Kondensatoren: Zweck, Gerät, Funktionsprinzip

In allen Funk- und elektronischen Geräten außer Transistoren und Mikroschaltungen werden Kondensatoren verwendet. In einigen Schaltkreisen gibt es mehr, in anderen weniger, aber es gibt praktisch keine elektronischen Schaltkreise ohne Kondensatoren.

In diesem Fall können Kondensatoren eine Vielzahl von Aufgaben in Geräten ausführen. Dies sind vor allem Behälter in den Filtern von Gleichrichtern und Stabilisatoren. Mit Hilfe von Kondensatoren wird ein Signal zwischen den Verstärkungsstufen übertragen, Nieder- und Hochfrequenzfilter werden aufgebaut, Zeitintervalle in Zeitverzögerungen werden eingestellt und die Schwingungsfrequenz in verschiedenen Generatoren wird ausgewählt.

Kondensatoren führen von Banken leidendie Mitte des 18. Jahrhunderts von dem niederländischen Wissenschaftler Peter van Mushenbrook in ihren Experimenten verwendet wurde. Er lebte in der Stadt Leiden, daher ist es leicht zu erraten, warum diese Bank genannt wurde.

Eigentlich war dies ein gewöhnliches Glas, das innen und außen mit einer Zinnfolie - Staniol - ausgekleidet war. Es wurde für die gleichen Zwecke wie modernes Aluminium verwendet, aber dann war Aluminium noch nicht offen.

Die einzige Stromquelle war damals eine Elektrophorenmaschine, die eine Spannung von bis zu mehreren hundert Kilovolt entwickeln konnte. Von ihr haben sie ein Leyden-Glas aufgeladen. In den Lehrbüchern der Physik wird ein Fall beschrieben, in dem Mushenbrook seine Dose durch eine Kette von zehn Wachen, die sich an den Händen halten, entlud.

Zu dieser Zeit wusste niemand, dass die Folgen tragisch sein könnten. Der Schlag erwies sich als ziemlich empfindlich, aber nicht tödlich. Da die Kapazität des Leyden-Glases unbedeutend war, stellte sich heraus, dass der Impuls sehr kurzlebig war, sodass die Entladungsleistung gering war.

Wie ist der Kondensator

Die Vorrichtung des Kondensators unterscheidet sich praktisch nicht vom Leyden-Gefäß: alle zwei Platten, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. So werden Kondensatoren in modernen Stromkreisen dargestellt. Abbildung 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Flachkondensators und die Formel für seine Berechnung.

Abbildung 1. Flachkondensator

Hier ist S die Plattenfläche in Quadratmetern, d ist der Abstand zwischen den Platten in Metern, C ist die Kapazität in Farad, ε ist die Dielektrizitätskonstante des Mediums. Alle in der Formel enthaltenen Werte werden im SI-System angezeigt. Diese Formel gilt für den einfachsten Flachkondensator: Sie können einfach zwei Metallplatten daneben platzieren, aus denen Schlussfolgerungen gezogen werden. Luft kann als Dielektrikum dienen.

Aus dieser Formel ist ersichtlich, dass der Kondensator umso größer ist, je größer die Fläche der Platten und je kleiner der Abstand zwischen ihnen ist. Für Kondensatoren mit einer anderen Geometrie kann die Formel unterschiedlich sein, beispielsweise für die Kapazität eines einzelnen Leiters oder Elektrokabel. Die Abhängigkeit der Kapazität von der Fläche der Platten und dem Abstand zwischen ihnen ist jedoch dieselbe wie die eines flachen Kondensators: Je größer die Fläche und je kleiner der Abstand, desto größer die Kapazität.

Tatsächlich sind die Platten nicht immer flach. Bei vielen Kondensatoren, beispielsweise Metall, sind die Platten Aluminiumfolie, die zusammen mit einem Papierdielektrikum in einer engen Kugel in Form eines Metallgehäuses gerollt ist.

Um die elektrische Festigkeit zu erhöhen, wird dünnes Kondensatorpapier mit isolierenden Zusammensetzungen, meistens Transformatoröl, imprägniert. Mit diesem Design können Sie Kondensatoren mit einer Kapazität von bis zu mehreren hundert Mikrofarad herstellen. Kondensatoren mit anderen Dielektrika sind ähnlich angeordnet.

Die Formel enthält keine Einschränkungen hinsichtlich der Fläche der Platten S und des Abstands zwischen den Platten d.Wenn wir davon ausgehen, dass die Platten sehr weit gespreizt werden können und gleichzeitig die Fläche der Platten ziemlich unbedeutend ist, bleibt eine gewisse Kapazität, wenn auch klein, bestehen. Diese Überlegung legt nahe, dass bereits zwei in der Nachbarschaft befindliche Leiter eine elektrische Kapazität haben.

Dieser Umstand ist in der Hochfrequenztechnologie weit verbreitet: In einigen Fällen werden Kondensatoren einfach in Form von Leiterbahnen oder sogar nur zwei Drähten hergestellt, die in einer Polyethylenisolierung miteinander verdrillt sind. Gewöhnliche Drahtnudeln oder Kabel haben ebenfalls eine Kapazität und nehmen mit zunehmender Länge zu.

Zusätzlich zur Kapazität C hat jedes Kabel auch den Widerstand R. Beide physikalischen Eigenschaften sind über die Länge des Kabels verteilt und arbeiten bei der Übertragung gepulster Signale als integrierende RC-Kette (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2

In der Abbildung ist alles einfach: Hier ist die Schaltung, hier ist das Eingangssignal, aber hier ist es am Ausgang. Der Impuls ist bis zur Unkenntlichkeit verzerrt, dies geschieht jedoch absichtlich, für die die Schaltung zusammengebaut ist. In der Zwischenzeit sprechen wir über die Auswirkung der Kabelkapazität auf das Impulssignal. Anstelle eines Impulses erscheint eine solche "Glocke" am anderen Ende des Kabels. Wenn der Impuls kurz ist, erreicht er möglicherweise überhaupt nicht das andere Ende des Kabels und ist vollständig verschwunden.

Historische Tatsache

Hier ist es durchaus angebracht, an die Geschichte zu erinnern, wie das transatlantische Kabel verlegt wurde. Der erste Versuch im Jahr 1857 schlug fehl: Die Telegraphenpunkte - Striche (Rechteckimpulse) wurden verzerrt, so dass am anderen Ende der 4000 km langen Linie nichts zerlegt werden konnte.

Ein zweiter Versuch wurde 1865 unternommen. Zu diesem Zeitpunkt hatte der englische Physiker W. Thompson die Theorie der Datenübertragung über lange Leitungen entwickelt. In Anbetracht dieser Theorie erwies sich die Kabelführung als erfolgreicher, und wir konnten Signale empfangen.

Für diese wissenschaftliche Leistung verlieh Königin Victoria dem Wissenschaftler die Ritterschaft und den Titel Lord Kelvin. So hieß die kleine Stadt an der Küste Irlands, in der die Kabelverlegung begann. Dies ist jedoch nur ein Wort, und jetzt kehren wir zum letzten Buchstaben der Formel zurück, nämlich zur Dielektrizitätskonstante des Mediums ε.

Ein bisschen über Dielektrika

Dieses ε liegt im Nenner der Formel, daher führt seine Erhöhung zu einer Erhöhung der Kapazität. Für die meisten verwendeten Dielektrika wie Luft, Lavsan, Polyethylen, Fluoroplast ist diese Konstante fast dieselbe wie die des Vakuums. Gleichzeitig gibt es aber viele Substanzen, deren Dielektrizitätskonstante viel höher ist. Wenn der Luftkondensator mit Aceton oder Alkohol gefüllt ist, erhöht sich seine Kapazität alle 15 ... 20.

Solche Substanzen haben aber neben hohem ε auch eine ausreichend hohe Leitfähigkeit, daher hält ein solcher Kondensator eine Ladung nicht gut, er entlädt sich schnell durch sich selbst. Dieses schädliche Phänomen wird als Leckstrom bezeichnet. Daher werden spezielle Materialien für Dielektrika entwickelt, die mit einer hohen spezifischen Kapazität von Kondensatoren akzeptable Leckströme liefern. Dies erklärt die Vielfalt der Typen und Typen von Kondensatoren, von denen jeder für bestimmte Bedingungen ausgelegt ist.

Elektrolytkondensator

Die größte spezifische Kapazität (Kapazitäts- / Volumenverhältnis) Elektrolytkondensatoren. Die Kapazität von "Elektrolyten" erreicht bis zu 100.000 Mikrofarad und die Betriebsspannung beträgt bis zu 600V. Solche Kondensatoren funktionieren nur bei niedrigen Frequenzen gut, meistens in Filtern von Netzteilen. Elektrolytkondensatoren sind in der Polarität eingeschaltet.

Die Elektroden in solchen Kondensatoren sind ein dünner Metalloxidfilm, so dass diese Kondensatoren oft als Oxid bezeichnet werden. Eine dünne Luftschicht zwischen solchen Elektroden ist kein sehr zuverlässiger Isolator, daher wird eine Elektrolytschicht zwischen den Oxidplatten eingeführt. Meist sind dies konzentrierte Lösungen von Säuren oder Laugen.

Abbildung 3 zeigt einen dieser Kondensatoren.

Abbildung 3. Elektrolytkondensator

Um die Größe des Kondensators zu bewerten, wurde eine einfache Streichholzschachtel daneben fotografiert. Neben einer ausreichend großen Kapazität in der Abbildung sehen Sie auch die prozentuale Toleranz: nicht weniger als 70% des Nennwerts.

