Die Elementbasis für das Design elektronischer Geräte wird immer komplizierter. Geräte werden zu integrierten Schaltkreisen mit einer bestimmten Funktionalität und Programmsteuerung kombiniert. Aber die Entwicklung basiert auf grundlegenden Geräten: Kondensatoren, Widerständen, Dioden und Transistoren.
Inhalt
Was ist ein kondensator
Ein Gerät, das elektrische Energie in Form von elektrischen Ladungen speichert, wird als Kondensator bezeichnet.
Die Menge an Elektrizität oder elektrischer Ladung wird in der Physik in Coulomb (C) gemessen. Die Kapazität wird in Farad (F) gemessen.
Ein Einzelleiter mit einer elektrischen Kapazität von 1 Farad ist eine Metallkugel mit einem Radius von 13 Sonnenradien.Daher umfasst der Kondensator mindestens 2 Leiter, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. In einfachen Designs des Geräts - Papier.
Der Betrieb eines Kondensators in einem Gleichstromkreis erfolgt beim Ein- und Ausschalten der Stromversorgung, nur in Übergangsmomenten ändert sich das Potential an den Platten.
Der Kondensator im Wechselstromkreis wird mit einer Frequenz wieder aufgeladen, die gleich der Frequenz der Versorgungsspannung ist. Als Ergebnis kontinuierlicher Ladungen und Entladungen fließt Strom durch das Element. Höhere Frequenz – das Gerät lädt sich schneller auf.
Der Widerstand eines Stromkreises mit einem Kondensator hängt von der Frequenz des Stroms ab. Bei einer DC-Frequenz von Null geht der Widerstandswert gegen unendlich. Wenn die Wechselstromfrequenz zunimmt, nimmt der Widerstand ab.
Wo werden Kondensatoren eingesetzt?
Der Betrieb elektronischer, funktechnischer und elektrischer Geräte ist ohne Kondensatoren nicht möglich.
In der Elektrotechnik werden sie zur Phasenverschiebung beim Anlauf von Asynchronmotoren eingesetzt. Ohne Phasenverschiebung funktioniert ein Drehstrom-Asynchronmotor in einem variablen Einphasennetz nicht.
Kondensatoren mit einer Kapazität von mehreren Farad - Ionistoren - werden in Elektrofahrzeugen als Motorstromquellen verwendet.
Um zu verstehen, warum ein Kondensator benötigt wird, müssen Sie wissen, dass 10-12 % der Messgeräte nach dem Prinzip der Änderung der elektrischen Kapazität arbeiten, wenn sich die Parameter der äußeren Umgebung ändern. Die Reaktionskapazität spezieller Geräte wird verwendet für:
- Registrierung schwacher Bewegungen durch Vergrößerung oder Verringerung des Abstands zwischen den Platten;
- Feuchtigkeitsbestimmung durch Feststellen von Widerstandsänderungen des Dielektrikums;
- Messung des Flüssigkeitspegels, der die Kapazität des Elements ändert, wenn es gefüllt ist.
Es ist schwer vorstellbar, wie Automatisierung und Relaisschutz ohne Kondensatoren ausgelegt sind. Einige Schutzlogiken berücksichtigen die Multiplizität der Wiederaufladung des Geräts.
Kapazitive Elemente werden in Schaltungen von mobilen Kommunikationsgeräten, Radio- und Fernsehgeräten verwendet. Kondensatoren werden verwendet in:
- Verstärker für hohe und niedrige Frequenzen;
- Netzteile;
- Frequenzfilter;
- Tonverstärker;
- Prozessoren und andere Mikroschaltungen.
Die Antwort auf die Frage, wozu ein Kondensator gut ist, lässt sich leicht finden, wenn man sich die elektrischen Schaltungen elektronischer Geräte ansieht.
