một chiều. Hoạt động của các tụ điện trong mạch điện xoay chiều sẽ được mô tả trong một bài viết khác - Tụ điện cho lắp đặt điện AC.
Boris Aladyshkin
P.S. Một trường hợp sử dụng thú vị cho các tụ điện: hàn tụ điện
Xem thêm tại electro-vi.tomathouse.com
: