Nowoczesne Podzespoły Elektroniczne – wykład 1 Plan

Nowoczesne Podzespoły Elektroniczne – wykład 1 Plan

Nowoczesne Podzespoły
Elektroniczne – wykład 1
Plan wykładu


dr inż. Kamil Grabowski
[email protected]
pok.28, B18



Plan wykładu





metodyka rozróżniania i określania
parametrów podzespołów elektronicznych
metody modelowania podzespołów
elektronicznych w aspekcie ich przydatności
do analizy
właściwości układów rzeczywistych
główne narażenia środowiskowe i ich wpływ
na podzespoły i elementy elektroniczne
niezawodność elementów i podzespołów
Forma zaliczenia

Kolokwium na ostatnim wykładzie
(czas trwania: 45min)
elementy i podzespoły elektroniczne jako
części składowe urządzeń elektronicznych
nowoczesne elementy i podzespoły bierne:
rodzaje, parametry i właściwości użytkowe,
materiały, technologie wytwarzania, zjawiska
pasożytnicze
nowoczesne przetworniki wielkości
nieelektrycznych
elektromechaniczne podzespoły urządzeń
elektronicznych
Plan wykładu


obudowy podzespołów elektronicznych
do montażu przewlekanego i
powierzchniowego,
określenie typu i rozmiaru pól
lutowniczych;
Literatura



Borczyński J., Milczewski A.: Podzespoły
bierne. Elementy bierne. Poradnik. WKiŁ,
Warszawa, 1993
Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki.
Wydawnictwa Komunikacji i Łączności,
Warszawa, 1999, wydanie piąte, tom 1 i 2
Poradnik Konstruktora Sprzętu
Elektronicznego, WKiŁ, Warszawa 1981
1
Literatura

Elementy rzeczywiste
Rymarski Z.: Materiałoznawstwo i
konstrukcja urządzeń elektronicznych.
Projektowanie i produkcja urządzeń
elektronicznych. Wydawnictwo
Politechniki Śląskiej, Skrypty Uczelniane
nr 2178, Gliwice, 2000
Model rezystora rzeczywistego
Schemat
Model rezystora rzeczywistego

Zachowanie rezystora rzeczywistego
Rzeczywisty element
Elementy rezystancyjne
Rezystor
Składaja się zwykle z korpusu izolacyjnego z
wyprowadzeniami oraz z części oporowej,
wyprodukowanej z materiału o znanej oporności
właściwej (ρ). Mogą mieć postać pręta, rurki, folii,
warstwy powierzchniowej, lub drutu o pewnej
długości ( l ) i powierzchni przekroju (A).
2
Rezystywność materiałów
Rezystor – podział
Możemy dokonać podziału rezystorów na:


Rezystor – typoszeregi
Najczęściej spotykany jest w handlu szereg wartości E,
R oraz szeregi dekadowe. Szeregi E i R tworzone są
wg. harmonicznego podziału każdej dekady.
Przykłady typoszeregów: E192, E24 i R40.
Określenie E192 oznacza, że w
dekadzie występuje 192 wartości. Obliczając je,
wychodzi się z liczby 10, którą dzieli się przez
pierwiastek 192-stopnia z 10.
Rezystor – oznaczenia
Liniowe – rezystancja jest niezależna od prądu,
napięcia i czynników zewnętrznych, takich jak np.
temperatura i światło;
Nieliniowe - rezystor zmienia swoją rezystancję w
zależności od prądu, napięcia, lub dowolnego
czynnika zewnętrznego;
Rezystor – typoszeregi
Szereg R (R od Renard) jest
skonstruowany w ten sam sposób, z tym że podstawą
jest szereg R40 z pierwiastkiem 40 stopnia z 10 jako
dzielnikiem.
Szereg R stosuje się czasami do rezystorów mocy, lub
reostatów, ale najczęściej używamy go do
wartościowania innych
elementów, np. cewek filtrów czy bezpieczników.
Rezystor – oznaczenia
3
Rezystor – model
Rezystor – model
gdzie: R = rezystancja, C = pojemność własna (upływność), LR = indukcyjność
elementu oporowego i LS = indukcyjność wyprowadzeń.
Każdy rzeczywisty rezystor posiada pasożytnicze elementy indukcyjne i
pojemnościowe. Przy zastosowaniach w obwodach prądu zmiennego (zwłaszcza
w.cz.), składają się one na wypadkową reaktancję, co w pewnych przypadkach
może mieć kluczowe znaczenie.
Rezystor – model
Rezystor – model
Dla częstotliwości sygnału 400 MHz opornik o wartości
10kΩ ma impedancję ok. 3,7 kΩ.
Rezystory warstwowe poniżej 100 Ω można z reguły
traktować przy w.cz. jako elementy o charakterze
indukcyjnym (impedancja wzrasta z częstotliwością), od 100
do 470 Ω jako prawie idealna rezystancja. Rezystory
powyżej 470 Ω nabierają charakteru pojemnościowego
(impedancja zmniejsza się ze wzrostem częstotliwości). Im
większa wartość rezystancji, tym większa pojemność.
Rezystor – termika
Rezystancją termiczną (Rth) rezystora nazywamy różnicę
temperatur między jego powierzchnią i otoczeniem
podzieloną przez wydzieloną w nim moc:
Ths - temperatura w najgorętszym punkcie
powierzchni, Tamb - temperatura otoczenia, P - moc w
W, a Rth - rezystancja termiczna w K/W.
Rezystor – termika
Maksymalna moc rozpraszana rezystora to moc, przy
której wzrost temperatury (P × Rth) i temperatura
otoczenia (Tamb) wspólnie spowodują wystąpienie
maksymalnej temperatury w jego wnętrzu, która nie
powoduje zmiany jego parametrów, np. stabilności
długotrwałej i tolerancji.
Wartość maksymalna Ths zależy od np. materiałów
izolacyjnych, obudowy i izolacji termicznej (Rth)
pomiędzy elementem oporowym i powierzchnią
4
Rezystor – termika
Jeżeli temperatura otoczenia ulega zwiększeniu, to
maksymalna moc użyteczna rezystora zmniejsza się liniowo
aż do zera; Jest to tzw. temperatura mocy zerowej.
Wynosi ona dla rezystorów:
lakierowanych epoksydem ok. 150° C,
Rezystor – termika
Przekroczenie, a nawet zbliżanie się do maksymalnej
temperatury (Ths) rezystora, zwykle oznacza bardziej lub
mniej gwałtowne skrócenie jego żywotności.
rezystorów izolowanych silikonem i zamkniętych w
aluminium ok. 200° C,
rezystorów pokrytych szkliwem ok. 350° C.
Rezystor – tolerancja
Rezystor – tolerancja
Tolerancja rezystancji jest to maksymalna odchyłka od
rezystancji nominalnej wyrażona w procentach. Rezystancję
mierzy się biorąc pod uwagę wiele czynników.
W rezystorach standardowych, tolerancja wynosi ± 1-10 %,
ale istnieją również wykonania specjalne, dla których
tolerancja jest bardzo niska i wynosi ± 0,005 %.
Rezystor – współczynnik temp.
Rezystor – rozkład temp.
W praktyce wszystkie rezystory są zależne od temperatury,
co opisuje się przy pomocy współczynnika
temperaturowego.
Jednostką współczynnika temperaturowego jest ppm/K
(milionowa część na 1 stopień - 10-6/K).
Współczynnik temperaturowy zależny jest typu rezystora.
Rezystory węglowe mają względnie duży ujemny
współczynnik -200 do -2000 ppm/K (w zależności od
wartości rezystancji). Dla rezystorów metalizowanych
współczynnik ten wynosi poniżej ± 1 ppm/K.
5
Rezystor – napięcie pracy
Rezystor – szumy
Maksymalne napięcie pracy jest to maksymalne stałe
lub zmienne napięcie, które w sposób ciągły może być
przyłożone do rezystora. Dotyczy to tylko rezystorów
powyżej tzw. rezystancji krytycznej, tzn. takiej, przy której
maksymalne napięcie daje maksymalną moc, którą
wytrzymuje rezystor. Dla oporności powyżej rezystancji
krytycznej maksymalne napięcie wyniesie:
We wszystkich rezystorach powstają szumy. Z jednej strony
jest to tzw. szum termiczny, który powstaje w każdym
elemencie przewodzącym prąd i który wynika z faktu, że nie
wszystkie elektrony płyną w kierunku przepływu prądu, a z
drugiej strony - szum prądowy, którego wartość zależy od
typu rezystora. Szum termiczny, który jest niezależny od
rodzaju rezystora, można obliczyć wg następującego wzoru:
Napięcie izolacji (wytrzymałość napięciowa) - jest to
napięcie, które wytrzymuje izolacja wokół elementu
oporowego.
U = napięcie szumów, jego wartość skuteczna w V, k = stała
Boltzmana (1,38 × 10-23 J/K), T = temperatura bezwzględna w
stopniach Kelvina, R = rezystancja w  i B = szerokość pasma w Hz.
Rezystor – szumy
Rezystor – model szumów
Szum prądowy, który zależy np. od rodzaju materiału
użytego na element oporowy, nierównomierności jego
powierzchni i zanieczyszczeń, podawany jest z reguły w
danych technicznych producenta.
Poziom szumów podaje się w μV/V lub w dB. Poziom 0 dB
odpowiada 1 μV/V. Szum całkowity jest sumą szumu
termicznego i prądowego.
Rezystor – szumy rezystorów
cermetowych
Wskaźnik szumów prądowych
Rezystor – szumy rezystorów
chromowo-niklowych
6
Rezystor – szumy rezystorów
węglowych
Rezystor – nieliniowość
Rezystancja wszystkich typów rezystorów jest zależna od
napięcia i zazwyczaj jest to od 10 do 1000 ppm/V.
Zależność ta powoduje zniekształcenia harmoniczne
(nieliniowość) - jeśli mamy do czynienia z napięciem
zmiennym. Nieliniowość podaje się w dB jako stosunek
amplitud pierwszej i trzeciej harmonicznej.
Rezystor – stabilność
Rezystor – stabilność
Zmiana rezystancji rezystora poddanego
próbie, względem wartości rezystancji na
początku próby. Największe zmiany rezysTancji wykazują rezystory kompozycyjne
węglowe, najbardziej stabilne są rezystory
drutowe i warstwowe NiCr(metalizowane).
Rezystor – stabilność
Rezystory – podział
7
Rezystory węglowe 1
Rezystory węglowe kompozytowe. Składają się z wałka, lub rurki węglowej z
przylutowanymi wyprowadzeniami. O wartości rezystancji decyduje skład materiałowy
części węglowej.
Rezystory węglowe 2
niska indukcyjność (układy przełączające),
Rezystory warstwowe węglowe, (rezystory z warstwą węglową). Składają się z rurki
ceramicznej, na której jest naparowana warstwa węgla o zadanej rezystywności. W tej
warstwie można wykonać nacięcia spiralne do 10 zwojów przy pomocy ostrza
diamentowego, lub lasera, aby osiągnąć właściwą wartość rezystancji. Reaktancja
indukcyjności, która wystąpi z powodu tej spirali jest niewielka w porównaniu z
reaktancją, która wynika z pojemności własnej ok. 0,2 pF.
odporność na chwilowe przeciążenia,
Zalety:
Zalety:
Wady:
wysoka pojemność własna, ok. 0,2−1 pF, w zależności od typu i wartości rezystancji,
duża pojemność własna powoduje, że rezystory węglowe nie powinny być stosowane
przy częstotliwościach powyżej 5−10MHz,
tanie,
zależność napięciowa poniżej 100 ppm/V,
Wady:
współczynnik temperaturowy (−200 do −2000 ppm/K),
wysoki współczynnik temperaturowy (−200 do −1000 ppm/K),
dużą zależność od napięcia (200−500 ppm/V),
wysoki poziom szumu,
wysoki szum i zła stabilność długotrwała.
Rezystory metalowe
warstwowe
Rezystory warstwowe metalowe. Na rurce ceramicznej, naparowana jest warstwa
metaliczna o zadanej rezystywności.
Zalety:
dobre własności wysokoczęstotliwościowe (dla wysokich wartości rezystancji i przy
wysokiej częstotliwości reaktancja może mieć istotny wpływ na parametry obwodu)
niska pojemność własna <0,2pF
niski współczynnik temperaturowy (5−100 ppm/K).
zależność napięciowa ok. 1 ppm/V,
niski poziom szumów i stabilność długotrwała,
Wady:
bardzo słaba wytrzymałość na chwilowe przeciążenia.
słaba stabilność długotrwała.
Rezystory metalowe
grubowarstwowe
Rezystory metolowe grubowarstwowe (cermetowe, „metalglaze”). Warstwa
oporowa składa się z mieszaniny tlenków metali i szkła, lub ceramiki, i jest nakładana
metodą sitodrukową na korpus ceramiczny.
Zalety:
bardzo dobre własności wysokoczęstotliwościowe dla niskich rezystancji (dla wysokich
wartości rezystancji i przy wysokiej częstotliwości reaktancja może mieć istotny wpływ na
parametry obwodu)
niska pojemność własna 0,1..0,3pF
wysoka wytrzymałość na chwilowe przeciążenia i temperaturę
zależność napięciowa < 30 ppm/V,
wysoka stabilność długotrwała,
Wady:
wysoki poziom szumów (zbliżony do rezystorów węglowych)
Rezystory metalowe
cienkowarstwowe
Rezystory w wykonaniu SMD
Rezystory metalowe cienkowarstwowe. Warstwa oporowa składa się z cienkiej
warstwy metalu (niklu i chromu, lub azotu i tantalu), która jest naparowywana na korpus
szklany, lub ceramiczny. Rezystory są trawione i dopasowywane przy pomocy lasera w
celu uzyskania pożądanej wartość rezystancji.
Zalety:
bardzo dobry współczynnik temperaturowy do 1ppm/K,
najniższe szumy spośród rezystorów warstwowych
zależność napięciowa 0,05 ppm/V,
bardzo wysoka stabilność długotrwała (precyzyjne układy pomiarowe),
Wady:
słaba odporność na chwilowe przeciążenia
8
Rezystory tlenkowe
Rezystory foliowe
Rezystory z tlenków metali (metal oxide). Warstwa oporowa tworzona jest przez
spirale z tlenku cyny.
Rezystory foliowe. Warstwa oporowa tworzona jest na specjalnej folii rezystywnej, zaś
wartość rezystancji kształtowana jest w procesie trawienia bądź wycinania.
