- Загальні відомості
- Використання ємності
- Історична довідка
- приклади конденсаторів
- маркування конденсаторів
- іоністори
- Ємнісні сенсорні екрани
- Поверхнево-ємнісні екрани
- Проекційно-ємнісні екрани
Сенсорний екран цього планшета виконаний з використанням проекційно-ємнісний технології.
Загальні відомості
Використання ємності
Конденсатори - пристрої для накопичення заряду в електронному обладнанні
Історична довідка
маркування конденсаторів
приклади конденсаторів
іоністори
Ємнісні сенсорні екрани
Поверхнево-ємнісні екрани
Проекційно-ємнісні екрани
Загальні відомості
Вимірювання ємності конденсатора номінальною ємністю 10 мкФ за допомогою осцилографа-мультиметра
Електрична ємність - це величина, що характеризує здатність провідника накопичувати заряд, що дорівнює відношенню електричного заряду до різниці потенціалів між провідниками:
C = Q / Δφ
Тут Q - електричний заряд, вимірюється в кулонах (Кл), - різниця потенціалів, вимірюється в вольтах (В).
В системі СІ електроємність вимірюється в Фарада (Ф). Дана одиниця виміру названа на честь англійського фізика Майкла Фарадея.
Фарад є дуже великою ємністю для ізольованого провідника. Так, металевий відокремлений куля радіусом в 13 радіусів Сонця мав би ємність рівну 1 фарад. А ємність металевої кулі розміром з Землю була б приблизно 710 микрофарад (мкФ).
Так як 1 фарад - дуже велика ємність, тому використовуються менші значення, такі як: микрофарад (мкФ), що дорівнює одній мільйонній Фарада; нанофарадах (нФ), що дорівнює одній мільярдної; пикофарад (пФ), що дорівнює одній трильйонної Фарада.
В системі СГСЕ основною одиницею ємності є сантиметр (см). 1 сантиметр ємності - це електрична ємність кулі з радіусом 1 сантиметр, поміщеного в вакуум. СГСЕ - це розширена система СГС для електродинаміки, тобто, система одиниць в якій сантиметр, грам, і секунда прийняті за базові одиниці для обчислення довжини, маси і часу відповідно. В розширених СГС, включаючи СГСЕ, деякі фізичні константи прийняті за одиницю, щоб спростити формули і полегшити обчислення.
Використання ємності
Конденсатори - пристрої для накопичення заряду в електронному обладнанні
Умовні позначення конденсаторів на принципових схемах
Поняття електричної ємності відноситься не тільки до провідника, а й до конденсатору. Конденсатор - система двох провідників, розділених діелектриком або вакуумом. У найпростішому варіанті конструкція конденсатора складається з двох електродів у вигляді пластин (обкладок). Конденсатор (від лат. Condensare - «ущільнювати», «згущувати») - двухелектродний прилад для накопичення заряду і енергії електромагнітного поля, в найпростішому випадку являє собою два провідники, розділені будь-яким ізолятором. Наприклад, іноді радіоаматори при відсутності готових деталей виготовляють Конденсатори підлаштування для своїх схем з відрізків проводів різного діаметру, ізольованих лаковим покриттям, при цьому більш тонкий провід намотується на більш товстий. Регулюючи число витків, радіоаматори точно налаштовують контуру апаратури на потрібну частоту. Приклади зображення конденсаторів на електричних схемах наведені на малюнку.
Паралельна RLC-ланцюг, що складається з резистора, конденсатора і котушки індуктивності
Історична довідка
Ще 275 років тому були відомі принципи створення конденсаторів. Так, в 1745 р в Лейдені німецький фізик Евальд Юрген фон Клейст і нідерландський фізик Пітер ван Мушенбрук створили перший конденсатор - «лейденську банку» - в ній діелектриком були стінки скляної банки, а обкладинками служили вода в посудині і долоню експериментатора, що тримала посудину. Така «банку» дозволяла накопичувати заряд порядку мікрокулона (мкКл). Після того, як її винайшли, з нею часто проводили експерименти і публічні уявлення. Для цього банку спочатку заряджали статичною електрикою, натираючи її. Після цього один з учасників торкався до банку рукою, і отримував невеликий удар струмом. Відомо, що 700 паризьких ченців, взявшись за руки, провели лейденський експеримент. У той момент, коли перший монах доторкнувся до голівки банки, все 700 ченців, зведені однією судомою, з жахом скрикнули.
До Росії «лейденська банку» прийшла завдяки російському царю Петру I, який познайомився з Мушенбрук під час подорожей по Європі, і докладніше дізнався про експерименти з «лейденської банкою». Петро I заснував в Росії Академію наук, і замовив Мушенбрук різноманітні прилади для Академії наук.
