Hvad er en kondensator, typer af kondensatorer og deres anvendelsesområder

Elektroniske komponenter til design af elektroniske enheder bliver mere og mere komplicerede. Enhederne kombineres til integrerede kredsløb med definerede funktioner og softwarestyring. Men kernen i udviklingen er de grundlæggende enheder: kondensatorer, modstande, dioder og transistorer.

Hvad er en kondensator?

Et apparat, der lagrer elektricitet i form af elektriske ladninger, kaldes en kondensator.

I fysik måles mængden af elektricitet eller elektrisk ladning i coulombs (Cl). Den elektriske kapacitet måles i farads (F).

En solitær leder med en elektrisk kapacitet på 1 farad er en metalkugle med en radius svarende til 13 solradius. Derfor indeholder en kondensator mindst 2 ledere, som er adskilt af et dielektrikum. I enkle konstruktioner er anordningen af papir.

En kondensator i et jævnstrømskredsløb fungerer, når strømforsyningen er tændt og slukket. Kun under transienter ændres potentialet på spolerne.

Kondensatoren i et vekselstrømskredsløb genoplades med en frekvens, der er lig med frekvensen af forsyningsspændingen. Som følge af kontinuerlig opladning og afladning strømmer der strøm gennem elementet. Højere frekvens betyder hurtigere genopladning af enheden.

Modstanden i et kredsløb med en kondensator afhænger af strømmenes frekvens. Ved nul DC-frekvens tenderer modstandsværdien mod uendelig. Med stigende vekselstrømsfrekvens falder modstanden.

Hvor der anvendes kondensatorer

Elektronisk, radio- og elektrisk udstyr kan ikke fungere uden kondensatorer.

Inden for elektroteknik anvendes de til faseforskydning ved start af asynkrone motorer. Uden faseskift vil en trefaset induktionsmotor i et vekslende enfaset net ikke fungere uden faseforskydning.

Kondensatorer med en kapacitet på flere farads - ioniske kondensatorer - anvendes i elbiler som motorkilder.

For at forstå, hvorfor der er brug for en kondensator, er det vigtigt at vide, at 10-12 % af måleapparaterne fungerer efter princippet om ændring af den elektriske kapacitet ved ændringer i det ydre miljø. Kapacitansresponsen for specielle enheder bruges til at:

• registrering af svage bevægelser ved at øge eller mindske afstanden mellem skallerne;
• detektering af fugtighed ved registrering af ændringer i den dielektriske modstand;
• måling af niveauet af en væske, der ændrer et elements kapacitans, når det er fyldt.

Det er svært at forestille sig at konstruere automatik og relæbeskyttelse uden kondensatorer. Nogle beskyttelseslogikker tager hensyn til enhedens overbelastningsmulighed.

Kapacitive elementer anvendes i kredsløb i mobiltelefoner, radio- og tv-apparater. Kondensatorer anvendes i:

• Høj- og lavfrekvensforstærkere;
• strømforsyningsenheder;
• frekvensfiltre;
• lydforstærkere;
• processorer og andre mikrokredsløb.

Det er let at finde svaret på spørgsmålet om, hvad en kondensator er beregnet til, ved at se på ledningsdiagrammer for elektroniske apparater.

Kondensatorprincippet

I et jævnstrømskredsløb samles positive ladninger på den ene plade og negative ladninger på den anden. Gennem gensidig tiltrækning holdes partiklerne sammen i enheden, og dielektrisket mellem dem forhindrer dem i at blive forbundet. Jo tyndere dielektrisk materiale, jo stærkere er ladningerne forbundet.

Kondensatoren tager den mængde elektricitet, der er nødvendig for at fylde kapacitansen, og strømmen stopper.

Med en konstant spænding i kredsløbet holder elementet en opladning, indtil strømmen slukkes. Derefter aflastes den gennem belastningerne i kredsløbet.

Vekselstrøm løber gennem en kondensator på en anden måde. Den første ¼ af svingningsperioden er enhedens opladningsmoment. Opladningsstrømmens amplitude falder eksponentielt og falder til nul ved udgangen af kvartalet. EMF'en når en amplitude på dette punkt.

I den anden ¼ af perioden falder EMF'en, og cellen begynder at aflade sig selv. Faldet i EMF i begyndelsen er lille, og det samme er udladningsstrømmen. Den stiger i henhold til samme eksponentielle forhold. Ved periodens afslutning er EMF'en nul, og strømmen er lig med dens amplitudeværdi.

