Τ. Ε. Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ: Σ.Τ.Εφ. ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι

Transcript

1 Τ. Ε. Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ: Σ.Τ.Εφ. ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι Άσκηση 8 η : ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΑΝΩ ΣΕ ΠΥΚΝΩΤΕΣ ΚΑΙ ΠΗΝΙΑ 1. Πυκνωτής Πυκνωτής ονομάζεται η διάταξη εκείνη που αποτελείται από δύο αγώγιμες πλάκες οι οποίες χωρίζονται μεταξύ τους από κάποιο μονωτικό υλικό. Οι αγώγιμες πλάκες ονομάζονται οπλισμοί και το μονωτικό υλικό ονομάζεται διηλεκτρικό. Ο πυκνωτής έχει την ιδιότητα να συγκρατεί στους οπλισμούς του ηλεκτρικό φορτίο, όταν εφαρμοστεί μια τάση στα άκρα του. Η ποσότητα του φορτίου που μπορεί να συγκρατήσει ο πυκνωτής εξαρτάται από την επιφάνεια των οπλισμών του και την απόσταση μεταξύ των οπλισμών. όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια των οπλισμών και όσο μικρότερη η απόσταση των οπλισμών μεταξύ τους, τόσο μεγαλύτερο φορτίο μπορεί να συγκρατήσει. Το είδος του διηλεκτρικού υλικού παίζει πολύ μεγάλο ρόλο στην συγκράτηση του φορτίου που εκφράζεται με τον όρο χωρητικότητα. Άρα λοιπόν η ικανότητα ενός πυκνωτή να αποθηκεύει ενέργεια ονομάζεται χωρητικότητα. Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή συμβολίζεται με το γράμμα C και μονάδα μέτρησής της είναι το Farad. οπλισμοί ακροδέκτης ακροδέκτης διηλεκτρικό Σχήμα 1. Δομή πυκνωτή 1.1. Τύποι πυκνωτών Οι πυκνωτές υπάρχουν σε πολλά σχήματα και μεγέθη με διαφορετικά διηλεκτρικά ανάλογα με το εργοστάσιο κατασκευής, τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους και τη χρήση που προορίζονται. Έτσι έχουμε κεραμικούς με διηλεκτρικό κεραμικό υλικό, polyester με διηλεκτρικό πλαστικό κλπ. Στο διάγραμμα παρουσιάζονται διάφοροι τύποι πυκνωτών.

2 Κεραμικοί πυκνωτές Έχουν σχήμα κυλινδρικό (φακή) ή τετράγωνο πλακέ έχουν πολύ μικρό μέγεθος και διατίθενται σε τάσεις-μέχρι και μερικές χιλιάδες V και σε χωρητικότητες από μερικά δέκατα του pf μέχρι μερικά μf. Είναι οι πιο συνηθισμένοι και φθηνότεροι πυκνωτές. Έχουν σαν διηλεκτρικό κάποιο κεραμικό υλικό. Χρησιμοποιούνται κυρίως σ ε κυκλώματα RF, αλλά και σε κυκλώματα ενισχυτών, τροφοδοτικών δεκτών, κλπ. Δεν έχουν πολικότητα και αντέχουν στην καταπόνηση από κόλληση. Πυκ νωτής ΝΡΟ Ένας ειδικός τύπος κεραμικού πυκνωτή με ειδική κατασκευή που το κυριότερο χαρακτηριστικό του είναι ότι είναι ανεπηρέαστος από τις θερμοκρασιακές μεταβολές. Διατίθεται σε τιμές από λίγα pf μέχρι μερικά nf. Χρησιμοποιείται σε ευαίσθητα και κρίσιμα κυκλώματα. Πυκνωτές κεραμικοί MULTILAYERS Ένας άλλος ειδικός τύπος κεραμικού πυκνωτή με ειδική κατασκευή πολλαπλών στρωμάτων για βελτίωση των χαρακτηριστικών του και ελάττωση του μεγέθους του. Χρησιμοποιούνται σε όλες τις σύγχρονες κατασκευές ακόμα και στις κάρτες υπολογιστών και περιφερειακών. Πυκνωτές μίκας Ένας ειδικός τύπος κεραμικών πυκνωτών είναι και οι πυκνωτές μίκας που έχουν διηλεκτρικό μίκα και χρησιμοποιούνται στη θέση των κεραμικών όταν χρειάζεται σταθερή τιμή χωρητικότητας έναντι της επίδρασης της θερμοκρασίας. Διατίθενται στις ίδιες περίπου τιμές με τους κεραμικούς.

