Ein elektrischer Kondensator ist eines der Elemente im Stromkreis eines jeden elektronischen Geräts. Seine Hauptfunktion besteht darin, Energie zu speichern und sie anschließend wieder in den Stromkreis abzugeben. Die Industrie bietet eine breite Palette von Kondensatoren mit unterschiedlichen Typen, Kapazitäten, Größen und Anwendungen an.
Prinzip und Eigenschaften von Kondensatoren
Ein Kondensator besteht aus zwei Metallplättchen, die durch eine dünne dielektrische Schicht getrennt sind. Das Verhältnis von Größe und Anordnung der Beläge und die Eigenschaften des dielektrischen Materials bestimmen den Kapazitätswert.
Bei der Konstruktion jeder Art von Kondensator wird versucht, eine maximale Kapazität bei minimalen Abmessungen zu erreichen, um Platz auf der Leiterplatte des Geräts zu sparen. Eine der beliebtesten Formen, was das Aussehen betrifft, ist die Trommelform, bei der Metallabdeckungen mit einem Dielektrikum dazwischen zusammengedreht sind. Der erste Kondensator, der 1745 in Leiden, Niederlande, erfunden wurde, wurde "Leidener Glas" genannt.
Das Prinzip des Bauteils ist die Fähigkeit, zu laden und zu entladen. Das Aufladen wird dadurch ermöglicht, dass die Elektroden einen geringen Abstand zueinander haben. Die eng beieinander liegenden und durch das Dielektrikum getrennten Ladungen werden voneinander angezogen und an den Anschlüssen eingefangen, so dass der Kondensator selbst Energie speichert. Nach dem Abschalten der Stromversorgung ist das Bauteil bereit, Energie an den Stromkreis abzugeben, sich zu entladen.
Parameter und Eigenschaften, die Leistung, Qualität und Haltbarkeit bestimmen
- elektrische Kapazität;
- spezifische Kapazität;
- Toleranz;
- elektrische Stärke;
- intrinsische Induktivität;
- dielektrische Absorption;
- Verluste;
- Stabilität;
- Zuverlässigkeit.
Die Fähigkeit, eine Ladung zu speichern, bestimmt die elektrische Kapazität eines Kondensators. Für die Berechnung der Kapazität muss man wissen
- die Fläche der Wicklungen;
- den Abstand zwischen den Einsätzen;
- Die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials.
Um die Kapazität zu erhöhen, muss die Fläche der Wicklungen vergrößert, der Abstand zwischen ihnen verringert und ein Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstante verwendet werden.
Die für die Kapazität verwendete Maßeinheit ist das Farad (F), benannt nach dem englischen Physiker Michael Faraday. 1 Farad ist jedoch ein zu großer Wert. Die Kapazität unseres Planeten beträgt zum Beispiel weniger als 1 Farad. Kleinere Werte werden in der Funkelektronik verwendet: Mikrofarad (µF, ein Millionstel eines Farad) und Picofarad (pF, ein Millionstel eines Mikrofarad).
Die spezifische Kapazität wird aus dem Verhältnis von Kapazität zu dielektrischer Masse (Volumen) berechnet. Dies wird durch die geometrischen Abmessungen beeinflusst, und eine Erhöhung der spezifischen Kapazität wird durch eine Verringerung des Volumens des Dielektrikums erreicht, was jedoch die Gefahr von Durchschlägen erhöht.
Die zulässige Abweichung des Kapazitätswertes auf dem Typenschild vom tatsächlichen Wert bestimmt die Genauigkeitsklasse. Nach GOST gibt es 5 Genauigkeitsklassen, die die künftige Verwendung bestimmen. Bauteile der höchsten Genauigkeitsklasse werden in Schaltungen mit hoher Verantwortung eingesetzt.
Die elektrische Festigkeit bestimmt die Fähigkeit, eine Ladung zu halten und die Leistung beizubehalten. Die auf den Wicklungen gespeicherten Ladungen neigen dazu, sich aufeinander zuzubewegen, wenn sie auf das Dielektrikum einwirken. Die elektrische Festigkeit ist eine wichtige Eigenschaft eines Kondensators, die die Dauer seiner Verwendung bestimmt. Unsachgemäßer Betrieb führt zu dielektrischen Durchschlägen und zum Ausfall von Bauteilen.
Die Eigeninduktivität wird in Wechselstromkreisen mit Induktionsspulen berücksichtigt. Bei Gleichstromkreisen wird sie nicht berücksichtigt.
Die dielektrische Absorption ist das Auftreten von Spannung auf den Spulen während einer schnellen Entladung. Das Absorptionsphänomen wird für den sicheren Betrieb von elektrischen Hochspannungsgeräten berücksichtigt, weil im Falle eines Kurzschlusses Lebensgefahr besteht.
Die Verluste sind auf die geringe Strombelastbarkeit des Dielektrikums zurückzuführen. Wenn elektronische Bauteile unter verschiedenen Temperaturen und Feuchtigkeitsbedingungen betrieben werden, wirkt sich der Qualitätsfaktor der Verluste aus. Sie wird auch von der Betriebsfrequenz beeinflusst. Bei niedrigen Frequenzen sind die dielektrischen Verluste betroffen, bei höheren Frequenzen die metallischen Verluste.
Die Stabilität ist ein Parameter des Kondensators, der auch von der Umgebungstemperatur beeinflusst wird. Man unterscheidet zwischen reversiblen Wirkungen, die durch einen Temperaturkoeffizienten gekennzeichnet sind, und irreversiblen Wirkungen, die durch einen Temperaturinstabilitätskoeffizienten gekennzeichnet sind.
Die Zuverlässigkeit des Betriebs eines Kondensators hängt in erster Linie von den Betriebsbedingungen ab. Die Fehleranalyse zeigt, dass 80 % aller Ausfälle auf Pannen zurückzuführen sind.
Je nach Anwendung, Typ und Einsatzgebiet werden die Kondensatoren unterschiedlich dimensioniert. Die kleinsten von einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern werden in der Elektronik verwendet, die größten in der Industrie.
Zweck
Die Eigenschaft, Energie zu speichern und wieder abzugeben, hat die breite Verwendung von Kondensatoren in der modernen Elektronik bestimmt. Genau wie Widerstände und Transistoren sind sie das Rückgrat der Elektrotechnik. Es gibt kein einziges modernes Gerät, in dem sie nicht in irgendeiner Form verwendet werden.
Ihre Fähigkeit, sich zu laden und zu entladen, wird zusammen mit der Induktivität, die dieselben Eigenschaften hat, in der Radio- und Fernsehtechnik ausgiebig genutzt. Der Schwingkreis aus Kondensator und Induktivität ist die Grundlage für die Übertragung und den Empfang von Signalen. Durch Veränderung der Kapazität des Kondensators kann die Frequenz des Schwingkreises verändert werden. So können beispielsweise Radiosender auf ihren Frequenzen senden und Radios können sich mit diesen Frequenzen verbinden.
Eine wichtige Funktion ist die Glättung von Wechselstromschwankungen. Jedes mit Wechselstrom betriebene elektronische Gerät benötigt elektrische Kondensatoren zur Filterung, um Gleichstrom guter Qualität zu erzeugen.
Der Lade- und Entlademechanismus wird in Fotoausrüstungen aktiv genutzt. Alle modernen Kameras verwenden zur Aufnahme von Bildern einen Blitz, der sich durch die Eigenschaft der schnellen Entladung auszeichnet. Batterien, die zwar Energie speichern können, sich aber nur langsam entladen, sind in diesem Bereich nicht von Vorteil. Kondensatoren hingegen geben die gesamte gespeicherte Energie sofort ab, was für einen hellen Blitz ausreicht.
Die Fähigkeit der Kondensatoren, Hochleistungsimpulse zu erzeugen, wird bei der Funkortung und bei Lasern genutzt.
Kondensatoren übernehmen die Funktion von Funkenlöschkontakten in der Telegrafie und Telefonie sowie in der Telemechanik und Automatisierungstechnik, wo hoch belastete Relais geschaltet werden müssen.
Die Spannungsregulierung von langen Übertragungsleitungen wird durch den Einsatz von Kompensationskondensatoren ermöglicht.
Moderne Kondensatoren werden dank ihrer Fähigkeiten nicht nur im Bereich der Funkelektronik eingesetzt. Sie werden in der Metallverarbeitung, im Bergbau und in der Kohleindustrie eingesetzt.
Hauptsorten
Aufgrund der Vielfalt der Anwendungen und Betriebsbedingungen elektronischer Geräte gibt es eine große Anzahl von Bauteilen, die sich in Art und Eigenschaften unterscheiden. Die Hauptunterteilung erfolgt nach Klassen und nach der Art des verwendeten Dielektrikums.
Typen von Kondensatoren, unterteilt nach Klassen:
- mit konstanter Kapazität;
- mit variabler Kapazität;
- einstellbar.
Bauteile mit konstanter Kapazität werden in jedem radioelektronischen Gerät verwendet.
Variable Kondensatoren werden verwendet, um die Kapazität und die Schaltungsparameter zu ändern, z. B. die Frequenz in Schwingkreisen. Sie bestehen aus mehreren Abschnitten mit beweglichen Metallplatten, was ihre Langlebigkeit gewährleistet.
Die Trimmerkondensatoren werden für die einmalige Einstellung des Geräts verwendet. Sie sind in verschiedenen Kapazitätsgrößen erhältlich (von einigen Pikofarad bis zu mehreren hundert Pikofarad) und für Spannungen bis zu 60 Volt ausgelegt. Ohne sie wäre eine Feinabstimmung der Geräte nicht möglich.
Typen von Kondensatoren, klassifiziert nach der Art des Dielektrikums:
- keramisches Dielektrikum;
- mit einem Filmdielektrikum;
- elektrolytisch;
- Ionenaustauscher.
Keramikkondensatoren werden in Form einer kleinen Platte aus keramischem Material hergestellt, auf die Metallanschlüsse aufgespritzt werden. Diese Kondensatoren haben unterschiedliche Eigenschaften und werden sowohl für Hochspannungs- als auch für Niederspannungsschaltungen verwendet.
Für Niederspannungsschaltungen werden meist mehrschichtige kleine Bauteile in Epoxid- oder Kunststoffgehäusen mit Kapazitäten von einigen zehn Picofarad bis zu einigen Mikrofarad verwendet. Sie werden in Hochfrequenzschaltungen in radioelektronischen Geräten eingesetzt und können unter rauen klimatischen Bedingungen arbeiten.
Für Hochspannungsschaltungen sind größere Keramikkondensatoren mit Kapazitäten von einigen zehn Picofarad bis zu Tausenden von Picofarad erhältlich. Sie werden in Impulsschaltungen und Spannungsumwandlungsgeräten verwendet.
Filmdielektrika gibt es in verschiedenen Ausführungen. Das gebräuchlichste ist Lavsan, das sehr haltbar ist. Weniger gebräuchlich ist das Polypropylen-Dielektrikum, das geringere Verluste aufweist und in Hochspannungsschaltungen wie Audio-Verstärkerschaltungen und Mitteltonschaltungen verwendet wird.
Ein weiterer Typ von Folienkondensatoren ist der Anlaufkondensator, der beim Anlassen von Motoren verwendet wird und aufgrund seiner hohen Kapazität und seines speziellen dielektrischen Materials die Belastung des Elektromotors verringert. Sie zeichnen sich durch hohe Betriebsspannungen und elektrische Blindleistung aus.
Elektrolytkondensatoren werden in einem klassischen Design hergestellt. Das Gehäuse besteht aus Aluminium und die gewickelten Metallschalen sind im Inneren angeordnet. Eine der Abdeckungen ist chemisch mit einem Metalloxid und die andere mit einem flüssigen oder festen Elektrolyten beschichtet, um ein Dielektrikum zu bilden. Aufgrund dieser Konstruktion haben Elektrolytkondensatoren eine hohe Kapazität, aber die Besonderheit ihrer Verwendung im Laufe der Zeit ist ihre Veränderung im Laufe der Zeit.
Im Gegensatz zu Keramik- und Folienkondensatoren sind Elektrolytkondensatoren gepolt. Diese wiederum werden unterteilt in unpolar, ohne diesen Nachteil, radial, miniatur und axial. Ihre Einsatzgebiete sind die traditionelle Computer- und die moderne Mikrocomputertechnik.
Eine besondere Art, die erst vor kurzem aufkam, sind Ionenaustauscher. Sie sind ähnlich aufgebaut wie Elektrolytkondensatoren, haben aber eine hohe Kapazität (bis zu mehreren Farad). Ihre Verwendung ist jedoch durch eine geringe Höchstspannung von einigen Volt eingeschränkt. Ionisatoren werden als Speichermedium verwendet: Wenn die Batterie eines Mobiltelefons oder eines Minicomputers leer ist, gehen die gespeicherten Informationen nicht unwiederbringlich verloren.
Neben den seit langem bekannten und traditionell verwendeten Bauelementen in Stiftbauweise gibt es heute auch Bauelemente in SMD-Bauweise, die auch als oberflächenmontierte Bauelemente bezeichnet werden. Keramikkondensatoren können beispielsweise in einer Vielzahl von Größen hergestellt werden, von den kleinsten (1 mm x 0,5 mm) bis zu den größten (5,7 mm x 5 mm), und mit entsprechenden Spannungen, die von einigen zehn Volt bis zu Hunderten von Volt reichen.
Elektrolytkondensatoren können auch in oberflächenmontierten Gehäusen hergestellt werden. Dabei kann es sich um Standard-Aluminium-Elektrolytkondensatoren oder um Tantalkondensatoren handeln, die ein wenig wie Keramikkondensatoren aussehen, sich aber durch eine höhere Kapazität und geringere Verluste von ihnen unterscheiden. Sie sind sowohl in bleifreier als auch in bleifreier SMD-Ausführung erhältlich.
Tantal-Kondensatoren zeichnen sich durch eine lange Lebensdauer und minimale Verluste bei einer etwas niedrigeren Kapazitätsgrenze aus, sind aber auch sehr teuer. Sie werden in Schaltungen mit hoher Verantwortung verwendet, wo eine hohe Kapazität erforderlich ist.
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