Zalety:
Zalety:
współczynnik temperaturowy ok. ±200ppm/K,
współczynnik temperaturowy od -20ppm/K do 110ppm/K,
niski poziom szumów,
dla niskich wartości rezystancji b.dobre własności wysokoczęstotliwościowe
zależność napięciowa < 10 ppm/V,
wysoka stabilność długotrwała (precyzyjne układy pomiarowe),
duża odporność na chwilowe przeciążenia i wysokie temperatury (alternatywa dla
rezystorów drutowych dużej mocy i dużych rezystancji)
niskie szumy
bardzo wysoka stabilność długotrwała (precyzyjne układy pomiarowe),
Wady:
umiarkowane własności wysokoczęstotliwościowe (średnia pojemność własna 0,4pF)
Rezystory foliowe –
wytwarzanie i aplikacja
Matryce rezystorowe
Matryce rezystorowe (drabinki). Produkowane są w wersji grubo- albo
cienkowarstwowej. Składają się z ceramicznego korpusu z nadrukowanymi rezystorami i
wyprowadzeniami. Często produkuje się specjalne matryce rezystorowe do zastosowań
specjalnych. Można wówczas uzyskać dowolne wewnętrzne połączenia między
rezystorami, różne wartości rezystancji. Istnieje możliwość doposażenia matryc w inne
elementy takie jak kondensatory, czy diody.
Rezystory drutowe
Zestawienie materiałów
rezystywnych i aplikacji
Rezystory drutowe nawijane. Składają się z drutu o wysokiej rezystancji na ogoł
nikrotalu (CrNi), kantalu (CrAIFe), lub konstantanu (CuNi), nawiniętego na korpus z
ceramiki, szkła lub włókna szklanego. Izoluje się je plastikiem, silikonem, glazurą, albo
zamyka się je w obudowie aluminiowej, aby łatwiej mogły przenosić ciepło do
chłodzącego podłoża. Wykorzystywane są do zastosowań precyzyjnych, gdzie wymagana
jest wysoka jakość i stabilność, oraz do zastosowań w układach dużej mocy.
Zalety:
współczynnik temperaturowy ok. ±1..100ppm/K,
niski poziom szumów,
zależność napięciowa ok. 1 ppm/V,
dobra stabilność długotrwała (zależna od Ths),
Wady:
słabe własności wysokoczęstotliwościowe (0.1H-10 H, 0.2pF-10pF),
mało odporne na chwilowe przeciążenia.
9
Zestawienie materiałów
rezystywnych
Zestawienie materiałów
rezystywnych
Termistor NTC
Termistor NTC
Termistor NTC jest nieliniowym rezystorem, którego rezystancja została intencjonalnie
silnie uzależniona od temperatury materiału oporowego. Typ NTC (Negative Temperature
Coefficient) wskazuje, że termistor posiada ujemny współczynnik temperaturowy, czyli
rezystancja maleje ze wzrostem temperatury. Są one zbudowane z polikrystalicznych
półprzewodników, które stanowią mieszaniny związków chromu, manganu, żelaza, kobaltu
i niklu.
A i B są stałymi zależnymi od materiału, a T jest temperaturą. Jednakże jest to uproszczony wzór. W
szerokich zakresach temperatur wartość B zmienia się nieco wraz z temperaturą.
Termistor NTC
Termistor NTC - zastosowania
Stała czasowa A jest to czas, który termistor NTC
potrzebuje do osiągnięcia 63,2% (1 − e-1) nowej
wartości rezystancji przy zmianie temperatury przy
założeniu, że wzrost temperatury nie pochodzi z
wydzielanej mocy. A jest zatem miarą szybkości reakcji i
zależy od rodzaju masy oporowej.
Termistory NTC stosuje się np. do pomiarów i regulacji
temperatury, kompensacji temperaturowej, opóźnienia
czasowego i ograniczenia prądów rozruchu.
10
Termistor PTC
Termistor PTC
Termistor PTC ma dodatni współczynnik temperaturowy, tzn. jego rezystancja
wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.
Termistory PTC produkowane są na bazie BiTiO3 który dodatkowo domieszkuje się
innymi pierwiastkami. Poprzez obfite dodanie tlenu w czasie procesu chłodzenia,
otrzymuje się silnie dodatni współczynnik temperaturowy.
Rezystancja nieco maleje przy niskich temperaturach, ale po przekroczeniu punktu
Curie materiału (TC), silnie wzrasta.
Temperatura przemiany (Tsw), jest to temperatura, przy której wartość
rezystancji równa jest dwukrotnej wartości rezystancji minimalnej. Termistory
PTC produkowane są dla temperatur Tsw pomiędzy 25 i 160° C (oraz aż do 270°
C, o ile s. one produkowane jako elementy grzewcze).
Termistor PTC
Czas przemiany (tsw) to jest czas, jakiego potrzebuje termistor PTC, aby osiągnąć
temperaturę Tsw w wyniku przepływu prądu przy stałym napięciu. W tym momencie
prąd zmniejsza się do połowy. Czas przemiany można obliczyć z następującego
wzoru:
Gdzie: h - charakterystyczna stała ceramiki 2,5 − 10 -3, v - objętość ceramiki w
mm3, Tsw - temperatura przemiany, Tamb - temperatura otoczenia, It - prąd w A, D stała mocy w W/K.
Termistor PTC - zastosowania
Termistor PTC
Współczynnik temperaturowy termistora PTC wyznacza się w punkcie
największej stromości ch-ki temperaturowej.
Nie należy przekraczać maksymalnego napięcia przebicia.
Nie można także szeregowo łączyć wielu termistorów PTC, aby
osiągnąć wyższą wytrzymałość napięciową. (istnieje duża szansa, że
powstanie dominujący spadek napięcia na jednym z termistorów)
Termistory PTC stosuje się jako zabezpieczenia przeciwko
nadmiernemu prądowi np. w silnikach elektrycznych,
samoregulujących elementach grzewczych, do obwodu
rozmagnesowania w telewizorach i monitorach CRT, obwodach
opóźniających i do wskazywania temperatury.
Termistor PTC - zastosowania
11
Termistor PTC - zastosowania
Warystor
Warystor (VDR – Voltage Dependent Resistor) jest rezystorem, którego wartość
rezystancji zmniejsza się silnie wraz ze wzrostem napięcia. Warystory produkowane są
obecnie najczęściej z granulowanego tlenku cynku, domieszkowanego takimi
pierwiastkami jak Bi, Mn, Sb, itd., uformowanego w pastylkę.
Powierzchnie wielu styków ziaren działają jako złącza półprzewodnikowe o spadku
napięcia ok. 3 V (1 mA) i tworzą długie łańcuchy. Całkowity spadek napięcia zależy od
wielkości ziarna i grubości warystora.
Z chwilą wystąpienia napięcia charakterystycznego (napięcia warystora) przepływający
prąd wzrasta (prąd >1mA) w sposób logarytmiczny – jego rezystancja zmniejsza się.
Warystor może przejść ze swojego stanu wysokoomowego do niskoomowego w czasie
krótszym niż 20ns. Średnica warystora decyduje o mocy i czasie życia. Budowa ziarnista
powoduje, że warystor posiada pojemność własną rzędu 50-20 000 pF w zależności do
napięcia i wielkości.