3 Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές Έχουν πολικότητα και ο θετικός ακροδέκτης συνήθως δηλώνεται με ένα (+) επάνω στο σώμα τους ή είναι μακρύτερος του αρνητικού, αλλά πολλά εργοστάσια μαρκάρουν τον αρνητικό ακροδέκτη με την ένδειξη ( ). Επειδή έχουν πολικότητα δεν πρέπει να συνδέονται ανάποδα, γιατί υπάρχει κίνδυνος υπερθέρμανση ακόμα και έκρηξης. Διατίθενται σε χωρητικότητες από 0,5 μf μέχρι μερικές εκατοντάδες μf. Παρέχουν την μεγαλύτερη χωρητικότητα στις μικρότερες διαστάσεις και το μικρότερο κόστος και χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε τροφοδοτικά, φίλτρα, συζεύξεις, αναδράσεις κλπ. Μια ειδική περίπτωση ηλεκτρολυτικών πυκνωτών είναι οι πυκνωτές bipolar (χωρίς πολικότητα) που χρησιμοποιούνται κυρίως στα φίλτρα (crossover για ηχεία). Το κυριότερο μειονέκτημά τους είναι το σχετικά μεγάλο ρεύμα διαρροής που οφείλεται στον ηλεκτρολύτη του διηλεκτρικού που είναι ειδικό χαρτί εμποτισμένο με κάποιο χημικό υγρό που ευνοεί μεν την αύξηση της χωρητικότητας, αλλά και την αύξηση του ρεύματος διαρροής. TANTALUM - Πυκνωτές τανταλίου Έχουν πολικότητα με σημαδεμένο συνήθως τον θετικό ακροδέκτη, και σχήμα σταγόνας ή ορθογώνιο. Διατίθενται σε χωρητικότητες από μερικά nf μέχρι μερικές εκατοντάδες μf και τάσεις μέχρι 63 V. Έχουν μεγάλη χωρητικότητα σε μικρό μέγεθος αλλά και μικρή τάση εργασίας. Έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά με τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, αλλά έχουν μικρότερο μέγεθος, καλύτερα χαρακτηριστικά, είναι πιο αξιόπιστοι, αλλά και κατά πολύ ακριβότεροι Μπορούν σε ορισμένες περιπτώσεις να αντικαταστήσουν μικρούς ηλεκτρολυτικούς για καλύτερα αποτελέσματα. Πυκνωτές πολυέστερ. Είναι οι πιο συνηθισμένοι τύποι πυκνωτών και ονομάζονται πολυέστερ γιατί το διηλεκτρικό τους είναι ένα πολυμερές πλαστικό. Έχουν μικρό μέγεθος και τα χαρακτηριστικά τους ποικίλουν ανάλογα με το υλικό του διηλεκτρικού. Έτσι έχουμε πυκνωτές με πολύ μεγάλη σταθερότητα, πυκνωτές που αντέχουν σε υψηλά ρεύματα, η πυκνωτές που διατηρούν την τιμή τους σταθερή για μεγάλο χρονικό διάστημα. Υπάρχουν σε πολλούς τύπους και παίρνουν το όνομά τους ανάλογα με το διηλεκτρικό τους όπως πολυστερίνης, πολυκαρμπονέϊτ, ΜΚΤ, κλπ. MKT (Metallized Polyethyleneterephthalate Rim) - Ο κλασσικός πολυέστερ. Μικρό σχήμα σε ποικιλία μεγεθών χωρητικοτήτων και τάσεων. Διατίθεται σε χωρητικότητες από μερικά nf, μέχρι μερικά μf και τάσεις μέχρι 630 V DC και είναι ο πιο δημοφιλής πυκνωτής για ερασιτεχνικές κατασκευές. Κυριότερες χρήσεις: Γενικής χρήσης, σύζευξη, απόζευξη, διαφυγή, πόλωση, φίλτρα, κλπ. ΚΤ (Polyethyleneterephthalate Film/Foil) - πολυέστερ Υπάρχει σε μεγάλη ποικιλία μεγεθών σε πολλές χωρητικότητες από μερικά nf μέχρι μερικά μf και τάσεις πάνω από 1000 V. Κυριότερες χρήσεις: Πυκνωτής γενικής χρήσης, αλλά κυρίως για υψηλά ρεύματα, όπως dimmers, τροφοδοτικά, κυκλώματα με triac, thyristor, κλπ KC (Polycarbonate film) Πολυκορμπονέϊτ Πυκνωτής γενικής χρήσης σε μικρό μέγεθος και χωρητικότητες από μερικά nf μέχρι μερικά μf και τάσεις από V DC. Κυριότερες χρήσεις: σύζευξη, απόζευξη,