Das Funktionsprinzip des Kondensators
In einem Gleichstromkreis sammeln sich positive Ladungen auf einer Platte und negative Ladungen auf der anderen. Aufgrund der gegenseitigen Anziehung werden die Partikel im Gerät gehalten und das Dielektrikum zwischen ihnen lässt keine Verbindung zu. Je dünner das Dielektrikum, desto stärker werden die Ladungen gebunden.
Der Kondensator nimmt die zum Füllen des Behälters benötigte Strommenge auf, und der Strom stoppt.
Bei einer konstanten Spannung im Stromkreis behält das Element eine Ladung, bis der Strom abgeschaltet wird. Dann wird es über die Lasten im Stromkreis entladen.
Wechselstrom fließt auf andere Weise durch einen Kondensator. Das erste ¼ der Schwingungsperiode ist der Moment, in dem das Gerät geladen wird. Die Amplitude des Ladestroms nimmt exponentiell ab und fällt am Ende des Quartals auf Null ab. EMF erreicht in diesem Moment die Amplitude.
In der zweiten ¼ Periode fällt die EMF ab und die Zelle beginnt sich zu entladen. Die Abnahme der EMK ist zunächst gering und der Entladestrom ebenfalls. Es wächst gemäß der gleichen exponentiellen Abhängigkeit. Am Ende der Periode ist die EMF Null, der Strom ist gleich dem Amplitudenwert.
Im dritten ¼ der Schwingungsperiode ändert die EMK ihre Richtung, geht durch Null und steigt an.Das Ladungszeichen auf den Platten ist umgekehrt. Der Strom nimmt an Größe ab und behält seine Richtung bei. An diesem Punkt eilt der elektrische Strom der Spannung um 90° in Phase voraus.
Bei Induktivitäten passiert das Gegenteil: Spannung führt Strom. Diese Eigenschaft steht an erster Stelle bei der Auswahl der in der Schaltung zu verwendenden Schaltungen: RC oder RL.
Am Ende des Zyklus, bei der letzten ¼ Schwingung, fällt die EMK auf Null und der Strom erreicht seinen Spitzenwert.
"Kapazität" wird 2 mal pro Periode entladen und geladen und leitet Wechselstrom.
Dies ist eine theoretische Beschreibung von Prozessen. Um zu verstehen, wie das Element in der Schaltung direkt im Gerät funktioniert, werden der induktive und kapazitive Widerstand der Schaltung, die Parameter der anderen Teilnehmer berechnet und der Einfluss der äußeren Umgebung berücksichtigt.
Hauptmerkmale und Eigenschaften
Zu den Kondensatorparametern, die zum Erstellen und Reparieren elektronischer Geräte verwendet werden, gehören:
- Kapazität - C. Bestimmt die Ladungsmenge, die das Gerät hält. Der Wert der Nennkapazität ist auf dem Gehäuse angegeben. Um die erforderlichen Werte zu erzeugen, werden die Elemente parallel oder in Reihe in die Schaltung eingebunden. Die Betriebswerte stimmen nicht mit den berechneten überein.
- Resonanzfrequenz - fр. Wenn die Frequenz des Stroms größer als die Resonanzfrequenz ist, treten die induktiven Eigenschaften des Elements auf. Das erschwert die Arbeit. Um die berechnete Leistung in der Schaltung bereitzustellen, ist es sinnvoll, bei Frequenzen unterhalb der Resonanzwerte einen Kondensator zu verwenden.
- Nennspannung - Un. Um einen Durchbruch des Elements zu verhindern, wird die Betriebsspannung auf weniger als die Nennspannung eingestellt. Der Parameter ist auf dem Kondensatorgehäuse angegeben.
- Polarität. Wenn die Verbindung falsch ist, kommt es zu Störungen und Ausfällen.
- Elektrischer Isolationswiderstand - Rd. Definiert den Geräteableitstrom. In Geräten liegen Teile nahe beieinander. Bei hohem Leckstrom sind parasitäre Verbindungen in den Schaltungen möglich. Dies führt zu Fehlfunktionen. Der Leckstrom verschlechtert die kapazitiven Eigenschaften des Elements.