I den tredje ¼ af svingningsperioden ændrer EMF'en retning, går over nul og stiger. Fortegnet på ladningen på spolerne er omvendt. Strømmen aftager i størrelse og bevarer sin retning. På dette tidspunkt er den elektriske strøm 90° forud for spændingen i fase.

Det modsatte sker i induktorer: spændingen er forud for strømmen. Denne egenskab er vigtigst, når det skal afgøres, om der skal bruges RC- eller RL-kredsløb.

Ved slutningen af cyklussen, ved den sidste ¼ af svingningen, falder EMF'en til nul, og strømmen når sin amplitudeværdi.

"Kapacitansen af- og oplades 2 gange pr. periode og leder en vekselstrøm.

Dette er en teoretisk beskrivelse af processerne. For at forstå, hvordan et element i et kredsløb fungerer direkte i enheden, beregn kredsløbets induktive og kapacitive modstand, parametrene for de andre deltagere og tag hensyn til påvirkningen fra det eksterne miljø.

Vigtigste karakteristika og egenskaber

Kondensatorparametre, der bruges til at bygge og reparere elektroniske enheder, omfatter:

1. Kapacitans - C. Bestemmer den mængde ladning, som enheden kan indeholde. Værdien af den nominelle kapacitans er angivet på kassen. Cellerne forbindes i et kredsløb parallelt eller i serie for at skabe de ønskede værdier. Driftsværdierne er ikke de samme som de beregnede værdier.
2. Resonansfrekvensen er fp. Hvis den aktuelle frekvens er højere end resonansfrekvensen, bliver elementets induktive egenskaber tydelige. Dette gør det vanskeligt at betjene den. For at sikre den nominelle effekt i kredsløbet er det klogt at bruge kondensatoren ved frekvenser, der er lavere end resonansværdierne.
3. Den nominelle spænding er Un. For at forhindre nedbrydning af elementet er driftsspændingen indstillet lavere end den nominelle spænding. Dette er angivet på kondensatorens krop.
4. Polaritet. Hvis den tilsluttes forkert, vil der opstå nedbrud og fejl.
5. Elektrisk isolationsmodstand - Rd. Bestemmer enhedens lækstrøm. I enheder er dele placeret tæt på hinanden. Høje lækstrømme kan forårsage parasitære forbindelser i kredsløbene. Dette resulterer i funktionsfejl. Lækstrømmen vil forringe elementets kapacitive egenskaber.
6. Temperaturkoefficienten - TKE. Værdien bestemmer, hvordan kapacitansen af en enhed ændres på grund af temperaturvariationer i omgivelserne. Parameteren anvendes ved design af enheder til brug i barske miljøer.
7. Parasitær piezoeffekt. Nogle typer kondensatorer skaber støj i enheder, når de deformeres.

Typer og typer af kondensatorer

Kapacitive elementer klassificeres efter den type dielektrikum, der anvendes i deres konstruktion.

Papir- og metalkondensatorer

Elementer anvendes i kredsløb med jævnstrøm eller svagt pulserende spændinger. Designets enkelhed resulterer i en 10-25 % lavere stabilitet af egenskaberne og en øget værdi af tab.

I papirkondensatorer er aluminiumfoliedækslerne adskilt af papir. Samlingerne er snoet og anbragt i et cylindrisk eller rektangulært parallelepipedformet hus.

Enhederne fungerer ved temperaturer fra -60 °C til 125 °C, med en nominel spænding på op til 1600 V for lavspændingsenheder og over 1600 V for højspændingsenheder og med en kapacitet på op til flere ti μF.

I papir-metal-enheder påføres et tyndt lag metal på dielektrisk papir i stedet for folie. Dette hjælper med at lave mindre komponenter. I tilfælde af et mindre nedbrud kan dielektrisket selv reparere sig. Metal-papirceller er ringere end papirceller med hensyn til isolationsmodstand.

Elektrolytiske kondensatorer

Disse produkter er opbygget på samme måde som papirkondensatorer. Men ved fremstilling af elektrolytiske celler imprægneres papiret med metaloxider.

I et papirfrit elektrolytprodukt påføres oxiden på en metalelektrode. Metaloxider har en ensrettet ledningsevne, hvilket gør enheden polær.

I nogle elektrolysecellemodeller er dækslerne forsynet med riller, der øger elektrodens overfladeareal. Mellemrummene mellem pladerne fjernes ved at fylde dem med elektrolyt. Dette forbedrer produktets kapacitive egenskaber.