4 διαφυγή, πόλωση κλπ. Κυριότερα χαρακτηριστικά του η σταθερότητα το μικρό μέγεθος και τα χαμηλό κόστος. MKC (Metalized Polycarbonate Film) Επιμεταλλωμένου πολυκορμπονέϊτ Βελτιωμένος τύπος του πυκνωτή KC. Υπάρχει σε χωρητικότητες από μερικά nf μέχρι μερικά μf και τάσεις από V DC. Κυριότερες χρήσεις: σύζευξη, απόζευξη, διαφυγή, πόλωση κλπ. Έχει μεγαλύτερη σταθερότητα από τον αντίστοιχο πυκνωτή KC αλλά μεγαλύτερο κόστος. KS (Polystyrene Film) - Πολυστερίνης Υπάρχει σε τάσεις μέχρι 100 V και χωρητικότητες από λίγα pf μέχρι μερικές εκατοντάδες nf. Κυριότερες χρήσεις: Όπου απαιτείται μεγάλη αξιοπιστία με χαμηλές απώλειες και μεγάλη ακρίβεια όπως φίλτρα, συντονισμένα κυκλώματα κλπ. ΚΡ (Polypropylene Film) - Πολυπροπυλενίου Διατίθεται σε τάσεις μέχρι 1000 V και χωρητικότητες από μερικά nf μέχρι λίγα μf. Κυριότερες χρήσεις: Αντοχή σε υψηλό ρεύματα, σε κυκλώματα οριζόντιας απόκλισης στην T.V. προστασίες από αιχμές τάσεων κλπ. ΜΚΡ (Metalized Polypropylene film) Επιμεταλλωμένου φύλλου πολυπροπυλενίου Διατίθεται σε τάσεις πάνω από 1000 V και χωρητικότητες από μερικά nf μέχρί λίγα μf. Κυριότερες χρήσεις: Αντοχή σε υψηλά ρεύματα, σε κυκλώματα οριζόντιας απόκλισης στην T.V. προστασίες από αιχμές τάσεων κλπ. SMD - Πυκνωτές επιφανειακής στήριξης. Είναι οι τελευταία "σοδειά" πυκνωτών πολύ μικρού μεγέθους για τις απαιτήσεις των σύγχρονων κατασκευών. Έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά με τους αντίστοιχους συμβατικούς, αλλά επειδή είναι κατασκευασμένοι από ειδικά υλικά, έχουν πολύ μικρότερο μέγεθος, και μεγαλύτερη αξιοπιστία με ελάχιστα μεγαλύτερο κόστος. VARIABLE CAPACITORS - Πυκνωτές μεταβλητοί Χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα ταλαντωτών για ρύθμιση συχνότητας. Υπάρχουν σε πολλούς τύπους όπως μικροί μεταβλητοί με διηλεκτρικό λεπτά πλαστικά φύλλα που χρησιμοποιούνται κυρίως σε δέκτες και ραδιόφωνα, αλλά και μεγάλοι αραιόφυλλοι με μεταλλικά φύλλα και διηλεκτρικό τον αέρα, που χρησιμοποιούνται κυρίως σε βαθμίδες ταλάντωσης και εξόδου πομπών. Trimmers - Πυκνωτές ρυθμιζόμενοι Είναι και αυτοί ρυθμιζόμενοι αλλά σε πολύ μικρότερο σχήμα. Χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα ταλαντωτών για ρύθμιση συχνότητας. Υπάρχουν σε πολλούς τύπους όπως μικροί μεταβλητοί με διηλεκτρικό λεπτά πλαστικά φύλλα ή κεραμικοί, αλλά και μεγαλύτεροι που χρησιμοποιούνται σε βαθμίδες εξόδου μικρών πομπών.

