(α) Σχ. 5/30 Σύμβολα πυκνωτή (α) με πολικότητα, (β) χωρίς πολικότητα

Transcript

1 5. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ Ι ( ΠΥΚΝΩΤΕΣ) Πυκνωτές O πυκνωτής είναι ένα ηλεκτρικό εξάρτημα το οποίο έχει την ιδιότητα να απορροφά και να αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια και να την απελευθερώνει, σε προκαθορισμένο χρόνο. Είναι δηλαδή μια προσωρινή αποθήκη ηλεκτρικής ενέργειας. Ο πυκνωτής συναντιέται σχεδόν σε όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα και έχει τις πιο κάτω βασικές εφαρμογές: Σε κυκλώματα χρονισμού για παροχή χρονικής καθυστέρησης. Σε ηλεκτρονικά φίλτρα (φιλτράρει ανεπιθύμητα ηλεκτρικά σήματα) Σε τροφοδοτικά που μετατρέπουν το εναλλασσόμενο ρεύμα σε συνεχές (σχ. 5/29). Σχ. 5/29 Πυκνωτές σε τροφοδοτικό ηλεκτρονικού υπολογιστή Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός πυκνωτή είναι: Η χωρητικότητά του δηλαδή η ικανότητά του να συγκρατεί ηλεκτρικό φορτίο όταν στους ακροδέκτες του πυκνωτή εφαρμοστεί συγκεκριμένη τάση. Μετρείται σε Farads(F) και συμβολίζεται με το Αγγλικό γράμμα C (Capacitance). Επειδή η μονάδα F είναι πολύ μεγάλη στην πράξη στα ηλεκτρονικά κυκλώματα χρησιμοποιούνται το μικροφάραντ (μf), το νάνοφαραντ (nf) και το πίκοφαραντ (pf), που είναι υποπολλαπλάσια της μονάδας F: 1μ F = 10-6 F (ένα εκατομμυριοστό του F) 1n F = 10-9 F 1p F = F Η μέγιστη τάση λειτουργίας του (π.χ. 16V) Υπάρχουν δύο βασικά είδη πυκνωτών, αυτοί με πολικότητα και αυτοί χωρίς πολικότητα που συνήθως έχουν μικρότερη χωρητικότητα και συμβολίζονται όπως φαίνεται στο σχήμα 5/30 πιο κάτω. (α) Σχ. 5/30 Σύμβολα πυκνωτή (α) με πολικότητα, (β) χωρίς πολικότητα Πυκνωτές με πολικότητα Οι πυκνωτές αυτοί έχουν θετικό (+) και αρνητικό (-) ακροδέκτη και για αυτό για να λειτουργούν κανονικά, πρέπει να συνδέονται με τη σωστή πολικότητα στο κύκλωμα. Δύο πολύ γνωστοί τύποι πυκνωτών με πολικότητα είναι οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές και οι πυκνωτές τανταλίου (σχ. 5/31). Για (β) (α) Σχ. 5/31 Πυκνωτές με πολικότητα (α) Ηλεκτρολυτικοί, (β) Τανταλίου (β) 30

2 την κατασκευή ηλεκτρονικών κυκλωμάτων στο Γυμνάσιο, χρησιμοποιούμε συνήθως τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές. Για αναγνώριση των ακροδεκτών του ηλεκτρολυτικού πυκνωτή συνήθως υπάρχει ένδειξη στο κέλυφος του πυκνωτή. Επίσης ο αρνητικός ακροδέκτης είναι πιο κοντός από το θετικό. Στον πυκνωτή αναγράφεται και η τιμή της μέγιστης τάσης λειτουργίας του (π.χ. 10V, 16V, 25V κτλ. ) (σχ. 5/32). Το εργαστήριο μας διαθέτει ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές με τιμές από 1μF μέχρι 1000 μf. Σχ. 5/32 Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών Πυκνωτές χωρίς πολικότητα Η χωρητικότητα των πυκνωτών αυτών είναι πολύ μικρή και αφού δεν έχουν πολικότητα η σύνδεσή τους σε κύκλωμα δε χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή. Στην αγορά υπάρχουν αρκετά είδη πυκνωτών χωρίς πολικότητα, στο μάθημα μας χρησιμοποιούνται κυρίως οι πυκνωτές πολυέστερ και οι κεραμικοί που φαίνονται στο σχ. 5/33 (α) Πυκνωτές τύπου πολυέστερ (β) Κεραμικοί πυκνωτές Σχ. 5/33 Πυκνωτές χωρίς πολικότητα που χρησιμοποιούνται στο μάθημα Ο πυκνωτής χρησιμοποιείται όπως ήδη έχει αναφερθεί σε συστήματα φιλτραρίσματος της τάσης και γενικά σε κυκλώματα όπου χρειάζεται η χρονική καθυστέρηση. Μεγάλης χωρητικότητας πυκνωτές έχουν εφαρμογή στις βιομηχανίες για την εξοικονόμηση ενέργειας. Στο μάθημα μας οι μαθητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν το πυκνωτή για το σχεδιασμό και κατασκευή απλών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων χρονικής καθυστέρησης. Σχ. 5/34 Ηλεκτρονική κατασκευή μαθητή που χρησιμοποιεί απλό κύκλωμα χρονικής καθυστέρησης. Διακρίνεται ο πυκνωτής 31

