1

Nowoczesne Podzespoły Elektroniczne – wykład 1

dr inż. Kamil Grabowski

kgrabowski@dmcs.pl

pok.28, B18

Plan wykładu

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

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

Plan wykładu

obudowy podzespołów elektronicznych do montażu przewlekanego i powierzchniowego,

określenie typu i rozmiaru pól lutowniczych;

Forma zaliczenia

Kolokwium na ostatnim wykładzie

(czas trwania: 45min)

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

2

Literatura

Rymarski Z.: Materiałoznawstwo i konstrukcja urządzeń elektronicznych. Projektowanie i produkcja urządzeń elektronicznych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Skrypty Uczelniane nr 2178, Gliwice, 2000

Elementy rzeczywiste

Model rezystora rzeczywistego

Schemat

Rzeczywisty element

Model rezystora rzeczywistego

Zachowanie rezystora rzeczywistego

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).

3

Rezystywność materiałów Rezystor – podział

Możemy dokonać podziału rezystorów na:

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

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 – 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 Rezystor – oznaczenia

4

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 – model

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.

Wartość maksymalna Ths zależy od np. materiałów izolacyjnych, obudowy i izolacji termicznej (Rth) pomiędzy elementem oporowym i powierzchnią

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.

5

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,

rezystorów izolowanych silikonem i zamkniętych w aluminium ok. 200° C,

rezystorów pokrytych szkliwem ok. 350° C.

Rezystor – termika

Przekroczenie, a nawet zbliżanie się do maksymalnej temperatury (Ths) rezystora, zwykle oznacza bardziej lub mniej gwałtowne skrócenie jego żywotności.

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 – tolerancja

Rezystor – współczynnik 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.

Rezystor – rozkład temp.

6

Rezystor – napięcie pracy

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:

Napięcie izolacji (wytrzymałość napięciowa) - jest to napięcie, które wytrzymuje izolacja wokół elementu oporowego.

Rezystor – szumy

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:

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

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 – model szumów

Wskaźnik szumów prądowych

Rezystor – szumy rezystorów cermetowych

Rezystor – szumy rezystorów chromowo-niklowych

7

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

Zmiana rezystancji rezystora poddanego próbie, względem wartości rezystancji na początku próby. Największe zmiany rezys- Tancji wykazują rezystory kompozycyjne

węglowe, najbardziej stabilne są rezystory drutowe i warstwowe NiCr(metalizowane).

Rezystor – stabilność

Rezystor – stabilność Rezystory – podział

8

Rezystory węglowe 1 Rezystory węglowe kompozytowe. Składają się z wałka, lub rurki węglowej z przylutowanymi wyprowadzeniami. O wartości rezystancji decyduje skład materiałowy części węglowej.

Zalety:

niska indukcyjność (układy przełączające),

odporność na chwilowe przeciążenia,

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,

współczynnik temperaturowy (−200 do −2000 ppm/K),

dużą zależność od napięcia (200−500 ppm/V),

wysoki szum i zła stabilność długotrwała.

Rezystory węglowe 2 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.

Zalety:

tanie,

zależność napięciowa poniżej 100 ppm/V,

Wady:

wysoki współczynnik temperaturowy (−200 do −1000 ppm/K),

wysoki poziom szumu,

słaba 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.

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 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

Rezystory w wykonaniu SMD

9

Rezystory tlenkowe Rezystory z tlenków metali (metal oxide). Warstwa oporowa tworzona jest przez spirale z tlenku cyny.

Zalety:

współczynnik temperaturowy ok. ±200ppm/K,

niski poziom szumów,

zależność napięciowa < 10 ppm/V,

duża odporność na chwilowe przeciążenia i wysokie temperatury (alternatywa dla rezystorów drutowych dużej mocy i dużych rezystancji)

bardzo wysoka stabilność długotrwała (precyzyjne układy pomiarowe),

Wady:

umiarkowane własności wysokoczęstotliwościowe (średnia pojemność własna 0,4pF)

Rezystory foliowe Rezystory foliowe. Warstwa oporowa tworzona jest na specjalnej folii rezystywnej, zaś wartość rezystancji kształtowana jest w procesie trawienia bądź wycinania.

Zalety:

współczynnik temperaturowy od -20ppm/K do 110ppm/K,

dla niskich wartości rezystancji b.dobre własności wysokoczęstotliwościowe

wysoka stabilność długotrwała (precyzyjne układy pomiarowe),

niskie szumy

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 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 (0.1H-10 H, 0.2pF-10pF),

mało odporne na chwilowe przeciążenia.