Den høje kapacitans af elektrolytiske enheder, hundredvis af μF, bruges i filtre til at udjævne spændingsbølger.

Aluminium elektrolytisk

I denne type instrument er anodepladen fremstillet af aluminiumsfolie. Overfladen er belagt med et metaloxid, dielektrisk. Katodepuden er en fast eller flydende elektrolyt, som vælges således, at oxidlaget på folien regenereres under driften. Selvreparering af dielektrisk materiale forlænger elementets driftstid.

Kondensatorer af denne konstruktion kræver overholdelse af polaritet. Hvis du vender polariteten om, vil kassen gå i stykker.

Enheder, der har modkoblede polære samlinger indeni, anvendes i to retninger. Aluminiumelektrolyseceller har en kapacitet på op til flere tusinde µF.

Tantal-elektrolytisk

Anodeelektroden i disse anordninger er fremstillet af en porøs struktur, som er fremstillet ved opvarmning af tantalpulver til 2000 °C. Materialet har et svampelignende udseende. Porøsiteten øger overfladearealet.

Ved hjælp af elektrokemisk oxidation påføres et lag tantalpentoxid på op til 100 nanometer tykkelse på anoden. Det faste dielektrikum er fremstillet af mangandioxid. Den færdige konstruktion presses ind i en compound, en særlig harpiks.

Tantalprodukter anvendes ved strømfrekvenser over 100 kHz. Kapaciteterne er bygget op til flere hundrede μF med driftsspændinger på op til 75V.

Polymer

Der anvendes fast polymerelektrolyt i kondensatorer, hvilket giver flere fordele:

• levetiden er forlænget til 50.000 timer;
• parametre opretholdes ved opvarmning;
• bredere vifte af strømripple;
• modstanden i klemmer og elektroder ikke shunter kapaciteten.

Filmtype

Dielektricum i disse modeller er teflon-, polyester-, fluorplast- eller polypropylenfilm.

Dækslerne er folie eller metal, der sputteres på filmen. Designet bruges til at skabe flerlagssamlinger med øget overfladeareal.

Filmkondensatorer har en kapacitet på flere hundrede μF i miniatureformat. Afhængigt af lagrenes og kontaktledningernes placering fremstilles produkterne i aksial eller radial form.

Nogle modeller har en nominel spænding på 2 kV eller mere.

Forskellen mellem polære og ikke-polære

Ikke-polære designs gør det muligt at indbygge kondensatorer i et kredsløb uden hensyn til strømretningen. Elementer anvendes i filtre til vekselstrømforsyninger, højfrekvensforstærkere.

Polar-produkter er forbundet i overensstemmelse med mærkningen. Hvis den tilsluttes i den modsatte retning, vil enheden fejle eller ikke fungere korrekt.

Polære og ikke-polære kondensatorer med høj og lav kapacitet adskiller sig fra hinanden i dielektrisk design. I elektrolytiske kondensatorer vil elementet være polært, hvis oxidet påføres 1 elektrode eller 1 side af papiret eller filmen.

Ikke-polære elektrolytiske kondensatormodeller, hvor metaloxid påføres symmetrisk på begge dielektriske overflader, indgår i vekselstrømskredsløb.

Polære kondensatorer har positive eller negative elektrodemarkeringer på kabinettet.

Hvad kapacitansen af en kondensator afhænger af

Kondensatorens hovedfunktion og rolle i et kredsløb er at lagre ladninger, og en yderligere rolle er at forhindre lækage.

Kapacitansen af en kondensator er direkte proportional med mediets dielektriske konstant og pladernes areal og omvendt proportional med afstanden mellem elektroderne. Der opstår to modsætninger:

1. For at øge kapacitansen skal elektroderne være så tykke, brede og lange som muligt. Samtidig må enhedens størrelse ikke øges.
2. For at kunne holde ladningerne og skabe den nødvendige tiltrækningskraft skal afstanden mellem pladerne være så lille som muligt. Samtidig må nedbrydningsstrømmen ikke reduceres.

For at løse disse modsætninger bruger udviklerne

• flerlagsstrukturer af dielektrisk-elektrodeparret;
• porøse anodestrukturer;
• udskiftning af papir med oxider og elektrolytter;
• parallelforbindelse af elementer;
• at fylde det frie rum med stoffer med en højere dielektrisk konstant.

Størrelsen af kondensatorer bliver mindre, og egenskaberne bliver bedre med hver ny opfindelse.

Relaterede artikler: