Die Basis elektronischer Bauteile für die Entwicklung elektronischer Geräte wird immer komplizierter. Die Geräte werden zu integrierten Schaltkreisen mit definierter Funktionalität und Softwaresteuerung kombiniert. Im Mittelpunkt der Entwicklung stehen jedoch die Basisgeräte: Kondensatoren, Widerstände, Dioden und Transistoren.
Inhalt
Was ist ein Kondensator?
Ein Gerät, das Elektrizität in Form von elektrischen Ladungen speichert, wird als Kondensator bezeichnet.
In der Physik wird die Menge an Elektrizität oder elektrischer Ladung in Coulombs (Cl) gemessen. Die elektrische Kapazität wird in Farad (F) gemessen.
Ein einzelner Leiter mit einer elektrischen Kapazität von 1 Farad ist eine Metallkugel mit einem Radius, der 13 Sonnenradien entspricht. Ein Kondensator besteht daher aus mindestens 2 Leitern, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Bei einfachen Gerätekonstruktionen ist es Papier.
Der Betrieb eines Kondensators in einem Gleichstromkreis erfolgt, wenn die Stromversorgung ein- und ausgeschaltet wird. Nur während Transienten ändert sich das Potenzial an den Spulen.
Der Kondensator in einem Wechselstromkreis wird mit einer Frequenz aufgeladen, die der Frequenz der Versorgungsspannung entspricht. Durch das kontinuierliche Laden und Entladen fließt Strom durch das Element. Eine höhere Frequenz bedeutet ein schnelleres Aufladen des Geräts.
Der Widerstand einer Schaltung mit einem Kondensator hängt von der Frequenz des Stroms ab. Bei einer Gleichstromfrequenz von Null tendiert der Widerstandswert gegen unendlich. Mit zunehmender Wechselstromfrequenz nimmt der Widerstand ab.
Wenn Kondensatoren verwendet werden
Der Betrieb elektronischer, radiotechnischer und elektrischer Geräte ist ohne Kondensatoren nicht möglich.
In der Elektrotechnik werden sie zur Phasenverschiebung beim Anlassen von Asynchronmotoren verwendet. Ohne Phasenverschiebung funktioniert ein dreiphasiger Induktionsmotor in einem einphasigen Wechselstromnetz nicht.
Kondensatoren mit einer Kapazität von mehreren Farad - Ionenkondensatoren - werden in Elektrofahrzeugen als Stromquelle für den Motor verwendet.
Um zu verstehen, warum ein Kondensator benötigt wird, ist es wichtig zu wissen, dass 10-12% der Messgeräte nach dem Prinzip der Änderung der elektrischen Kapazität bei Änderungen der äußeren Umgebung arbeiten. Das Kapazitätsverhalten spezieller Geräte wird dazu verwendet:
- die Registrierung schwacher Bewegungen durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Abstands zwischen den Schalen;
- Erkennung von Feuchtigkeit durch Aufzeichnung von Änderungen des dielektrischen Widerstands;
- Messung des Füllstands einer Flüssigkeit, die die Kapazität eines Elements verändert, wenn es gefüllt ist.
Kondensatoren sind aus der Entwicklung von Automatik- und Schutzrelais nicht mehr wegzudenken. Einige Schutzlogiken berücksichtigen die Überladungsvielfalt des Geräts.
Kapazitive Elemente werden in den Schaltkreisen von Mobiltelefonen, Radio- und Fernsehgeräten verwendet. Kondensatoren werden verwendet in:
- Hoch- und Tieffrequenzverstärker;
- Stromversorgungseinheiten;
- Frequenzfilter;
- Schallverstärker;
- Prozessoren und andere Mikroschaltkreise.
Die Frage, wozu ein Kondensator dient, lässt sich leicht beantworten, wenn man sich die Schaltpläne elektronischer Geräte ansieht.
