Ein elektrischer Kondensator ist eines der Elemente des elektrischen Stromkreises eines elektronischen Geräts, dessen Hauptfunktion darin besteht, Energie zu speichern und sie dann wieder in den Stromkreis zurückzuführen. Die Industrie bietet eine Vielzahl von Kondensatoren an, die sich in Typen, Kapazitäten, Größen und Anwendungen unterscheiden.
Das Funktionsprinzip und die Eigenschaften von Kondensatoren
Die Vorrichtung des Kondensators besteht aus zwei Metallplatten-Platten, die durch eine dünne Schicht Dielektrikum getrennt sind. Das Verhältnis der Größe und Anordnung der Platten und der Charakteristik des dielektrischen Materials bestimmt den Kapazitätsindex.
Die Designentwicklung aller Kondensatortypen zielt darauf ab, die maximale Kapazität basierend auf den minimalen Abmessungen zu erhalten, um Platz auf der Leiterplatte des Geräts zu sparen. Eine der beliebtesten Erscheinungsformen ist die Form eines Fasses, in dem Metallplatten mit einem Dielektrikum dazwischen verdreht sind.Der erste Kondensator, der 1745 in der Stadt Leiden (Niederlande) erfunden wurde, hieß "Leidener Krug".
Das Funktionsprinzip der Komponente ist die Fähigkeit zum Laden und Entladen. Das Aufladen ist aufgrund des Vorhandenseins der Platten in geringem Abstand voneinander möglich. Benachbarte Ladungen, die durch ein Dielektrikum getrennt sind, werden voneinander angezogen und verbleiben auf den Platten, und der Kondensator selbst speichert somit Energie. Nach dem Trennen der Stromquelle ist das Bauteil bereit für die Energierückführung in den Stromkreis, die Entladung.
Parameter und Eigenschaften, die Leistung, Qualität und Dauerhaftigkeit der Arbeit bestimmen:
- elektrische Kapazität;
- spezifische Kapazität;
- zulässige Abweichung;
- elektrische Stärke;
- eigene Induktivität;
- dielektrische Absorption;
- Verluste;
- Stabilität;
- Verlässlichkeit.
Die Fähigkeit, Ladung zu speichern, bestimmt die Kapazität eines Kondensators. Bei der Kapazitätsberechnung müssen Sie Folgendes wissen:
- Abdeckungsbereich;
- Abstand zwischen den Platten;
- Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials.
Um die Kapazität zu erhöhen, ist es notwendig, die Fläche der Platten zu vergrößern, den Abstand zwischen ihnen zu verringern und ein Dielektrikum zu verwenden, dessen Material eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist.
Farad (F) wird verwendet, um die Kapazität zu bezeichnen - eine Maßeinheit, die ihren Namen zu Ehren des englischen Physikers Michael Faraday erhielt. 1 Farad ist jedoch zu groß. Beispielsweise beträgt die Kapazität unseres Planeten weniger als 1 Farad. In der Funkelektronik werden kleinere Werte verwendet: Mikrofarad (µF, ein Millionstel Farad) und Picofarad (pF, ein Millionstel Mikrofarad).
Die spezifische Kapazität errechnet sich aus dem Verhältnis der Kapazität zur Masse (Volumen) des Dielektrikums.Dieser Indikator wird durch geometrische Abmessungen beeinflusst, und eine Erhöhung der spezifischen Kapazität wird durch Verringerung des Volumens des Dielektrikums erreicht, was jedoch das Risiko eines Durchbruchs erhöht.
Die zulässige Abweichung des Passwerts der Kapazität vom tatsächlichen bestimmt die Genauigkeitsklasse. Laut GOST gibt es 5 Genauigkeitsklassen, die den zukünftigen Einsatz bestimmen. In verantwortungsvollen Schaltungen kommen Bauteile der höchsten Genauigkeitsklasse zum Einsatz.
Die Durchschlagsfestigkeit bestimmt die Fähigkeit, eine Ladung zu halten und die Arbeitseigenschaften beizubehalten. Die auf den Platten verbleibenden Ladungen tendieren zueinander und wirken auf das Dielektrikum. Die Spannungsfestigkeit ist eine wichtige Eigenschaft eines Kondensators, die die Dauer seiner Verwendung bestimmt. Bei unsachgemäßem Betrieb kommt es zum Durchschlag des Dielektrikums und zum Ausfall des Bauteils.
In Wechselstromkreisen mit Induktivitäten wird die Eigeninduktivität berücksichtigt. Bei Gleichstromkreisen wird es nicht berücksichtigt.
Dielektrische Absorption - das Auftreten von Spannung auf den Platten während einer schnellen Entladung. Das Absorptionsphänomen wird für den sicheren Betrieb von elektrischen Hochspannungsgeräten berücksichtigt, da bei Kurzschluss besteht Lebensgefahr.