- Temperaturkoeffizient - TKE. Der Wert bestimmt, wie sich die Kapazität des Geräts bei Schwankungen der Umgebungstemperatur ändert. Der Parameter wird bei der Entwicklung von Geräten für den Betrieb unter schwierigen klimatischen Bedingungen verwendet.
- parasitärer piezoelektrischer Effekt. Einige Arten von Kondensatoren erzeugen bei Verformung Rauschen in Geräten.
Arten und Arten von Kondensatoren
Kapazitive Elemente werden nach der Art des im Design verwendeten Dielektrikums klassifiziert.
Papier- und Metall-Papier-Kondensatoren
Die Elemente werden in Schaltungen mit konstanter oder leicht pulsierender Spannung eingesetzt. Die Einfachheit des Designs führt zu einer um 10-25 % geringeren Leistungsstabilität und erhöhten Verlusten.
Bei Papierkondensatoren trennen die Aluminiumfolienplatten das Papier. Die Baugruppen werden verdreht und in einem Gehäuse in Form eines Zylinders oder eines rechteckigen Parallelepipeds angeordnet.
Geräte arbeiten bei Temperaturen von -60 ... + 125 ° C, mit einer Nennspannung von Niederspannungsgeräten bis 1600 V, Hochspannungsgeräten - über 1600 V und einer Kapazität von bis zu zehn Mikrofarad.
Bei Metall-Papier-Geräten wird anstelle von Folie eine dünne Metallschicht auf dielektrisches Papier aufgebracht. Dies hilft, kleinere Elemente herzustellen. Bei kleineren Durchschlägen ist eine Selbstheilung des Dielektrikums möglich. Metall-Papier-Elemente sind Papierelementen im Isolationswiderstand unterlegen.
Elektrolytkondensator
Das Design der Produkte ähnelt denen aus Papier. Aber bei der Herstellung von Elektrolysezellen wird Papier mit Metalloxiden imprägniert.
Bei Produkten mit papierlosem Elektrolyt wird das Oxid auf einer Metallelektrode abgeschieden. Metalloxide haben eine einseitige Leitfähigkeit, die das Gerät polar macht.
Bei einigen Modellen von Elektrolysezellen sind die Platten mit Rillen versehen, die die Oberfläche der Elektrode vergrößern. Die Lücken im Plattenzwischenraum werden durch Fluten mit Elektrolyt beseitigt. Dies verbessert die kapazitiven Eigenschaften des Produkts.
Eine große Kapazität von elektrolytischen Geräten – Hunderte von Mikrofarad – wird in Filtern verwendet, um Spannungswelligkeiten zu glätten.
Aluminium elektrolytisch
Bei Geräten dieser Art besteht die Anodenauskleidung aus Aluminiumfolie. Die Oberfläche ist mit Metalloxid - einem Dielektrikum - beschichtet. Die Kathodenauskleidung ist ein fester oder flüssiger Elektrolyt, der so ausgewählt ist, dass die Oxidschicht auf der Folie während des Betriebs wiederhergestellt wird. Selbstheilendes Dielektrikum verlängert die Lebensdauer des Elements.
Kondensatoren dieser Bauart erfordern Polarität. Beim erneuten Einschalten wird das Gehäuse zerstört.
Geräte, in deren Inneren sich antisequentielle Polbaugruppen befinden, werden in 2 Richtungen verwendet. Die Kapazität von Aluminium-Elektrolysezellen erreicht mehrere tausend Mikrofarad.
Tantal elektrolytisch
Die Anodenelektrode solcher Vorrichtungen besteht aus einer porösen Struktur, die durch Erhitzen von Tantalpulver auf +2000 °C erhalten wird. Das Material sieht aus wie ein Schwamm. Porosität vergrößert die Oberfläche.
Mittels elektrochemischer Oxidation wird auf die Anode eine bis zu 100 Nanometer dicke Schicht aus Tantalpentoxid aufgebracht. Ein festes Dielektrikum wird aus Mangandioxid hergestellt.Die fertige Struktur wird in eine Masse gepresst - ein spezielles Harz.