5 PAPER CAPACITOR - Πυκνωτές χάρτου Μέτριας ποιότητας πυκνωτές με διηλεκτρικό ειδικό τύπο χαρτιού. Έχουν μεγάλη αστάθεια στις μεταβολές της θερμοκρασίας γι αυτό το λόγο δε συνιστώνται σε κρίσιμα κυκλώματα ακρίβειας. Είναι πυκνωτές γενικής χρήσης για απλά κυκλώματα όπου δεν ενδιαφέρει η ακρίβεια και η ποιότητα, και τείνουν να εγκαταλειφθούν. Κυκλοφορούν σε τιμές από 1 nf μέχρι 1 μf και τάσεις μέχρι 1000 V. 1.. Σύμβολα πυκνωτών (α) (β) (γ) (δ) Σχήμα : (α) Σταθερός πυκνωτής, (β) Ηλεκτρολυτικός, (γ) Μεταβλητός, (δ) Ρυθμιζόμενος 1.3. Χαρακτηριστικά μεγέθη πυκνωτών Η ονομαστική χωρητικότητα η οποία αναγράφεται επάνω στον πυκνωτή συνήθως σε μf ή pf. Οι πυκνωτές διατίθενται στο εμπόριο σε ορισμένες τιμές χωρητικότητας, είναι δηλαδή τυποποιημένοι. Σε πυκνωτές μικρών διαστάσεων που τοποθετούνται στα ηλεκτρονικά κυκλώματα, η χωρητικότητα δεν αναγράφεται αριθμητικά αλλά χρησιμοποιείται κώδικας χρωμάτων και γραμμών, όπως στις ωμικές αντιστάσεις. Η ανοχή (%). Αναφέρεται στη μέγιστη επί τοις εκατό απόκλιση της πραγματικής τιμής της χωρητικότητας του πυκνωτή σε σχέση με την αναγραφόμενη ονομαστική τιμή. Είναι δείκτης ποιότητας του πυκνωτή. Κυμαίνεται από ± 1% έως και ± 50%, ανάλογα με την ποιοτική κατηγορία του πυκνωτή. Η ονομαστική τάση λειτουργίας. Είναι η τάση σε V ή ΚV που μπορεί να εφαρμόζεται συνεχώς στον πυκνωτή χωρίς κίνδυνο καταστροφής του. Μπορεί να αναφέρεται ξεχωριστά σε συνεχή ( DC ) και σε εναλλασσόμενη τάση ( AC ). Τα θερμοκρασιακά όρια λειτουργίας του πυκνωτή (π.χ. 40 C έως +85 C) ή η μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία λειτουργίας του. Η ωμική αντίσταση που παρουσιάζει ο πυκνωτής, αν συνδεθεί σε συνεχή τάση. Ο ιδανικός πυκνωτής θεωρείται ως τέλειος μονωτής. Στην πραγματικότητα υπάρχει πάντα ένα πολύ μικρό ωμικό ρεύμα το οποίο περνά μέσα από το διηλεκτρικό του πυκνωτή. Η ωμική αντίσταση των πυκνωτών κυμαίνεται συνήθως μεταξύ μερικών ΜΩ και μερικών χιλιάδων ΜΩ ανάλογα με τον τύπο του πυκνωτή. Τη μικρότερη ωμική αντίσταση έχουν οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές. Ο συντελεστής απωλειών (εφδ του πυκνωτή). Αναφέρεται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα του ρεύματος στην οποία λειτουργεί ο πυκνωτής (π.χ. 50 Hz, 1 MHz) και αποτελεί μέτρο των απωλειών ενέργειας του πυκνωτή με τη μορφή θερμότητας (απώλειες Joule). Όσο πιο μικρός είναι ο συντελεστής απωλειών, τόσο μικρότερες είναι οι απώλειες Joule στον πυκνωτή.. Πηνία Όταν ένας αγωγός η πηνίο διαρρέεται από ρεύμα, τότε γύρω από τον αγωγό η το πηνίο αναπτύσσεται μαγνητικό πεδίο στο μονωτικό χώρο που τα περιβάλλει. Αν το ρεύμα αυξάνεται, αυξάνει και η μαγνητική ροή, η οποία παράγει μία τάση στον αγωγό η το πηνίο τέτοιας πολικότητας που να αντιτίθεται στην αύξηση της μαγνητικής ροής. Όταν το ρεύμα