Verluste sind auf die geringe Stromübertragung des Dielektrikums zurückzuführen. Beim Betrieb von Komponenten elektronischer Geräte bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen und unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit hat der Qualitätsfaktor der Verluste einen Einfluss. Sie wird auch von der Betriebsfrequenz beeinflusst. Bei niedrigen Frequenzen wirken sich Verluste im Dielektrikum aus, bei hohen Frequenzen - im Metall.
Die Stabilität ist ein Kondensatorparameter, der auch von der Umgebungstemperatur beeinflusst wird.Seine Wirkungen sind unterteilt in reversibel, gekennzeichnet durch einen Temperaturkoeffizienten, und irreversibel, gekennzeichnet durch einen Temperaturinstabilitätskoeffizienten.
Die Zuverlässigkeit des Kondensators hängt in erster Linie von den Betriebsbedingungen ab. Die Analyse von Ausfällen legt nahe, dass in 80 % der Fälle Ausfälle die Ursache für Ausfälle sind.
Je nach Zweck, Art und Einsatzgebiet unterscheiden sich auch die Größen von Kondensatoren. Die kleinsten und kleinsten mit einer Größe von wenigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern werden in der Elektronik verwendet, während die größten in der Industrie verwendet werden.
Zweck
Die Eigenschaft, Energie zu speichern und abzugeben, hat die weite Verbreitung von Kondensatoren in der modernen Elektronik bestimmt. Zusammen mit Widerständen und Transistoren bilden sie die Grundlage der Elektrotechnik. Es gibt kein einziges modernes Gerät, bei dem sie nicht in irgendeiner Weise verwendet würden.
Ihre Lade- und Entladefähigkeit zusammen mit einer Induktivität mit den gleichen Eigenschaften wird in der Funk- und Fernsehtechnik aktiv genutzt. Ein Schwingkreis aus Kondensator und Induktivität ist die Grundlage für das Senden und Empfangen von Signalen. Durch Ändern der Kapazität des Kondensators können Sie die Frequenz des Schwingkreises ändern. Beispielsweise können Radiosender auf ihren eigenen Frequenzen senden, und Radios können sich mit diesen Frequenzen verbinden.
Eine wichtige Funktion ist die Glättung von Wechselstromwelligkeiten. Jedes elektronische Gerät, das mit Wechselstrom betrieben wird, benötigt Filterkondensatoren, um Gleichstrom in guter Qualität zu erzeugen.
Der Mechanismus des Ladens und Entladens wird aktiv in fotografischen Geräten verwendet.Alle modernen Kameras verwenden einen Blitz zum Aufnehmen, was durch die schnelle Entladungseigenschaft realisiert wird. In diesem Bereich ist es unrentabel, Batterien zu verwenden, die Energie gut speichern, aber langsam abgeben können. Im Gegensatz dazu setzen Kondensatoren sofort die gesamte gespeicherte Energie frei, was für einen hellen Blitz ausreicht.
Die Fähigkeit, Hochleistungsimpulse durch Kondensatoren zu erzeugen, wird beim Radar und bei der Herstellung von Lasern verwendet.
Kondensatoren übernehmen die Rolle von Funkenlöschkontakten in der Telegrafie und Telefonie sowie in der Telemechanik und Automatisierung, wo hochbelastete Relais geschaltet werden müssen.
Die Spannungsregelung langer Stromleitungen erfolgt durch den Einsatz von Ausgleichsbehältern.
Moderne Kondensatoren werden aufgrund ihrer Fähigkeiten nicht nur im Bereich der Funkelektronik eingesetzt. Sie werden in der Metallverarbeitung, im Bergbau und in der Kohleindustrie eingesetzt.
Hauptsorten
Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und Betriebsbedingungen elektronischer Geräte gibt es eine große Vielfalt an Bauteilen, die sich in Art und Eigenschaften unterscheiden. Die Hauptunterteilung erfolgt nach Klassen und nach Art des verwendeten Dielektrikums.
Arten von Kondensatoren, unterteilt nach Klasse:
- mit konstanter Kapazität;
- mit variabler Kapazität;
- stimmen.
Komponenten mit konstanter Kapazität werden in jedem elektronischen Gerät verwendet.
Um die Kapazität und Parameter der Schaltung zu ändern, beispielsweise die Frequenz in Schwingkreisen, werden Kondensatoren mit variabler Kapazität verwendet.In ihrem Gerät haben sie mehrere Abschnitte beweglicher Metallplatten, was die Langlebigkeit ihrer Arbeit gewährleistet.
Trimmerkondensatoren werden zur einmaligen Einstellung von Geräten verwendet. Sie sind in verschiedenen Nennkapazitäten (von einigen Pikofarad bis zu mehreren hundert Pikofarad) erhältlich und für Spannungen bis zu 60 Volt ausgelegt. Ohne ihren Einsatz ist eine Feinabstimmung der Geräte nicht möglich.