Das Kondensatorprinzip
In einem Gleichstromkreis werden positive Ladungen auf einer Platte und negative Ladungen auf der anderen gesammelt. Durch gegenseitige Anziehung werden die Teilchen in der Vorrichtung zusammengehalten, und das Dielektrikum zwischen ihnen verhindert, dass sie sich verbinden. Je dünner das Dielektrikum ist, desto stärker sind die Ladungen miteinander verbunden.
Der Kondensator nimmt so viel Strom auf, wie nötig ist, um die Kapazität zu füllen, und der Strom stoppt.
Bei einer konstanten Spannung im Stromkreis hält das Element die Ladung bis zum Abschalten des Stroms. Es entlädt sich dann über die Verbraucher im Stromkreis.
Wechselstrom fließt auf eine andere Weise durch einen Kondensator. Das erste ¼ der Schwingungsperiode ist das Moment der Aufladung des Geräts. Die Amplitude des Ladestroms nimmt exponentiell ab und sinkt bis zum Ende des Quartals auf Null. Die EMK erreicht an diesem Punkt eine Amplitude.
Im zweiten ¼ der Periode nimmt die EMK ab und die Zelle beginnt sich zu entladen. Die Abnahme der EMK zu Beginn ist gering, ebenso der Entladestrom. Sie steigt nach der gleichen exponentiellen Beziehung. Am Ende der Periode ist die EMK gleich Null und der Strom ist gleich seinem Amplitudenwert.
Im dritten ¼ der Schwingungsperiode ändert die EMK ihre Richtung, geht über Null und nimmt zu. Das Vorzeichen der Ladung auf den Spulen ist vertauscht. Der Strom nimmt an Stärke ab und behält seine Richtung bei. Zu diesem Zeitpunkt ist der Strom der Spannung in der Phase um 90° voraus.
Bei Drosselspulen ist es umgekehrt: Die Spannung ist dem Strom voraus. Diese Eigenschaft steht bei der Entscheidung, ob RC- oder RL-Schaltungen verwendet werden sollen, an erster Stelle.
Am Ende des Zyklus, beim letzten ¼ der Schwingung, fällt die EMK auf Null und der Strom erreicht seinen Amplitudenwert.
"Die Kapazität entlädt und lädt sich 2 Mal pro Periode und leitet einen Wechselstrom.
Dies ist eine theoretische Beschreibung der Prozesse. Um zu verstehen, wie ein Element in einer Schaltung direkt im Gerät funktioniert, berechnen Sie den induktiven und kapazitiven Widerstand der Schaltung, die Parameter der anderen Teilnehmer und berücksichtigen den Einfluss der äußeren Umgebung.
Hauptmerkmale und Eigenschaften
Zu den Kondensatorparametern, die für den Bau und die Reparatur elektronischer Geräte verwendet werden, gehören:
- Kapazität - C. Bestimmt die Menge der Ladung, die das Gerät hält. Der Wert der Nennkapazität ist auf dem Gehäuse angegeben. Die Zellen werden in einem Stromkreis parallel oder in Reihe geschaltet, um die gewünschten Werte zu erhalten. Die Betriebswerte stimmen nicht mit den berechneten Werten überein.
- Die Resonanzfrequenz ist fp. Wenn die Stromfrequenz höher ist als die Resonanzfrequenz, werden die induktiven Eigenschaften des Elements deutlich. Dies erschwert die Bedienung. Um die Nennleistung im Stromkreis zu gewährleisten, ist es ratsam, den Kondensator bei Frequenzen zu verwenden, die unter den Resonanzwerten liegen.
- Die Nennspannung ist Un. Um einen Ausfall der Elemente zu verhindern, wird die Betriebsspannung niedriger als die Nennspannung eingestellt. Dies ist auf dem Gehäuse des Kondensators angegeben.
- Polarität. Bei unsachgemäßem Anschluss kommt es zu Störungen und Ausfällen.
- Elektrischer Isolationswiderstand - Rd. Bestimmt den Ableitstrom des Geräts. In Geräten sind die Teile nahe beieinander angeordnet. Hohe Ableitströme können zu parasitären Verbindungen in den Schaltkreisen führen. Dies führt zu Fehlfunktionen. Der Ableitstrom beeinträchtigt die kapazitiven Eigenschaften des Elements.
- Der Temperaturkoeffizient - TKE. Der Wert bestimmt, wie sich die Kapazität eines Geräts aufgrund von Temperaturschwankungen in der Umgebung verändert. Der Parameter wird bei der Entwicklung von Geräten für den Einsatz in rauen Umgebungen verwendet.
- Parasitärer Piezoeffekt. Einige Arten von Kondensatoren verursachen Geräusche in Geräten, wenn sie verformt werden.
Arten und Typen von Kondensatoren
Kapazitive Elemente werden nach der Art des Dielektrikums eingeteilt, das für ihre Konstruktion verwendet wird.
Papier- und Metallkondensatoren
Die Elemente werden in Stromkreisen mit Gleichspannung oder schwach pulsierenden Spannungen verwendet. Die Einfachheit der Konstruktion führt zu einer um 10-25 % geringeren Stabilität der Kenndaten und zu einem höheren Wert der Verluste.
Bei Papierkondensatoren sind die Aluminiumfolienabdeckungen durch Papier getrennt. Die Baugruppen sind verdreht und in einem zylindrischen oder rechteckigen quaderförmigen Gehäuse untergebracht.
Die Geräte arbeiten bei Temperaturen von -60...+125°C, mit einer Nennspannung von bis zu 1600V für Niederspannungsgeräte und über 1600V für Hochspannungsgeräte und mit einer Kapazität von bis zu zehn μF.
Bei Papier-Metall-Geräten wird anstelle einer Folie eine dünne Metallschicht auf dielektrisches Papier aufgebracht. Dies trägt zur Herstellung kleinerer Bauteile bei. Im Falle eines geringfügigen Durchbruchs kann sich das Dielektrikum selbst reparieren. Metall-Papier-Zellen sind den Papierzellen in Bezug auf den Isolationswiderstand unterlegen.
Elektrolytkondensatoren
Der Aufbau dieser Produkte ist ähnlich wie bei Papierkondensatoren. Bei der Herstellung von Elektrolysezellen wird das Papier jedoch mit Metalloxiden imprägniert.
Bei einem papierlosen Elektrolytprodukt wird das Oxid auf eine Metallelektrode aufgebracht. Metalloxide haben eine einseitige Leitfähigkeit, die das Gerät polar macht.
Bei einigen Elektrolysezellenmodellen sind die Deckel mit Rillen versehen, die die Oberfläche der Elektrode vergrößern. Die Lücken zwischen den Platten werden durch Auffüllen mit Elektrolyt beseitigt. Dadurch werden die kapazitiven Eigenschaften des Produkts verbessert.
Die hohe Kapazität elektrolytischer Bauelemente von Hunderten von μF wird in Filtern zur Glättung von Spannungsschwankungen verwendet.
Aluminium elektrolytisch
Bei diesem Gerätetyp besteht die Anodenplatte aus Aluminiumfolie. Die Oberfläche ist mit einem Metalloxid, dem Dielektrikum, beschichtet. Das Kathodenpolster ist ein fester oder flüssiger Elektrolyt, der so gewählt wird, dass die Oxidschicht auf der Folie während des Betriebs regeneriert wird. Die Selbstreparatur des Dielektrikums verlängert die Betriebsdauer des Elements.
Bei Kondensatoren dieser Bauart muss die Polarität beachtet werden. Eine Umkehrung der Polarität führt zum Zerreißen des Gehäuses.
Geräte, die im Inneren gegengekoppelte polare Baugruppen haben, werden in 2 Richtungen verwendet. Aluminium-Elektrolyt-Zellen haben eine Kapazität von bis zu mehreren tausend µF.
Tantal-Elektrolyt
Die Anodenelektrode dieser Geräte besteht aus einer porösen Struktur, die durch Erhitzen von Tantalpulver auf bis zu 2000 °C hergestellt wird. Das Material hat ein schwammartiges Aussehen. Die Porosität vergrößert die Oberfläche.
