Хэлхээний багтаамжийг тооцоолох
Конденсатор нь цахилгаан орон дахь цахилгаан цэнэг болон энергийг хадгалах үүрэгтэй электроникийн үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нэг юм. Практикт конденсаторууд дангаараа ховор байдаг; тэдгээрийг ихэвчлэн цуваа, зэрэгцээ эсвэл хоёулангийнх нь хослолоор байрлуулж, дизайны шаардлагад нийцсэн багтаамжийн утгыг олж авдаг. Хэлхээний нийт багтаамжийг хэрхэн тооцоолохыг ойлгох нь электроникийн чиглэлээр суралцаж буй анхан шатны хүмүүст болон давтамжийн хариу урвал, цэнэглэх/цэнэггүйжүүлэх хугацаа эсвэл хүчдэлийн тогтвортой байдлыг хянахыг хүсдэг системийн дизайнеруудад чухал ач холбогдолтой юм.
1. Багтаамж ба нэгжийг ойлгох нь
Багтаамж гэдэг нь потенциалын зөрүү (хүчдэл) өгөгдсөн үед бүрэлдэхүүн хэсэг (конденсатор)-ын цахилгаан цэнэгийг хадгалах чадвар юм. Багтаамжийг C үсгээр тэмдэглэсэн бөгөөд түүний нэгж нь Фарад (F) юм. 1 Фарад нь ихэнх электроникийн хэрэглээнд маш том гэж тооцогддог тул дараахь зэрэг уламжлалт нэгжийг ихэвчлэн ашигладаг.
– микрофарад (µF) = 10⁻⁶ F
– нанофарад (nF) = 10⁻⁹ F
– пикофарад (pF) = 10⁻¹² F
Багтаамж ба цэнэг ба хүчдэлийн хоорондох үндсэн хамаарал нь:
C = Q / V
ди мана:
– C = багтаамж (F)
– Q = цэнэг (Кулон)
– V = хүчдэл (Вольт)
Хэдийгээр энэ томъёо нь ойлголтын хувьд чухал боловч хэлхээний тооцоололд бид конденсаторын утгыг тэдгээрийг хэрхэн суурилуулснаас хамааран нэгтгэдэг.
2. Зэрэгцээ хэлхээний конденсаторууд
Зэрэгцээ хэлхээнд бүх конденсаторууд ижил хоёр цэгт холбогдсон тул конденсатор бүрийн хүчдэл ижил байна. Зэрэгцээ хэлхээний давуу тал нь цэнэг хадгалах багтаамж нэмэгддэг тул нийт багтаамж илүү их байдагт оршино.
Зэрэгцээ холболтын нийт багтаамжийн томъёо:
Нийт C = C1 + C2 + C3 + … + Cn
Жишээ:
Хэрэв гурван конденсатор зэрэгцээ холбогдсон бол:
– C1 = 10 µF
– C2 = 22 µF
– C3 = 47 µF
Тэгэхээр:
C_нийт = 10 + 22 + 47 = 79 µF
Конденсаторуудыг зэрэгцээ холбосноор бид худалдаанд байхгүй багтаамжийн утгыг олж авах эсвэл хэлхээнд, жишээлбэл, цахилгаан тэжээлийн шүүлтүүрт долгионыг багасгахын тулд эрчим хүчний хадгалах багтаамжийг нэмэгдүүлэх боломжтой.
3. Цуваа холболттой хэлхээний конденсаторууд
Цуваа холболтын хэлхээнд конденсаторуудыг гүйдэл нэг замаар урсахаар дарааллаар байрлуулдаг. Цуваа холболтын хэлхээнд конденсатор бүрийн цэнэг (Q) ижил боловч хүчдэл нь конденсаторуудын хооронд хуваагддаг. Цуваа холболтын хэлхээг нийт багтаамжийг бууруулах эсвэл тэнцвэржүүлэх техниктэй хамт хэрэглэвэл ажлын хүчдэлийн хязгаарыг (хүчдэлийн зэрэглэл) нэмэгдүүлэхэд түгээмэл ашигладаг.
Цувралын нийт багтаамжийн томъёо:
1 / C_нийт = 1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 + … + 1 / Cn
Цуваа холбогдсон хоёр конденсаторын хувьд үүнийг хялбарчилж болно:
Нийт C = (C1 × C2) / (C1 + C2)
Жишээ:
Цуваа холбогдсон хоёр конденсатор:
– C1 = 10 µF
– C2 = 10 µF
Нийт C = (10 × 10) / (10 + 10) = 100 / 20 = 5 µF
Энэ үр дүнгээс харахад нийт цуваа багтаамж нь хэлхээний хамгийн бага багтаамжаас үргэлж бага байдаг. Энэ нь цуваа хэлхээний чухал шинж чанар юм.
4. Холимог конденсаторын хэлхээ (цуврал-параллел)
Бодит хэлхээнд конденсаторыг ихэвчлэн холимог тохиргоонд байрлуулдаг. Ерөнхий тооцооллын стратеги нь хэлхээг алхам алхмаар хялбарчлах явдал юм: илэрхий зэрэгцээ бүлгүүдийг олох, тэдгээрийг тооцоолох, дараа нь тэдгээрийг цуваа элементүүдтэй нэгтгэх гэх мэт.