Arten von Kondensatoren, unterteilt nach der Art des Dielektrikums:
- mit keramischem Dielektrikum;
- mit Foliendielektrikum;
- elektrolytisch;
- Ionistoren.
Keramische werden in Form einer kleinen Platte aus Keramikmaterial hergestellt, auf die Metallleitungen gesprüht werden. Solche Kondensatoren haben unterschiedliche Eigenschaften und werden sowohl für Hochspannungs- als auch für Niederspannungsschaltungen verwendet.
Für Niederspannungsschaltungen werden am häufigsten mehrschichtige kleine Komponenten in Epoxidharz- oder Kunststoffgehäusen mit einer Kapazität von mehreren zehn Picofarad bis zu Einheiten von Mikrofarad verwendet. Sie werden in Hochfrequenzschaltungen von Funkelektronikgeräten verwendet und können unter strengen klimatischen Bedingungen betrieben werden.
Für Hochspannungsschaltkreise werden größere Keramikkondensatoren mit Kapazitäten von mehreren zehn Picofarad bis zu Tausenden von Picofarad hergestellt. Sie werden in Impulsstromkreisen und Spannungsumwandlungsgeräten verwendet.
Filmdielektrikum ist von verschiedenen Arten. Das häufigste von ihnen ist Lavsan, das eine hohe Festigkeit aufweist. Weniger gebräuchlich ist Polypropylen-Dielektrikum, das geringere Verluste aufweist und in Hochspannungsschaltungen wie Schallverstärkungsschaltungen und Mittelfrequenzschaltungen verwendet wird.
Ein separater Typ von Folienkondensatoren startet, die zum Zeitpunkt des Startens der Motoren verwendet werden und aufgrund ihrer hohen Kapazität und ihres speziellen dielektrischen Materials die Belastung des Elektromotors verringern. Sie zeichnen sich durch hohe Betriebsspannung und elektrische Blindleistung aus.
Elektrolytkondensatoren werden in klassischer Bauform hergestellt. Der Korpus besteht aus Aluminium, im Inneren befinden sich gewalzte Metallplatten. Auf einer Platte wird Metalloxid chemisch abgeschieden, und auf der zweiten wird ein flüssiger oder fester Elektrolyt abgeschieden, wodurch ein Dielektrikum gebildet wird. Dank eines solchen Geräts haben Elektrolytkondensatoren eine große Kapazität, aber die Besonderheit ihrer Verwendung im Laufe der Zeit ist ihre Änderung.
Im Gegensatz zu Keramik- und Folienkondensatoren haben Elektrolytkondensatoren eine Polarität. Sie sind wiederum in unpolar, ohne diesen Nachteil, radial, miniaturisch und axial unterteilt. Ihr Anwendungsbereich ist die traditionelle Computer- und moderne Mikrocomputertechnologie.
Ein besonderer Typ, der vor relativ kurzer Zeit aufgetaucht ist, sind Ionistoren. In ihrem Design ähneln sie Elektrolytkondensatoren, zeichnen sich jedoch durch eine große Kapazität (bis zu Einheiten von Farad) aus. Ihr Einsatz ist jedoch auf eine kleine Maximalspannung von wenigen Volt beschränkt. Superkondensatoren dienen als Speicher: Wenn der Akku eines Handys oder Kleinstcomputers leer wird, sind die gespeicherten Informationen nicht unwiederbringlich verloren.
Neben den seit langem auftauchenden und traditionell verwendeten Bauteilen in der Output-Version werden moderne Bauteile in der SMD-Version oder, wie es auch genannt wird, für die Oberflächenmontage hergestellt. Beispielsweise kann Keramik in verschiedenen Gehäusegrößen hergestellt werden, von den kleinsten (1 mm mal 0,5 mm) bis zu den größten (5,7 mm mal 5 mm), und mit entsprechenden Spannungen von mehreren zehn Volt bis zu Hunderten.
Elektrolytkondensatoren können auch in oberflächenmontierten Gehäusen hergestellt werden. Dies können Standard-Aluminium-Elektrolytkondensatoren sein, oder es können Tantal-Kondensatoren sein, die ein wenig wie Keramikkondensatoren aussehen, sich aber durch höhere Kapazität und geringe Verluste von ihnen unterscheiden. Sie können sowohl gepinnte als auch nicht gepinnte SMD sein.
Tantalkondensatoren zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und minimale Verluste bei einer etwas niedrigeren Kapazitätsgrenze aus, zeichnen sich jedoch gleichzeitig durch einen hohen Preis aus. Sie werden in Schaltkreisen mit hoher Verantwortlichkeit verwendet, wo eine hohe Kapazität erforderlich ist.
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