Warystor
Warystor
Warystory stosuje się do zabezpieczenia przed krótkimi przepięciami, które powstają np.
podczas burz, lub przełączania obciążeń o charakterze indukcyjnym. Warystory można
stosować w obwodach prądu stałego, jak i zmiennego. Bardzo wysokie przepięcie
zmniejsza rezystancję warystora do 0,1 - 50 w zależności od wartości szczytowej piku
napięciowego, napięcia i średnicy warystora. Warystory montowane są w instalacjach
zasilających 230 V między fazą i zerem lub ziemią, w celu tłumienia przychodzących pików
napięciowych, przy pomiarach w układach zasilających miedzy + i -, między przewodem i
ziemią w układach sygnalizacyjnych, na styku przerywającym obwód cewki aby zapobiec
iskrzeniu, na triaku aby zmniejszyć zakłócenia radiowe, itd.
Warystor - zastosowania
Fotorezystor
Fotorezystor (LDR – Light Dependent Resistor) ma oporność zmieniającą się w
zależności od ilości padającego światła. Silniejsze światło wywołuje spadek rezystancji.
Fotorezystor produkowany jest przeważnie z dwóch rożnych materiałów. Siarczek kadmu
(CdS) jest wrażliwy w przybliżeniu na to samo widmo światła co ludzkie oko. Z kolei
czułość selenku kadmu (CdSe) jest przesunięta w stronę podczerwieni. CdS posiada
maksymalną czułość przy 515 nm, a CdSe przy 730 nm, ale poprzez zmieszanie tych
dwóch materiałów, można otrzymać rożne charakterystyki - z maksymalną czułością
pomiędzy 515 nm a 730 nm.
12
Fotorezystor
Wielkość zmian rezystancji zależy, oprócz składu materiałowego, od typu procesu
produkcyjnego, powierzchni i odległości miedzy elektrodami, jak również od powierzchni,
która jest oświetlana.
względnie dużą zależność temperaturowa: 0,1 do 2%/K.
czas odpowiedzi zmienia się od 1 ms do wielu sekund, w zależności od natężenia
światła, jak również czasu oświetlenia i czasu pozostawania bez oświetlenia.
Typ CdSe jest szybszy niż typ CdS. Oba posiadają "efekt pamięciowy" - po długotrwałym,
statycznym oświetleniu wartość rezystancji zostaje przesunięta na pewien czas. Typ CdSe
ma silniejszy efekt pamięciowy niż typ CdS.
Piezorezystor
Względne zmiany rezystywności pod wpływem naprężeń
opisuje równanie macierzowe, w którym
Występują współczynniki piezorezystywnościi naprężeń
w materiale. Największe zmiany rezystywności
występują w półprzewodnikach
Potencjometr precyzyjny
Potencjometr precyzyjny jest rodzajem potencjometru tablicowego, który produkuje
się w dwóch podstawowych wykonaniach: wieloobrotowy - z traktem oporowym z
nawiniętego drutu, pozwalającym na bardzo dokładne ustawienie, i jednoobrotowy - z
torem z plastiku przewodzącego, albo też drutowy, bez mechanicznego ogranicznika w
położeniach krańcowych. Ten ostatni posiada dużą rozdzielczość i długi czas życia, i może
być wykorzystywany jako np. czujnik kąta położenia.
Magnetorezystor
W materiale, w którym płynie prąd elektryczny,
występuje odchylenie wypadkowego kierunku ruchu
nośników od kierunku przyłożonego pola magnetycznego
(kąt Halla) i związana z tym zmiana rezystywności
materiału.
Rezystancja zwiększa się wraz ze wzrostem indukcji pola
magnetycznego, a przebieg jej zmian zależy zarówno od
wielkości pola, jak i od kształtu elementu. Zjawisko to
nosi nazwę efektu Gaussa.
Zmiany rezystywności są szczególnie widoczne w
półprzewodnikach, ze względu na dużą w porównaniu z
materiałami metalicznymi, ruchliwość nośników ładunku.
Potencjometr tablicowy
Potencjometr tablicowy jest przeznaczony do montażu np. na płycie czołowej. Montuje
się go za pomocą nagwintowanego kołnierza i nakrętki; czasami montuje się go kątowo
na płytce, a tylko oś przechodzi przez płytę czołową. Jest to potencjometr obrotowy ze
ścieżką oporową w kształcie kolistym i posiada oś, która ruchem obrotowym przesuwa
ślizgacz. Jeśli jest to potencjometr suwakowy, to ścieżka wykonana jest w postaci linii
prostej. Do prostszych zastosowań wykorzystuje się tani węglowy materiał oporowy, ale
do bardziej wymagających - cermet, przewodzące tworzywo sztuczne, albo też stosuje się
potencjometry drutowe.
Potencjometr dostrojczy
Potencjometry dostrojcze (trymery) produkowane są z węglową lub cermetową
ścieżką oporową, w wersji wieloobrotowej, w obudowie, lub bez niej. Zazwyczaj są one
mniejsze niż potencjometry tablicowe, nie posiadają osi i kołnierza gwintowanego, stawia
się im mniejsze wymagania mechaniczne. Trymer posiada często czas życia zaledwie 200
obrotów. Wynika to z bardzo dużego docisku ślizgacza do warstwy oporowej w miejscu
styku, po to by osiągnąć wysoką stabilność. Trymery wieloobrotowe produkuje się w
dwóch typach: jeden - z torem prostoliniowym i długą nagwintowaną osią przesuwającą
ślizgacz i drugi - z torem obrotowym, gdzie ślizgacz przesuwany jest przy pomocy ślimaka.
13
Joystick potencjometryczny
Potencjometry – ścieżki
oporowe
Najtańszą i najprostszą jest ścieżka węglowa. Produkowana jest z masy węglowej,
nakładanej pod ciśnieniem na podkład z tekstolitu.
niewielkia moc.
słaba rozdzielczość i liniowość,
wysokie szumy
krotki czas życia.
tanie w produkcji
Potencjometry – ścieżki
oporowe
Alternatywą ścieżki węglowej jest przewodząca ścieżka z tworzywa sztucznego. Jest
to drobnoziarnisty proszek węglowy zmieszany z plastikiem i nakładany pod ciśnieniem na
podłoże.
wysoka rozdzielczość,
niskie szumy: statyczny (ślizgacz nieruchomy), dynamiczny (w czasie ruchu ślizgacza),
długi czas życia (docisk ślizgacza do warstwy oporowej jest niewielki),
mała wytrzymałość mocowa,
mała wytrzymałość prądowa ślizgacza,
Potencjometry – ścieżki
oporowe
Ścieżka cermetowa składa się z mieszaniny metali i ceramiki, nakładanej na podkład
ceramiczny.
wysoka obciążalność mocowa,
wysoce stabilna temperaturowo,
dobra rozdzielczość,
niski szum statyczny (wytrzymuje wysoki nacisk styku ślizgacza),
bardzo dobrą stabilność parametrów w czasie i dlatego ścieżki cermetowe są popularne
w potencjometrach dostrojczych i tablicowych.
wysoka zależność od temperatury rzędu ±1000 ppm/°C.
Potencjometry ze ścieżką plastikową wykorzystywane są głownie w zastosowaniach
przemysłowych, gdzie stawia się wysokie wymagania na rozdzielczość i czas życia, a także
w zastosowaniach elektroakustycznych, gdzie zaletą są niskie szumy.