Надалі конденсатори вдосконалилися і ставали менше, а їх ємність - більше. Конденсатори широко застосовуються в електроніці. Наприклад, конденсатор і котушка індуктивності утворюють коливальний контур, який може бути використаний для настройки приймача на потрібну частоту.
Існує кілька типів конденсаторів, що відрізняються постійною або змінною ємністю і матеріалом діелектрика.
приклади конденсаторів
Оксидні конденсатори в блоці харчування сервера.
Промисловість випускає велику кількість типів конденсаторів різного призначення, але головними їх характеристиками є ємність і робоча напруга.
Типові значення ємності конденсаторів змінюються від одиниць пикофарад до сотень микрофарад, виняток становлять іоністори, які мають дещо інший характер формування ємності - за рахунок подвійного шару у електродів - в цьому вони подібні до електрохімічним акумуляторів. Суперконденсатори на основі нанотрубок мають надзвичайно розвинену поверхню електродів. У цих типів конденсаторів типові значення ємності складають десятки фарад, і в деяких випадках вони здатні замінити в якості джерел струму традиційні електрохімічні акумулятори.
Другим за важливістю параметром конденсаторів є його робоча напруга. Перевищення цього параметра може призвести до виходу конденсатора з ладу, тому при побудові реальних схем прийнято застосовувати конденсатори з подвоєним значенням робочої напруги.
Для збільшення значень ємності або робочої напруги використовують прийом об'єднання конденсаторів в батареї. При послідовному з'єднанні двох однотипних конденсаторів робоча напруга подвоюється, а сумарна ємність зменшується в два рази. При паралельному з'єднанні двох однотипних конденсаторів робоча напруга залишається тим самим, а сумарна ємність збільшується в два рази.
Третім за важливістю параметром конденсаторів є температурний коефіцієнт зміни ємності (ТКЕ). Він дає уявлення про зміну ємності в умовах зміни температур.
Залежно від призначення використання, конденсатори поділяються на конденсатори загального призначення, вимоги до параметрів яких некритичні, і на конденсатори спеціального призначення (високовольтні, прецизійні і з різними ТКЕ).
маркування конденсаторів
Подібно резисторам, в залежності від габаритів вироби, може застосовуватися повна маркування із зазначенням номінальної ємності, класу відхилення від номіналу і робочої напруги. Для малогабаритних виконань конденсаторів застосовують кодову маркування з трьох або чотирьох цифр, змішану цифро-буквену маркування та кольорове маркування.
Відповідні таблиці перерахунку маркувань за номіналом, робочою напругою та ТКЕ можна знайти в Інтернеті, але найдієвішим і практичним методом перевірки номіналу і справності елемента реальної схеми залишається безпосереднє вимірювання параметрів Випаяв конденсатора за допомогою мультиметра.
Оксидний конденсатор зібраний з двох алюмінієвих стрічок і паперової прокладки з електролітом. Одна з алюмінієвих стрічок покрита шаром оксиду алюмінію і служить анодом. Катодом служить друга алюмінієва стрічка і паперова стрічка з електролітом. На алюмінієвих стрічках видно сліди електрохімічного травлення, що дозволяє збільшити їх площу поверхні, а значить і ємність конденсатора.
Попередження: оскільки конденсатори можуть накопичувати великий заряд при досить високій напрузі, щоб уникнути ураження електричним струмом необхідно перед вимірюванням параметрів конденсатора розряджати його, закоротив його висновки проводом з високим опором зовнішньої ізоляції. Найкраще для цього підходять штатні дроти вимірювального приладу.
Оксидні конденсатори: даний тип конденсатора має велику питомою ємністю, тобто, ємністю на одиницю ваги конденсатора. Одна обкладка таких конденсаторів є зазвичай алюмінієву стрічку, покриту шаром оксиду алюмінію. Другий обкладанням служить електроліт. Так як оксидні конденсатори мають полярність, то принципово важливо включати такий конденсатор в схему строго відповідно до полярністю напруги.
Твердотільні конденсатори: в них замість традиційного електроліту в якості обкладки використовується органічний полімер, який проводить струм, або напівпровідник.
Трисекційний повітряний конденсатор змінної ємності
Змінні конденсатори: ємність може змінюватися механічним способом, електричною напругою або за допомогою температури.
Плівкові конденсатори: діапазон ємності даного типу конденсаторів становить приблизно від 5 пФ до 100 мкФ.
Є й інші типи конденсаторів.