Durch elektrochemische Oxidation wird eine bis zu 100 Nanometer dicke Schicht aus Tantalpentoxid auf die Anode aufgebracht. Das feste Dielektrikum besteht aus Mangandioxid. Die fertige Konstruktion wird in einen Verbund, ein spezielles Harz, gepresst.
Tantalprodukte werden bei Stromfrequenzen über 100kHz verwendet. Die Kapazitäten reichen bis zu Hunderten von μF, mit Betriebsspannungen bis zu 75 V.
Polymer
In Kondensatoren wird ein fester Polymerelektrolyt verwendet, der mehrere Vorteile bietet:
- Die Lebensdauer wird auf 50.000 Stunden verlängert;
- Parameter werden beim Aufheizen beibehalten;
- einen größeren Bereich der Stromwelligkeit;
- der Widerstand der Klemmen und Elektroden die Kapazität nicht überbrückt.
Filmtyp
Das Dielektrikum dieser Modelle besteht aus Teflon, Polyester, Fluorkunststoff oder Polypropylen.
Die Abdeckungen bestehen aus Folie oder Metall, das auf die Folie gesputtert wird. Das Design wird zur Herstellung von mehrschichtigen Baugruppen mit vergrößerter Oberfläche verwendet.
Folienkondensatoren haben eine Kapazität von Hunderten von μF bei Miniaturgröße. Je nach Anordnung der Schichten und Kontaktleitungen werden axiale oder radiale Formen der Produkte hergestellt.
Einige Modelle haben eine Nennspannung von 2 kV oder mehr.
Der Unterschied zwischen polar und unpolar
Unpolare Designs ermöglichen es, Kondensatoren ohne Rücksicht auf die Stromrichtung in eine Schaltung einzubauen. Die Elemente werden in Filtern für Wechselstromversorgungen und Hochfrequenzverstärker verwendet.
Polar Produkte werden entsprechend der Kennzeichnung angeschlossen. Wenn das Gerät in der entgegengesetzten Richtung angeschlossen wird, fällt es aus oder funktioniert nicht richtig.
Polare und unpolare Kondensatoren mit hoher und niedriger Kapazität unterscheiden sich in der dielektrischen Konstruktion. Bei Elektrolytkondensatoren ist das Element polar, wenn das Oxid auf eine Elektrode oder eine Seite von Papier oder Folie aufgebracht wird.
Unpolare Elektrolytkondensatormodelle, bei denen Metalloxid symmetrisch auf beide dielektrischen Oberflächen aufgebracht wird, sind in Wechselstromkreisen enthalten.
Polare Kondensatoren haben auf dem Gehäuse Markierungen für die positiven und negativen Elektroden.
Wovon die Kapazität eines Kondensators abhängt
Die Hauptfunktion und Rolle des Kondensators in einer Schaltung besteht darin, Ladungen zu speichern, und eine weitere Rolle besteht darin, Leckagen zu verhindern.
Die Kapazität eines Kondensators ist direkt proportional zur Dielektrizitätskonstante des Mediums und der Fläche der Platten, und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Elektroden. Es ergeben sich zwei Widersprüche:
- Um die Kapazität zu erhöhen, müssen die Elektroden so dick, breit und lang wie möglich sein. Gleichzeitig darf die Größe des Geräts nicht erhöht werden.
- Um die Ladungen zu halten und die notwendige Anziehungskraft zu erzeugen, muss der Abstand zwischen den Platten so gering wie möglich gehalten werden. Gleichzeitig darf der Durchbruchstrom nicht verringert werden.
Um diese Widersprüche zu lösen, verwenden die Entwickler
- Mehrschichtige Strukturen des Dielektrikum-Elektroden-Paares;
- poröse Anodenstrukturen;
- Ersatz von Papier durch Oxide und Elektrolyte;
- Parallelschaltung von Elementen;
- Auffüllen des freien Raums mit Stoffen mit einer höheren Dielektrizitätskonstante.
Die Größe der Kondensatoren wird immer kleiner und die Eigenschaften werden mit jeder neuen Erfindung besser.
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