Tantalprodukte werden bei Stromfrequenzen über 100 kHz verwendet. Bei einer Betriebsspannung von bis zu 75 V wird eine Kapazität von bis zu Hunderten von Mikrofarad erzeugt.
Polymer
Kondensatoren verwenden einen Elektrolyten aus festen Polymeren, der eine Reihe von Vorteilen bietet:
- die Lebensdauer wird auf 50.000 Stunden erhöht;
- Parameter werden während des Aufheizens gespeichert;
- der Bereich der zulässigen Stromwelligkeit wird erweitert;
- Der Widerstand der Platten und Leitungen überbrückt die Kapazität nicht.
Film
Das Dielektrikum in diesen Modellen ist eine Folie aus Teflon, Polyester, Fluorkunststoff oder Polypropylen.
Abdeckungen - Folien- oder Metallabscheidung auf dem Film. Das Design wird verwendet, um mehrschichtige Baugruppen mit vergrößerter Oberfläche zu erstellen.
Filmkondensatoren mit Miniaturgrößen haben eine Kapazität von Hunderten von Mikrofarad. Abhängig von der Platzierung der Schichten und den Schlussfolgerungen der Kontakte werden axiale oder radiale Formen der Produkte hergestellt.
Bei einigen Modellen beträgt die Nennspannung 2 kV und mehr.
Was ist der Unterschied zwischen polar und unpolar
Unpolare erlauben den Einbau von Kondensatoren in den Stromkreis ohne Rücksicht auf die Richtung des Stroms. Die Elemente werden in Filtern von variablen Stromversorgungen und Hochfrequenzverstärkern verwendet.
Polar Produkte werden entsprechend der Kennzeichnung angeschlossen. Wenn Sie es in die entgegengesetzte Richtung einschalten, fällt das Gerät aus oder funktioniert nicht normal.
Polare und unpolare Kondensatoren großer und kleiner Kapazitäten unterscheiden sich in der Ausführung des Dielektrikums. Wenn das Oxid in Elektrolytkondensatoren auf 1 Elektrode oder 1 Seite von Papier oder Folie aufgetragen wird, ist das Element polar.
Modelle von unpolaren Elektrolytkondensatoren, bei deren Konstruktionen das Metalloxid symmetrisch auf beiden Oberflächen des Dielektrikums abgeschieden wurde, sind in Wechselstromkreisen enthalten.
Bei polaren gibt es eine Markierung einer positiven oder negativen Elektrode am Körper.
Was bestimmt die Kapazität eines Kondensators
Die Hauptfunktion und -rolle eines Kondensators in einem Stromkreis besteht darin, Ladungen zu akkumulieren, und eine zusätzliche Aufgabe besteht darin, Leckagen zu verhindern.
Der Wert der Kapazität des Kondensators ist direkt proportional zur Dielektrizitätskonstante des Mediums und der Fläche der Platten und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Elektroden. Es gibt 2 Widersprüche:
- Um die Kapazität zu erhöhen, werden die Elektroden so dick, breiter und länger wie möglich benötigt. In diesem Fall können die Abmessungen des Geräts nicht erhöht werden.
- Um die Ladungen zu halten und die gewünschte Anziehungskraft bereitzustellen, wird der Abstand zwischen den Platten minimal gemacht. In diesem Fall kann der Durchbruchstrom nicht reduziert werden.
Um Konflikte zu lösen, verwenden Entwickler:
- mehrschichtige Konstruktionen aus einem Paar Dielektrikum und Elektrode;
- poröse Anodenstrukturen;
- Ersetzen von Papier durch Oxide und Elektrolyte;
- Parallelschaltung von Elementen;
- Füllen des freien Raums mit Substanzen mit erhöhter Dielektrizitätskonstante.
Kondensatoren werden mit jeder neuen Erfindung kleiner und besser.
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