іоністори
В наші дні популярність набирають іоністори. Іоністор (суперконденсатор) - це гібрид конденсатора і хімічного джерела струму, заряд якого накопичується на межі поділу двох середовищ - електрода і електроліту. Початок створенню іоністорів було покладено в 1957 році, коли був запатентований конденсатор з подвійним електричним шаром на пористих вугільних електродах. Подвійний шар, а також пористий матеріал допомогли збільшити ємність такого конденсатора за рахунок збільшення площі поверхні. Надалі ця технологія доповнювалася і поліпшувалася. На ринок іоністори вийшли на початку вісімдесятих років минулого століття.
З появою іоністорів з'явилася можливість використовувати їх в електричних ланцюгах як джерела напруги. Такі суперконденсатори мають довгий термін служби, малу вагу, високі швидкості зарядки-розрядки. У перспективі даний вид конденсаторів може замінити звичайні акумулятори. Основними недоліками іоністорів є менша, ніж у електрохімічних акумуляторів питома енергія (енергія на одиницю ваги), низька робоча напруга і значний саморозряд.
Іоністори застосовуються в автомобілях Формули-1. У системах рекуперації енергії, при гальмуванні виробляється електроенергія, яка накопичується в маховику, акумуляторах або іоністорів для подальшого використання.
Електромобіль А2В Університету Торонто. Загальний вигляд
У побутовій електроніці іоністори застосовуються для стабілізації основного харчування і в якості резервного джерела живлення таких приладів як плеєри, ліхтарі, в автоматичних комунальних лічильниках і в інших пристроях з батарейним харчуванням і змінюється навантаженням, забезпечуючи харчування при підвищеному навантаженні.
У громадському транспорті застосування іоністорів особливо перспективно для тролейбусів, так як стає можлива реалізація автономного ходу і збільшення маневреності; також іоністори використовуються в деяких автобусах і електромобілях.
Електромобіль А2В Університету Торонто. Під капотом
Електричні автомобілі в теперішньому часі випускають багато компаній, наприклад: General Motors, Nissan, Tesla Motors, Toronto Electric. Університет Торонто спільно з компанією Toronto Electric розробили повністю канадський електромобіль A2B. У ньому використовуються іоністори разом з хімічними джерелами живлення, так зване гібридне електричне зберігання енергії. Двигуни даного автомобіля живляться від акумуляторів вагою 380 кілограм. Також для підзарядки використовуються сонячні батареї, встановлені на даху електромобіля.
Ємнісні сенсорні екрани
У сучасних пристроях все частіше застосовуються сенсорні екрани, які надають право керувати пристроями шляхом дотику до панелей з індикаторами або екранів. Сенсорні екрани бувають різних типів: резистивні, ємнісні та інші. Вони можуть реагувати на одне або кілька одночасних дотиків. Принцип роботи ємнісних екранів грунтується на тому, що предмет великої місткості проводить змінний струм. В даному випадку цим предметом є тіло людини.
Поверхнево-ємнісні екрани
Сенсорний екран iPhone виконаний по проекционно-ємнісний технології.
Таким чином, поверхнево-ємнісний сенсорний екран являє собою скляну панель, покриту прозорим резистивним матеріалом. Як резистивного матеріалу зазвичай застосовується має високу прозорість і мале поверхневий опір сплав оксиду індію та оксиду олова. Електроди, що подають на провідний шар невелике змінну напругу, розташовуються по кутах екрана. При торканні до такого екрану пальцем з'являється витік струму, яка реєструється в чотирьох кутах датчиками і передається в контролер, який визначає координати точки дотику.
Перевага таких екранів полягає в довговічності (близько 6,5 років натискань з проміжком в одну секунду або близько 200 млн. Натискань). Вони володіють високою прозорістю (приблизно 90%). Завдяки цим перевагам, ємнісні екрани вже з 2009 року активно почали витісняти резистивні екрани.
Недолік ємнісних екранів полягає в тому, що вони погано працюють при негативних температурах, є труднощі з використанням таких екранів в рукавичках. Якщо проводить покриття розташоване на зовнішній поверхні, то екран є досить уразливим, тому ємнісні екрани застосовуються лише в тих пристроях, які захищені від негоди.
Проекційно-ємнісні екрани
Крім поверхнево-ємнісних екранів, існують проекционно-ємнісні екрани. Їх відмінність полягає в тому, що на внутрішній стороні екрану нанесена сітка електродів. Електрод, до якого торкаються, разом з тілом людини утворює конденсатор. Завдяки сітці, можна отримати точні координати торкання. Проекційно-ємнісний екран реагує належним чином в тонких рукавичках.
Проекційно-ємнісні екрани також володіють високою прозорістю (близько 90%). Вони довговічні і досить міцні, тому їх широко застосовують не тільки в персональній електроніці, але і в автоматах, в тому числі встановлених на вулиці.
Автор статті: Sergey Akishkin , Tatiana Kondratieva
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.