Potencjometry – ścieżki
oporowe
Potencjometry – zestawienie
materiałów rezystywnych
Ścieżka drutowa W wieloobrotowych potencjometrach precyzyjnych czasami
wykorzystuje się ścieżkę drutową, która jest pokryta warstwą przewodzącego plastiku w
celu zwiększenia rozdzielczości regulacji. Potencjometry drutowe powinny być stosowane
wówczas, gdy przez ślizgacz płynie duży prąd.
wysoka wytrzymałość mocowa,
dobra stabilność temperaturowa,
dobra stabilność czasowa.
Inne zastosowania potencjometrów drutowych to np. regulowane rezystory szeregowe
(reostaty) do regulacji prądu w rożnych typach obciążeń.
14
Potencjometry – zestawienie
własności
Potencjometry charakterystyki
liniowe (A)
Potencjometry - parametry
Maksymalna moc rozpraszana,
Maksymalne napięcie pracy,
Napięcie próby,
Tolerancja,
Zakres temperatury pracy,
Współczynnik temperaturowy,
Kąt obrotu (elektryczny, mechaniczny i aktywny elektryczny),
Rezystancyjny panel dotykowy
logarytmiczne (B)
Potencjometr - parametry
Rezystancja styku występuje między ślizgaczem i ścieżką i jest w znacznym stopniu
zależna od prądu, szczególnie w czasie ruchu ślizgacza. Bardzo małe prądy mają
trudności z przepływem przez cienką warstwę tlenków, które tworzą rodzaj złącza MS.
Problem nasila się podczas przesuwania ślizgacza. Zjawisko to określane jest jako CRV
(Contact Resistance Variation) i można je interpretować jako szum.
Pod pojęciem ENR (Equivalent Noise Resistanse) można rozumieć zmiany rezystancji
ścieżki. Potencjometr drutowy ma wysoką wartość ENR, ponieważ rezystancja zmienia
się skokowo za każdym razem, gdy ślizgacz przesuwa się z jednego zwoju na następny.
CRV wyraża się w procentach całkowitej rezystancji, zaś ENR w ohmach.
Rezystancyjny panel dotykowy
Rezystancyjny panel dotykowy. Czteroprzewodowe panele rezystancyjne należą do
najłatwiejszych w produkcji. Do określenia współrzędnych punktu dotyku wykorzystywane
są obydwie warstwy przewodzące. Pokryte są one zwykle od strony styku tlenkiem
cynkowo-indowym – substancją, która przewodzi prąd i jest zarazem przezroczysta. Na
zewnętrznych krawędziach obu warstw umiejscowione są elektrody do których podłączone
są przewody kontrolera.
15
Rezystancyjny panel dotykowy
Elementy pojemnościowe
Kondensator
Kondensator
Kondensator składa się z dwóch płytek przewodzących prąd elektryczny (elektrod) oraz z
izolatora między płytkami. W ten sposób elektrody można naładować ładunkami
elektrycznymi tak, że nie przemieszczają się one między nimi. Pod pojęciem pojemności C
rozumie się zdolność kondensatora do gromadzenia ładunku Q.
Zmniejszenie odległości między elektrodami d można uzyskać poprzez zastosowanie
odpowiednich izolatorów, np. w formie cienkiej folii. Wykorzystane mogą zostać takie
materiały jak: tworzywa sztuczne, ceramika lub warstwy tlenków.
Materiały te zawierają także dipole, które pozwalają na dodatkowe zwiększenie zdolności
gromadzenia ładunku. W dipolu, atomy umieszczone w polu elektrycznym, ulegają
polaryzacji w wyniku odkształcenia orbit elektronów na powłokach walencyjnych. Dipole
przyciągane przez ładunki znajdujące się na naładowanych elektrodach obracają się
zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego. W rezultacie uzyskuje się zmniejszenie
odległości między elektrodami oraz zwiększenie pojemności.
Jednostką pojemności jest Farad (coulomb/volt). Pojemność zwiększa się wraz ze
zwiększającą się powierzchnią elektrod i zmniejszającą się między nimi odległością.
Kondensator – przenikalność
dielektryka
Kondensator – zastosowania
sprzęgający składową AC,
Wybór dielektryka decyduje o
własnościach kondensatora
(m.in. pojemność, wymiary).
blokujący składową AC,
filtry i obwody rezonansowe,
magazynowanie energii
obwody czasowe,
element odkłócający,
pomiary napięć zmiennych bardzo wysokich amplitud,
16
Kondensator – zachowanie dla
składowej zmiennej
Kondensator, przy przepływie prądu zmiennego, stanowi opór zależny od
częstotliwości, który jest nazywany reaktancją pojemnościową
gdzie X - reaktancja ,  - pulsacja (2××f) i C - pojemność w faradach.
Kondensator – ładowanie
Kondensator – energia
Energię, którą można magazynować w kondensatorze wylicza się ze wzoru:
gdzie E - energia w kondensatorze w Joulach (Ws), C = pojemność w faradach, U napięcie w voltach.
Kondensator – model
Każdy kondensator rzeczywisty posiada elementy pasożytnicze:
Naładowanie i rozładowanie kondensatora zajmuje zawsze pewien czas. Zmiany
ładunku wiążą się z kolei z przepływem prądu przez pewną rezystancję. Najniższa
rezystancja to rezystancja doprowadzeń i elektrod. Przez stałą czasową rozumiemy
czas, po którym kumulacja ładunku zgromadzonego na okładkach kondensatora
spowoduje osiągnięcie 63,2 % (1 − e-1) napięcia wymuszającego na tych okładkach.
Rs - rezystancja szeregowa doprowadzeń, samych elektrod, elektrolitu, jak
również uwzględniająca straty w dielektryku,
gdzie  wyrażony jest w sekundach, o ile R jest w [], a C w [F].
Ls - indukcyjność doprowadzeń i elektrod,
Przyjmuje się, że kondensator jest całkowicie naładowany, po czasie 5 × .
C - pojemność właściwa,
Rp - rezystancja izolacji w dielektryku.
Kondensator – ESR
Poprzez skrót ESR (Equivallent Series Resistance) rozumiemy całkowite straty w
kondensatorze, które poza rezystancją szeregową doprowadzeń i elektrod (R s)
obejmują straty w dielektryku, powstające przy oddziaływaniu na niego zmiennego
pola elektrycznego.
ESR jest funkcją częstotliwości i temperatury.
Straty powodują wzrost temperatury, która musi być kontrolowana, o ile jej wzrost
jest znaczny. Do opisania rezystancji strat stosuje się współczynnik strat (tan):
Kondensator – ESL i Z
ESL (Equivalent Series Inductance), jest indukcyjnością doprowadzeń i elektrod
Ls.Indukcyjność współczesnych kondensatorów zwykle zawiera się w zakresie 10-100
nH.
Impedancja kondensatora jest przedstawiona zależnością:
gdzie Z - impedancja w , X i XL jest odpowiednio reaktancją pojemnościową i
indukcyjną przy danej częstotliwości.
17
Kondensator – parametry 1
Częstotliwość rezonansu własnego,
Prąd upływu – związany ze skończoną wartością rezystancji dielektryka Rp
(krytyczny w obwodach czasowych gdyż związany z samorozładowaniem),
Kondensator – parametry 2
Maksymalne napięcie pracy - zależy od m.in.:
wytrzymałości elektrycznej dielektryka,
Temperaturowy współczynnik pojemnościowy ppm/K (od temperatury
zależy ESR, Rp, ),
grubości,
Odporność na napięcie impulsowe - określa z jaką szybkością (pośrednio
częstotliwością) kondensator może być przeładowywany. Zmiany napięcia powodują
przepływ prądu przez elektrody i doprowadzenia, w rezystancji których następuje
wydzielenie pewnej mocy. Gdy gęstość prądu w elektrodach będzie duża, wzrasta
oporność własna i straty mocy. Przy bardzo wysokich prądach może nastąpić stopienie
i wyparowanie elektrod i wówczas w kondensatorze powstaje ciśnienie gazów, które
może mieć fatalne skutki. Zmiany napięcia prowadza ponadto do strat w dielektryku,
które wspólnie ze stratami w rezystancji powoduj. wzrost temperatury kondensatora.
Odporność na napięcie impulsowe jest podawana łącznie z napięciem pracy, które jest
równe nominalnemu.
rodzaju obudowy,
Kondensator – parametry 3
Zbliżanie się do maksymalnego napięcia pracy powoduje występowanie
absorpcji dielektrycznej. Kiedy kondensator został naładowany, a dipole
dielektryka powstały i zostały obrócone w kierunku pola, to po rozładowaniu
kondensatora nie wszystkie powracają do swojej pierwotnej pozycji. Te dipole,
które pozostały w swoim nowym położeniu powodują, że w rozładowanym
kondensatorze pozostaje pewne napięcie.
Zjawisko to występuje w większym lub mniejszym stopniu we wszystkich
kondensatorach.
W niektórych zastosowaniach np. w obwodach próbkujących, podtrzymujących i
w układach audio, wymaga się, żeby była ona tak niska, jak tylko to jest
możliwe. Absorpcję dielektryczną mierzy się w procentach napięcia
początkowego. Istnieje cały szereg znormalizowanych metod pomiaru tego
parametru.
Kondensatory z tworzyw
sztucznych - poliestrowe
Poliester (PET, politereftalano-etylen) jest tworzywem, z którego można uzyskać
cienkie folie (możliwe jest wytworzenie folii ok. 1μm), łatwe do metalizacji, co z kolei
umożliwia otrzymanie kondensatorów o małych wymiarach i niskiej cenie.
małe wymiary,
niska cena,
wysoka stabilność temperaturowa
mała dokładność pojemności.
Kondensatory poliestrowe z elektrodami z folii metalowej, oznaczane są często KT, a
jeśli są z folii metalizowanej MKT. Używa się ich w mniej odpowiedzialnych miejscach
układów elektronicznych, np. przy odprzęganiu zasilania
odległości między elektrodami i wyprowadzeniami,
temperatury,
częstotliwości.
Kondensatory z tworzyw
sztucznych
Kondensatory z tworzywa sztucznego, w których warstwą dielektryka stanowi
tworzywo sztuczne:
niskia rezystancja elektrod i wysoka rezystancja izolacji,
niskia cena,
niepolaryzowane,
wysoka wytrzymałość napięciowa (do kilku kV),
bardzo mały prąd upływu.
Znajdują zastosowanie jako kondensatory sprzęgające lub blokujące w układach
analogowych i cyfrowych, w obwodach czasowych i filtrach LC. Zakres pojemności
zawiera się w przedziale od 10 pF do 100 μF.
Elektrody wykonuje się w postaci folii metalowej lub folii metalizowanej. Folia
metalizowana powstaje w wyniku naparowania prożniowego cienkiej warstwy metalu
na dielektryk. Zalet. tego rozwiązania jest to, że przy przebiciu
elektrycznym,naparowany metal wyparowuje wokół miejsca przebicia i w ten sposób
nie dochodzi do ewentualnego zwarcia.
Kondensatory z tworzyw
sztucznych - poliwęglanowe
Poliwęglan (PC) pozwala również otrzymać bardzo cienkie folie. Jest stosunkowo
łatwy do metalizacji.
nieco większe wymiary i wyższa cena (niższa stała dielektryczna od poliestru),
niska stratność elektryczna,
Wysokie prawdopodobieństwo zapłonu,
bardzo dobra stabilność.
Kondensatory oznaczone są literami KC i odpowiednio MKC, o ile są z folii
metalizowanej. Kondensatory poliwęglanowe są stosowane w tych miejscach
układów elektronicznych, gdzie można wykorzystać ich wysoką stabilność np. w
strojonych filtrach i generatorach.
18
Kondensatory z tworzyw
sztucznych - polipropylenowe
Polipropylen (PP) z trudem udaje się przerabiać na folie.Wymaga poza tym
wst1pnej obróbki, aby mógł być metalizowany.
duże i drogie w porównaniu z poliestrowymi
i poliwęglanowymi,
Kondensatory z tworzyw
sztucznych - polistyrenowe
Polistyren (styrol, styroflex) jest jednym z pierwszych tworzyw sztucznych,
które w coraz większym stopniu zastępowane jest przez poliwęglany i
polipropylen. Metalizuje się z dużymi trudnościami.
duże gabaryty (niska wytrzymałość elektryczna),
bardzo małe straty,
bardzo niska stratność,
wysoka dokładność pojemności,
wysoka stabilność pojemności,
wysoka stabilność temperaturowa i częstotliwościowa,
niska absorpcja elektryczna.
znakomita odporność na szybkie stany przejściowe,
niska absorpcja dielektryczna.
Kondensatory polipropylenowe z elektrodami z folii oznaczone są KP, zaś z folii
metalizowanej MKP. Kondensatory polipropylenowe używane są często w
zastosowaniach impulsowych i tam, gdzie istotna jest niska absorpcja
dielektryczna np. w obwodach próbkujących i podtrzymujących, jak również w
urządzeniach audio.
Kondensatory z tworzyw
sztucznych - polifenylowe
Wykonane z niego kondensatory wykorzystywane są w kluczowych miejscach
obwodów elektrycznych np. w filtrach.
Kondensatory polistryrenowe oznaczane są symbolem KS.
Kondensatory z tworzyw
sztucznych – technologia
Siarczek polifenylu (PS) jest materiałem, którego główną cechą jest
odporność na wysokie temperatury.
bardzo dobra stabilność,
bardzo niskie straty,
większe gabaryty (niska wytrzymałość elektryczna).
Kondensatory polifenylowe oznaczone są KPS.
Kondensatory z tworzyw
sztucznych – zestawienie
Kondensatory papierowe
Kondensatory papierowe są w większości zastosowań zastępowane
kondensatorami warstwowymi z tworzyw sztucznych. Pomimo wysokiej stałej
dielektrycznej, kondensatory papierowe są większe oraz droższe niż z tworzyw
sztucznych.
odporność na napięcia impulsowe,
bardzo dobre własności samoregenerujące i małe ryzyko zapłonu (niska zawartość
węgla (ok. 3%, dla porównania: 40-70% w tworzywach sztucznych).
Używane są one niemal wyłącznie jako kondensatory odkłócające, w których można
wykorzystywać zalety papieru w stosunku do tworzyw sztucznych. Czasami stosuje się
dielektryk mieszany (folię plastikową i papier).
19
Kondensatory – zestawienie
Kondensatory charakterystyki
Kondensatory ceramiczne
Kondensatory ceramiczne –
klasa 1
Kondensatory ceramiczne są produkowane z jednej lub wielu płytek ceramicznych
z nałożoną elektrodą metalową. Kondensator ceramiczny z pojedynczą warstwą
dielektryka nazywany jest jednowarstwowym, ”single plate” lub kondensatorem
płytkowym. Gdy kondensator zbudowany jest z wielu warstw dielektryka i elektrod,
nazywany jest wielowarstwowym albo kondensatorem monolitycznym.
Istnieje wiele rożnych materiałów i technologii wykonania kondensatorów.
Kondensatory ceramiczne produkuje się w zakresie pojemności od 0,5pF do kilkuset
μF. Kondensatory powyżej 10 μF są jednak rzadko spotykane, ze względu na wysoką
cenę.
Klasa 1 są to materiały o niskiej stałej dielektrycznej.
wysoka stabilność temperaturowa i częstotliwościowa,
wysoka stabilność napięciowa,
wysoka stabilność czasowa,
bardzo niska stratność również przy wysokich częstotliwościach.
Kondensatory jednowarstwowe wytwarzane są o pojemnościach od 0,47pF do 560pF.
Kondensatory wielowarstwowe (multilayer), produkowane z dielektryka NPO, mają
wartości od 10 μF do 0,1 μF.
Stosowane są w układach, w których wymaga się wysokiej stabilności przy
krytycznych warunkach temperatury, np. w układach oscylatorów. Dielektryki klasy 1
posiadają prawie liniowy współczynnik temperaturowy i oznakowane są literą P lub N,
która wskazuje, czy współczynnik jest dodatni, czy ujemny jak również cyfrą która jest
równa współczynnikowi.
Kondensatory ceramiczne –
klasa 1
Kondensatory ceramiczne –
klasa 2
Klasa 2 to materiały o wysokiej stałej dielektrycznej. Posiadaj. niskie straty przy
umiarkowanych parametrach. Dielektrykom ceramicznym tej grupy można przywrócić
początkowe parametry poprzez podgrzanie ich do temperatury Curie (ok. 150° C).
nieliniowa zależność temperaturowa, częstotliwościowa i napięciowa
niskie straty,
starzenie przebiega w tempie 1- 5% na 10 lat,
W klasie 2 wytwarzane są kondensatory jednowarstwowe o pojemnościach 100 pF do
0,1 μF i wielowarstwowe od 10 pF do 47 μF. Stosowane są w średnio krytycznych
punktach układu, np. jako kondensatory odsprzęgające i blokujące.
Dielektryki klasy 2 oznaczane są literą K i liczbą, która odpowiada stałej dielektrycznej
wg normy EIA, z trzema znakami, z których dwa pierwsze wskazują na zakres
temperatury pracy, a trzeci mówi o zmianie pojemności w tym zakresie temperatur.
20
Kondensatory ceramiczne –
klasa 2
Kondensatory ceramiczne –
klasa 3
Klasa 3 dielektryków bazuje na materiałach ferroelektrycznych i często ma ziarnistą
(domenową) strukturę wewnętrzną, gdzie mała pojemność pomiędzy poszczególnymi
ziarnami, wspólnie tworzy dużą pojemność wynikową.
nieco gorsze parametry od ceramiki klasy 2,
mała wytrzymałość napięciowa. (maksymalne napięcie pracy 16 lub 50 V),
kondensatory o dużych pojemnościach posiadają małe gabaryty (bardzo wysoka
stała dielektryczna),
niska cena.
Wytwarzane są o pojemnościach od 1000 pF do 1 µF.
Kondensatory mikowe
Kondensatory mikowe (mica) zbudowane są podobnie, jak ceramiczne
kondensatory wielowarstwowe, ale ponieważ nie podlegają wygrzewaniu w wysokich
temperaturach, elektrody można wykonać ze srebra. Mika jest minerałem
wydobywanym w kopalniach indyjskich, gdzie jego jakość jest szczególnie wysoka.
Jest to minerał twardy i odporny.
bardzo dobra rezystancja izolacji,
Kondensatory elektrolityczne
Kondensatory elektrolityczne mają elektrody aluminiowe albo tantalowe.
Powierzchnia anody (biegun dodatni) jest pokryta bardzo cienką warstwą tlenku,
która pełni rolę dielektryka.
W celu zmniejszenia odległości między warstwą tlenku i katodą (biegun ujemny),
używa się elektrolitu o niskiej rezystancji.
bardzo dobra stratność,
bardzo dobra stabilność,
duże gabaryty,
wysoka cena,
Stosuje się je często w układach wielkiej częstotliwości, gdzie wymagane są nie tylko
niskie straty, ale również wysoka stabilność częstotliwościowa i temperaturowa.
Produkowane są o wartościach pojemności od 1pF do 0,1 μF.
Kondensatory elektrolityczne –
aluminiowe mokre
Kondensatory elektrolityczne aluminiowe, mokre zawierają elektrolit złożony z
kwasu borowego, glikolu, soli i rozpuszczalnika. Elektrody są wytrawione w kąpieli
kwaśnej, w celu uzyskania powierzchni porowatej. W ten sposób powierzchnia
wzrasta aż do 300 razy. Warstewka dielektryka (tlenku) na anodzie jest formowana w
kąpieli z elektrolitem zawierającym wodę, do grubości ok. 13x10 -10 na każdy Volt
napięcia, które ma on wytrzymać. Również katoda posiada cienką (ok. 40x10 -10)
warstwę tlenku. Aby zapobiec wzajemnemu kontaktowi warstw tlenku elektrod, które
mogłyby przez to ulec uszkodzeniu, umieszcza się między nimi separator z cienkiego
papieru. Obudowa kondensatora połączona jest do bieguna ujemnego. Obudowa nie
może być jednak używana jako doprowadzenie.
Kondensatory elektrolityczne –
aluminiowe mokre
względnie wysoki ESR (zależny od wysokiej rezystywności elektrolitu w
porównaniu np. z aluminium lub miedzi),
bardzo duża zależność temperaturowa ESR (szczególnie przy niskich
temperaturach - w dolnej granicy temperatury, ESR może być 20 razy wyższe, niż w
temperaturze pokojowej).
zależność pojemności od temperatury wynosi ±20% dla całego zakresu
temperatury pracy.
duża nieliniowość Rp - Prądy upływu przez dielektryk są określane przy napięciu
nominalnym. Dla niższego napięcia prąd zmniejsza się. Przy połowie napięcia
nominalnego, prąd upływu wynosi zaledwie 20% nominalnego.
duża zależność Rp od temperatury (prądy upływu rosną wraz z temperaturą w pobliżu górnej granicy zakresu temperaturowego, prąd może wzrosnąć 10 razy).
duże szumy
duży prąd upływu
duży ESL.
21
Kondensatory elektrolityczne –
aluminiowe mokre
mała żywotność - przez żywotność kondensatora elektrolitycznego rozumiemy
czas pracy do momentu, kiedy jeden z parametrów takich, jak np. pojemność,
współczynnik strat i prąd upływu przekroczy wartość graniczną. Istnieje wiele rożnych
metod pomiaru czasu życia, co utrudnia porównania.
Przede wszystkim w wyniku różnorodnych zmian fizyko-chemicznych starzeje się
elektrolit. W nowoczesnych kondensatorach elektrolitycznych używa się
rozpuszczalników, które mimo dobrego zamknięcia wyparowują i kondensator
wysycha. Wysoka temperatura kondensatora znacznie przyspiesza proces starzenia.