3 R Φόρτιση και εκφόρτιση του πυκνωτή Το φαινόμενο απορρόφησης ηλεκτρικού φορτίου από ένα πυκνωτή ονομάζεται φόρτιση του πυκνωτή ενώ η απελευθέρωση του φορτίου ονομάζεται εκφόρτιση του πυκνωτή. Σε πολλές περιπτώσεις σε συγκεκριμένο τμήμα του ηλεκτρονικού μας κυκλώματος χρειάζεται όπως η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος να μην έχει σταθερή τιμή, αλλά να μεταβάλλεται σε σχέση με το χρόνο. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη, σε σειρά συνδεσμολογία αντιστάτη πυκνωτή όπως φαίνεται στο σχήμα 5/35. Με το διακόπτη SW κλειστό, το ρεύμα ρέει διαμέσου του αντιστάτη R και φορτίζει το πυκνωτή. O ρυθμός με τον οποίο ο πυκνωτής φορτίζεται εξαρτάται από τις τιμές του C PS αντιστάτη και του πυκνωτή. Με σχετικά μικρή τιμή του αντιστάτη ο πυκνωτής φορτίζεται γρήγορα (σχεδόν Σχ.5/35 Συνδεσμολογία αντιστάτη πυκνωτή με διακόπτη ακαριαίας εκφόρτισης ακαριαία) και όσο αυξάνεται η τιμή του αντιστάτη (είτε του πυκνωτή ή και των δύο), η φόρτιση παίρνει περισσότερο χρόνο. Η γραφική παράσταση του σχήματος 5/36 δείχνει τη σχέση της τάσης στα άκρα του πυκνωτή σε συνάρτηση με το χρόνο φόρτισης. τάση (volts) Παρατηρούμε ότι, κατά τη διάρκεια φόρτισης του πυκνωτή η τάση στα άκρα του αυξάνεται μέχρι που φτάνει σχεδόν την τιμή της τάσης της πηγής, οπότε U και η φόρτιση πρακτικά σταματά. Ταυτόχρονα το ρεύμα που ρέει στον πυκνωτή κατά τη φόρτιση, μειώνεται αφού ο φορτισμένος πυκνωτής συμπεριφέρεται σαν ένας αντιστάτης με πολύ μεγάλη αντίσταση. xρόνος (sec.) Ο πυκνωτής θα εκφορτιστεί ακαριαία αν πατήσουμε τον ωστικό διακόπτη PS. Μπορούμε αν επιθυμούμε να δώσουμε κάποια καθυστέρηση χρόνου στην Σχ.5/36 Γραφική παράσταση φόρτισης του πυκνωτή εκφόρτιση του πυκνωτή. Η εκφόρτιση να γίνεται δηλαδή σταδιακά. Αυτό μπορεί να γίνει ακριβώς με τον ίδιο τρόπο όπως με τη περίπτωση της φόρτισης. Δηλαδή με συνδεσμολογία πυκνωτή-αντιστάτη (σχ. 5/37α) U SW R U R1 τάση (volts) SW R2 C (α) (β) xρόνος (sec.) Σχ. 5/37 Κύκλωμα φόρτισης και εκφόρτισης πυκνωτή (α) και σχετική γραφική παράσταση (β) Όπως και στην περίπτωση φόρτισης, ο ρυθμός με τον οποίο ο πυκνωτής εκφορτίζεται εξαρτάται από την τιμή του αντιστάτη και του πυκνωτή. Ο πυκνωτής εκφορτίζεται γρήγορα και όσο αυξάνεται η τιμή, είτε του αντιστάτη (ή του πυκνωτή ή και των δύο), η εκφόρτιση παίρνει περισσότερο χρόνο. Η γραφική παράσταση του σχήματος 5/37β δείχνει τη σχέση της τάσης στα άκρα του πυκνωτή σε συνάρτηση με το χρόνο εκφόρτισης. Παρατηρούμε ότι, κατά τη διάρκεια εκφόρτισης του πυκνωτή η τάση στα άκρα του μειώνεται μέχρι που φτάνει σχεδόν στα 0V, οπότε και η εκφόρτιση πρακτικά σταματά. Ο πυκνωτής στο σημείο αυτό συμπεριφέρεται σαν ένα αντιστάτης με πάρα πολύ μικρή αντίσταση, έτοιμος για νέο κύκλο φόρτισης εκφόρτισης. 32