Жишээ тохиолдол:
Дараах цуврал байгаа гэж бодъё:
– C1 = 10 µF ба C2 = 20 µF нь зэрэгцээ холбогдсон
– Үр дүнг C3 = 15 µF гэж дарааллаар байрлуулна
1-р алхам (зэрэгцээ):
C12 = C1 + C2 = 10 + 20 = 30 µF
2-р алхам (C3-тай цуврал):
1 / Нийт дүн = 1 / 30 + 1 / 15
= (1/30) + (2/30)
= 3/30 = 1/10
Тэгвэл C_нийт = 10 µF
Энэ аргыг ашиглан нарийн төвөгтэй хэлхээг нэг эквивалент багтаамжийн утга болгон хялбаршуулж болно.
5. Багтаамж ба цаг хугацааны хамаарал (RC цаг хугацааны тогтмол)
Хэлхээний багтаамжийг тооцоолох нь ихэвчлэн цэнэглэх болон цэнэггүйжүүлэх хугацааны зан төлөвтэй холбоотой байдаг, ялангуяа RC (резистор-конденсатор) хэлхээнд. Цагийн тогтмолыг τ (tau) гэж тэмдэглэж, дараах байдлаар тодорхойлно:
τ = R × C
ди мана:
– τ = хугацааны тогтмол (секунд)
– R = эсэргүүцэл (Ом)
– C = багтаамж (Фарад)
Ерөнхийдөө конденсаторыг "бараг дүүрсэн" гэж үзэхийн тулд ойролцоогоор 5τ шаардлагатай (ойролцоогоор 99%). Тиймээс хэрэв та энгийн таймер, шүүлтүүр эсвэл саатлын хэлхээ барих шаардлагатай бол багтаамжийг сонгох, тооцоолох нь маш чухал юм.
Жишээ:
Хэрэв танд R = 100 kΩ байгаа бөгөөд τ = 1 секунд хэрэгтэй бол:
C = τ / R = 1 / 100.000 = 0,00001 F = 10 μF
Энэ бол багтаамжийн тооцоолол нь зөвхөн цуваа-параллель хослолууд төдийгүй хэлхээний функциональ зорилгын тухай бодит жишээ юм.
6. Анхаарах зүйлс
Математикийн тооцооллоос гадна хэд хэдэн чухал бодит талууд байдаг:
1. Конденсаторын хүлцэл
Конденсаторууд нь ±5%, ±10%, эсвэл бүр ±20% гэх мэт хүлцэлтэй байдаг. Энэ нь бодит утга нь заасан утгаас өөр байж болох тул тооцоололд энэ хүрээг харгалзан үзэх хэрэгтэй.
2. Ажлын хүчдэл (нэрлэсэн хүчдэл)
Зөвхөн багтаамжид анхаарлаа төвлөрүүлж болохгүй. Конденсатор нь хэлхээний хүчдэлд хангалттай өндөр хүчдэлийн үнэлгээтэй эсэхийг шалгаарай. Цуваа холболтын хэлхээнд хүчдэлийг хуваалцдаг боловч хэрэв конденсаторууд өөр өөр шинж чанартай бол энэ хуваагдал жигд бус байж болно.
3. ESR (Эквивалент цуврал эсэргүүцэл)
Өндөр хүчин чадал болон өндөр давтамжийн хэрэглээнд ESR нь дулаан, долгион болон шүүлтүүрийн гүйцэтгэлд нөлөөлдөг. Хоёр зэрэгцээ конденсатор нь нийт ESR-ийг бууруулж болох бөгөөд энэ нь ихэвчлэн ашигтай байдаг.
4. Конденсаторын төрлүүд
Электролит нь том утгуудад (µF-ээс mF хүртэл) тохиромжтой байдаг бол керамик нь жижиг, дунд утгуудад (pF-ээс µF хүртэл) болон өндөр давтамжийн хариу урвалд түгээмэл байдаг. Киног ихэвчлэн тогтвортой байдал, аудио эсвэл нарийвчлалтай хэрэглээнд зориулж сонгодог.
7. Рингкасан
Хэлхээний багтаамжийг тооцоолох нь маш хэрэгтэй үндсэн ур чадвар юм. Зэрэгцээ хэлхээний хувьд хүчдэл нь ижил тул нийт багтаамжийг нэмэхэд л хангалттай. Цуваа хэлхээний хувьд цэнэг нь ижил бөгөөд хүчдэл нь хуваалцдаг тул багтаамжийн урвуу утгыг нэмнэ. Холимог хэлхээнд хамгийн тодорхой хэсгээс (параллель эсвэл цуваа) эцсийн эквивалент утгыг авах хүртлээ хялбаршуулах алхмуудыг зохион байгуул. Цаашилбал, багтаамжийг ойлгох нь RC хугацааны тогтмолтой нягт холбоотой тул шүүлтүүр, таймер, хүчдэлийн тогтворжуулагчийг зохион бүтээхэд тусалдаг.
Эцсийн дүнд сайн тооцоолол нь хүлцэл, ажиллах хүчдэл, ESR, конденсаторын төрөл зэрэг практик хүчин зүйлсийг хослуулсан тохиолдолд илүү бүрэн гүйцэд болдог. Онол ба практикийн энэхүү хослолоор та аюулгүй, үр ашигтай, хэрэглээний шаардлагыг хангасан конденсаторын хэлхээг зохион бүтээж чадна.