Np. obniżenie temperatury o 10° C podwaja czas życia.
Kondensatory elektrolityczne aluminiowe suche
Suche elektrolity aluminiowe. Produkowane od niedawna. Różnią się one
znacznie od dzisiejszych suchych kondensatorów aluminiowych. Dla odróżnienia,
współczesne typy, często kondensatory z dwutlenkiem manganu lub organicznymi
półprzewodnikami w roli elektrolitu, nazywamy kondensatorami stałymi z
aluminiowym elektrolitem (SAL).
Elektrolit na bazie dwutlenku manganu posiada niską rezystancję. Elektrody
aluminiowe są wytrawiane i zanurzane w kąpieli formującej, w celu wytworzenia
warstwy tlenku. Między tak wykonane elektrody, wprowadza się separator z włókna
szklanego, pokryty dwutlenkiem manganu. Całość jest zwijana lub zginana dla
uzyskania kształtu kondensatora. Następnie dołącza się wyprowadzenia i umieszcza w
odpowiedniej obudowie.
Kondensatory elektrolityczne –
aluminiowe mokre
Kondensatory elektrolityczne aluminiowe, mokre, produkowane są w zakresie
pojemności od 0,1 μF do 0,5 F. Najwyższa wartość wytrzymałości elektrycznej
produkowanych kondensatorów elektrolitycznych nie przekracza 500V. Najczęściej
tego typu kondensatory stosuje się jako elementy filtrujące w zasilaczach. Dla celów
zmiennoprądowych produkuje się specjalne kondensatory, tzw. bipolarne. Posiadaj.
one doprowadzenia dołączone do anod z warstw tlenku. Między anodami znajduje się
folia katodowa bez doprowadzenia.
Kondensatory elektrolityczne –
aluminiowe suche
Bardzo mały ESR
Temperatura pracy do 125°C,
praca do 10MHz
bardzo dobre właściwości w niskich temperaturach (stałość parametrów)
Zastosowanie:
filtry zasilaczy z przemianą częstotliwości (istotna wartość ESR);
Produkowane są dla pojemności do 100uF.
Kondensatory aluminiowe –
wpływ T,f,t i U
Kondensatory tantalowe
Kondensatory tantalowe. Funkcję dielektryka pełni tlenek tantalu, który posiada
znakomite własności elektryczne. Anoda kondensatora wykonywana jest w procesie
spiekania proszkowego tantalu. Ok. 50% objętości składa się z porów, co powoduje,
że powierzchnia wewnętrzna jest 100 razy większa, niż zewnętrzna. Po pokryciu
warstwą tlenku tantalu w kwaśnej kąpieli formującej, elementy kondensatora zanurza
się w roztworze dwutlenku manganu, który wypełnia wszystkie pory. Aby otrzymać
kontakt z katodą, która składa się z przewodzącej farby srebrnej, pokrywa się element
kondensatora warstwą węgla w postaci grafitu.
22
Kondensatory tantalowe
Kondensatory tantalowe mokre: dielektryk – tlenek tantalu
elektrolit – „sulfuric acid”
Kondensatory tantalowe suche
niska wartość ESR (niska rezystywność tantalu),
małe gabaryty w stosunku do zwykłych kondensatorów elektrolitycznych,
bardzo dobra stabilność temperaturowa,
maksymalne napięcie zaporowe = 15% wartości napięcia nominalnego (maleje
ze wzrostem temperatury),
Zakres do 900V
Zakres temperaturowy do 200 st. C
Kondensatory tantalowe suche: dielektryk – tlenek tantalu
elektrolit – tlenek manganu
Zakres do 50V
wysoka częstotliwość pracy,
tendencja do zwarć jeśli napięcie bądź temperatura graniczna zostaną
przekroczone,
Zastosowanie:
Kondensatory odsprzęgające, blokujące, magazynujące energię,
Układy czasowe (niska upływność).
Kondensatory tantalowe produkuje się o wartościach 0,1F do 1000 F
Kondensatory tantalowe suche
– budowa
Kondensatory tantalowe suche
– model
Kondensatory tantalowe suche
– wpływ T i U
Kondensatory niobowe
Kondensatory niobowe. Funkcję dielektryka pełni tlenek niobu, który posiada dużo
lepszą przenikalność elektryczną  = 40 – większy aniżeli tlenek tantalu. Anoda
kondensatora wykonywana jest w procesie spiekania proszkowego niobu. Katodę z
kolei stanowi elektrolit suchy tlenek manganu MnO2. W innej wersji anodę może
stanowić tlenek niobu – materiał lżejszy od Nb i o dużej konduktwności.
Duża stabilność paramterów elektrycznych
Dostępniejsze i tańsze od kondensatoró tantalowych,
Mniejsze ryzyko zapłonu.
23
Kondensatory Ta i Nb charakterystyki
Kondensatory Ta i Nb charakterystyki
Kondensatory Ta i Nb porównanie
Kondensatory elektrolityczne –
porównanie
Kondensatory dwuwarstwowe
Kondensatory dwuwarstwowe
Kondensator dwuwarstwowy (back-up, supercap, goldcap, itd. ). Nie posiada
dielektryka, niepolaryzowany. Zbudowany jest z wielu pojedynczych elementów
połączonych szeregowo, z których każdy składa się z dwóch warstw węgla
aktywnego, zwilżonych elektrolitem. Warstwy węgla są oddzielone separatorami,
przepuszczającymi jony i zamknięte w hermetycznej osłonie gumowej. Gdy do
kondensatora przyłożone zostaje napięcie, to cząstki węgla w warstwie anodowej
zostają naładowane dodatnio, a katodowej ujemnie, wówczas jony ujemne elektrolitu
wędrują przez separator i zbierają się wokół dodatnich cząstek węgla. Podobnie
zbierają się dodatnie jony w warstwie katody. W ten sposób można gromadzić duże
ładunki elektryczne.
1 gram proszku węglowego może teoretycznie zgromadzić od 200 do 400 Faradow
ładunku.
bardzo wysoki ESR,
długi czas pracy (10000 cykli ładowania i rozładowania),
niski prąd upływu 1A (długie podtrzymywanie napięcia),
duża zależność od temperatury: pojemności i ESR.
Produkowany na pojemności od 10mF do 22F.
Zastosowania: podtrzymywanie zasilania, magazyny energii.
24
Kondensatory regulowane
Kondensatory regulowane –
rodzaje
Kondensatory regulowane (trymery). Składają się z zespołów płytek, gdzie
pojemność zmieniana jest poprzez regulację powierzchni równoległych. Dielektrykiem
jest powietrze. Ze względów technologicznych oraz ograniczone gabaryty
produkowane są na niewielkie pojemności. Typowo uzyskuje się zakresy pojemności
od 1,5pF do 33pF .
Kondensatory regulowane –
trymery mikrofalowe
Dotykowa klawiatura
pojemnościowa
Dotykowa klawiatura pojemnościowa. Obsługa takiej klawiatury wymaga
śledzenia ubytku ładunku, który odprowadzany jest pod wpływem dotyku z jednej z
okładek kondensatora (klawisza, panelu, etc.). Czujnik pojemnościowy składa się z
warstw z przewodzącymi ścieżkami. Materiały użyte do ich naniesienia są identyczne z
tymi w czujniku rezystancyjnym (tlenek indowo cynowy (ITO) na tereftalanie
polietylenu (PET)
25