μειώνεται, η τάση που αναπτύσσεται στον αγωγό η το πηνίο είναι τέτοιας πολικότητας που αντιτίθεται στη μείωση της μαγνητικής ροής, δηλαδή έχει ίδια φορά με αυτή της τάσης τροφοδοσίας. Αιτία γι' αυτό το φαινόμενο είναι το ρεύμα του ίδιου του αγωγού η πηνίου και η διαφορά δυναμικού που εμφανίζεται στα άκρα του ονομάζεται ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) από αυτεπαγωγή, οφείλεται δε στη μεταβολή του ίδιου του μαγνητικού πεδίου του αγωγού ή πηνίου και το φαινόμενο ονομάζεται αυτεπαγωγή. Αυτό το φαινόμενο είναι περισσότερο έντονο όταν το

6 ηλεκτρικό κύκλωμα (πηνίο), αποτελείται από πολλές ομοαξονικές σπείρες. Έτσι το εξάρτημα που αποθηκεύει και αποδίδει ενέργεια με τη μορφή μαγνητικού πεδίου είναι το πηνίο..1. Κατηγορίες πηνίων 1. Πειραματικό μέρος C 1 C1 C C (α) 3.1. Απαιτούμενος εξοπλισμός :,nf και 5,6nF (κεραμικοί) Πυκνωτές :,nf και nf (πολυεστερικοί) : 10 μf και 47 μf (ηλεκτρολυτικοί) Πηνία : 3,3 mh και 4,7 mh (χάνδρας ή ραβδίου) Όργανα : DMM πολύμετρο και RLC γέφυρα Υλικά : Breadboard και αγωγοί σύνδεσης. (β) 3.. Αναγνώριση πυκνωτή και μέτρηση χωρητικότητας i. Ταξινομήστε τους πυκνωτές που σας διατέθηκαν για το πείραμα και κατατάξετε αυτούς σε ομάδες ίδιου τύπου, με γνώρισμα το διηλεκτρικό τους. ii. Αποκωδικοποιήστε το μαρκάρισμα που αποτυπώνεται στο σώμα των υλικών και, ακολούθως, μετρήστε τη χωρητικότητα κάθε πυκνωτή με DMM πολύμετρο, σε χρήση «καπασιτομέτρου».

7 iii. Καταχωρήστε τα προηγούμενα στοιχεία στον Πίνακα Ι και σημειώστε αν κρίνετε απαραίτητο παρατηρήσεις. Πίνακας Ι α/α Τύπος Μαρκάρισμα Αποκωδικοποίηση Μέτρηση Παρατηρήσεις Βασικές συνδεσμολογίες πυκνωτών. i. Επιλέξτε ξεχωρίστε, από τα υλικά του πειράματος, την ομάδα των «πολυεστερικών» πυκνωτών και υλοποιήστε τις συνδεσμολογίες του σχεδίου έργου. ii. Πραγματοποιήστε αρχικά τη βασική συνδεσμολογία σειράς, έπειτα τη παράλληλη συνδεσμολογία και μετρήστε την ολική χωρητικότητα των πυκνωτών σε κάθε περίπτωση. iii. Επιβεβαιώστε τις τιμές μέτρησης αναλυτικά, μέσω των τύπων: Συνδεσμολογία σε σειρά C C C s 1 Παράλληλη συνδεσμολογία Cp C1 C και λύστε τις συνδέσεις των πυκνωτών. 4. Αποκωδικοποίηση, μέτρηση και σύνδεση πηνίων i. Αναγνωρίστε και ξεχωρίστε τα πηνία, μεταξύ των υλικών του πειράματος, αποκωδικοποιήστε το μαρκάρισμα, που αποτυπώνεται στο σώμα τους και σημειώστε την αυτεπαγωγή κατά τιμή και ανοχή. ii. Μετρήστε την αυτεπαγωγή κάθε πηνίου και ελέγξατε αν οι τιμές μέτρησης περιλαμβάνονται μέσα στα όρια που υποδεικνύονται από τα κατασκευαστικά τους δεδομένα. iii. Πραγματοποιήστε τις δύο βασικές συνδεσμολογίες πηνίων, (σειράς και παράλληλης), μετρήστε την ολική αυτεπαγωγή σε κάθε περίπτωση, επιβεβαιώστε τις τιμές μέτρησης αναλυτικά και λύστε τις συνδέσεις. Συνδεσμολογία σε σειρά Ls L1 L Παράλληλη συνδεσμολογία L L L p 1