Zestawienie materiałów rezystywnych i aplikacji

10

Zestawienie materiałów rezystywnych

Zestawienie materiałów rezystywnych

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

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.

Termistor NTC - zastosowania

11

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.

Termistor PTC

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

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 Termistor PTC - zastosowania

12

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.

13

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.

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.

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 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 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.

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.

14

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,

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

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.

Potencjometry – ścieżki oporowe

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.

Potencjometry – zestawienie materiałów rezystywnych

15

Potencjometry – zestawienie własności

Potencjometry - charakterystyki

liniowe (A) logarytmiczne (B)

Potencjometry - parametry

Maksymalna moc rozpraszana,

Maksymalne napięcie pracy,

Napięcie próby,

Tolerancja,

Zakres temperatury pracy,

Współczynnik temperaturowy,

Kąt obrotu (elektryczny, mechaniczny i aktywny elektryczny),

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.

Rezystancyjny panel dotykowy

16

Rezystancyjny panel dotykowy Elementy pojemnościowe

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.

Jednostką pojemności jest Farad (coulomb/volt). Pojemność zwiększa się wraz ze zwiększającą się powierzchnią elektrod i zmniejszającą się między nimi odległością.

Kondensator

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.

Kondensator – przenikalność dielektryka

Wybór dielektryka decyduje o własnościach kondensatora (m.in. pojemność, wymiary).

Kondensator – zastosowania

sprzęgający składową AC,

blokujący składową AC,

filtry i obwody rezonansowe,

magazynowanie energii

obwody czasowe,

element odkłócający,

pomiary napięć zmiennych bardzo wysokich amplitud,

17

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 – 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 – ładowanie

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.

gdzie wyrażony jest w sekundach, o ile R jest w [], a C w [F].

Przyjmuje się, że kondensator jest całkowicie naładowany, po czasie 5 × .

Kondensator – model Każdy kondensator rzeczywisty posiada elementy pasożytnicze:

Rs - rezystancja szeregowa doprowadzeń, samych elektrod, elektrolitu, jak również uwzględniająca straty w dielektryku,

Ls - indukcyjność doprowadzeń i elektrod,

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 (Rs) 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.

18

Kondensator – parametry 1

Częstotliwość rezonansu własnego,

Prąd upływu – związany ze skończoną wartością rezystancji dielektryka Rp

(krytyczny w obwodach czasowych gdyż związany z samorozładowaniem),

Temperaturowy współczynnik pojemnościowy ppm/K (od temperatury zależy ESR, Rp, ),

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.

Kondensator – parametry 2

Maksymalne napięcie pracy - zależy od m.in.:

wytrzymałości elektrycznej dielektryka,

grubości,

odległości między elektrodami i wyprowadzeniami,

rodzaju obudowy,

temperatury,

częstotliwości.

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

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 - 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

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.

19

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,

bardzo małe straty,

wysoka dokładność pojemności,

wysoka stabilność temperaturowa i częstotliwościowa,

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 - 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 niska stratność,

wysoka stabilność pojemności,

niska absorpcja elektryczna.

Wykonane z niego kondensatory wykorzystywane są w kluczowych miejscach obwodów elektrycznych np. w filtrach.

Kondensatory polistryrenowe oznaczane są symbolem KS.

Kondensatory z tworzyw sztucznych - polifenylowe

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 – technologia

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).

20

Kondensatory – zestawienie Kondensatory - charakterystyki

Kondensatory ceramiczne 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.

Kondensatory ceramiczne – klasa 1

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.

21

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,

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

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.

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.

22

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 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

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 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.

23

Kondensatory tantalowe

Kondensatory tantalowe mokre: dielektryk – tlenek tantalu

elektrolit – „sulfuric acid”

Zakres do 900V

Zakres temperaturowy do 200 st. C

Kondensatory tantalowe suche: dielektryk – tlenek tantalu

elektrolit – tlenek manganu

Zakres do 50V

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),

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 0,1F 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.

24

Kondensatory Ta i Nb - charakterystyki

Kondensatory Ta i Nb - charakterystyki

Kondensatory Ta i Nb - porównanie

Kondensatory elektrolityczne – porównanie

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.

Kondensatory dwuwarstwowe

bardzo wysoki ESR,

długi czas pracy (10000 cykli ładowania i rozładowania),

niski prąd upływu 1A (długie podtrzymywanie napięcia),

duża zależność od temperatury: pojemności i ESR.

Produkowany na pojemności od 10mF do 22F.

Zastosowania: podtrzymywanie zasilania, magazyny energii.

25

Kondensatory regulowane

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 – rodzaje

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)