In jenen Tagen, als Computer groß waren und Computer genannt wurden, befanden sich solche Kondensatoren in Laufwerken (in der modernen Festplatte). Die Informationskapazität solcher Laufwerke kann nur noch ein Lächeln hervorrufen: 5 Megabyte an Informationen wurden auf zwei Festplatten mit einem Durchmesser von 350 mm gespeichert, und das Gerät selbst wog 54 kg.

Der Hauptzweck der in der Abbildung gezeigten Superkondensatoren war das Herausziehen von Magnetköpfen aus dem Arbeitsbereich der Scheibe während eines plötzlichen Stromausfalls. Solche Kondensatoren könnten eine Ladung für mehrere Jahre speichern, was in der Praxis getestet wurde.

Ein wenig niedriger mit Elektrolytkondensatoren wird angeboten, um einige einfache Experimente durchzuführen, um zu verstehen, was ein Kondensator tun kann.

Um in Wechselstromkreisen zu arbeiten, werden unpolare Elektrolytkondensatoren hergestellt, die aus irgendeinem Grund nur schwer zu bekommen sind. Um dieses Problem irgendwie zu umgehen, enthalten gewöhnliche polare "Elektrolyte" eine Gegensequenz: Plus-Minus-Minus-Plus.

Wenn der polare Elektrolytkondensator im Wechselstromkreis enthalten ist, erwärmt er sich zuerst und es ist eine Explosion zu hören. Inländische alte Kondensatoren sind in alle Richtungen verstreut, während importierte ein spezielles Gerät haben, das laute Schüsse vermeidet. Dies ist normalerweise entweder eine Kreuzkerbe am Boden des Kondensators oder ein Loch mit einem Gummistopfen an derselben Stelle.

Sie mögen keine Elektrolytkondensatoren mit erhöhter Spannung, selbst wenn die Polarität eingehalten wird. Daher sollten Sie niemals "Elektrolyte" in einen Stromkreis einbringen, in dem eine Spannung nahe dem Maximum für einen bestimmten Kondensator erwartet wird.

Manchmal stellen Anfänger in einigen, sogar seriösen Foren die Frage: "Der Kondensator 470µF * 16V ist im Diagramm angegeben, und ich habe 470µF * 50V, kann ich es sagen?" Ja, natürlich können Sie, aber der umgekehrte Austausch ist nicht akzeptabel.

Kondensator kann Energie speichern

Um mit dieser Aussage fertig zu werden, hilft ein einfaches Diagramm in Abbildung 4.

Abbildung 4. Schaltung mit Kondensator

Der Protagonist dieser Schaltung ist ein Elektrolytkondensator C mit einer ausreichend großen Kapazität, dass die Lade- / Entladevorgänge langsam und sogar sehr deutlich ablaufen. Dies ermöglicht es, den Betrieb der Schaltung visuell unter Verwendung eines herkömmlichen Lichts von einer Taschenlampe zu beobachten. Diese Leuchten sind modernen LEDs längst gewichen, aber Lampen für sie werden immer noch verkauft. Daher ist es sehr einfach, eine Schaltung zusammenzubauen und einfache Experimente durchzuführen.

Vielleicht sagt jemand: „Warum? Schließlich ist alles offensichtlich, und selbst wenn Sie die Beschreibung lesen ... “ Hier scheint es nichts zu streiten zu geben, aber alles, auch das Einfachste, bleibt noch lange im Kopf, wenn sein Verständnis durch die Hände kommt.

So wird die Schaltung zusammengebaut. Wie arbeitet sie?

In der im Diagramm gezeigten Position des Schalters SA wird der Kondensator C von der Stromquelle GB über den Widerstand R in der Schaltung aufgeladen: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. Der Ladestrom im Diagramm wird durch einen Pfeil mit dem Index iз angezeigt. Der Vorgang des Ladens eines Kondensators ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5. Kondensatorladevorgang

Die Abbildung zeigt, dass die Spannung am Kondensator entlang einer Kurve ansteigt, die in der Mathematik als Exponent bezeichnet wird. Der Ladestrom spiegelt direkt die Ladespannung wider. Wenn die Spannung am Kondensator ansteigt, wird der Ladestrom immer geringer. Und nur im Anfangszeitpunkt entspricht die in der Abbildung gezeigte Formel.

Nach einiger Zeit wird der Kondensator von 0 V auf die Spannung der Stromquelle in unserer Schaltung auf 4,5 V aufgeladen. Die ganze Frage ist, wie es Zeit ist zu bestimmen, wie lange gewartet werden soll, wann der Kondensator aufgeladen wird.

Tau-Zeitkonstante τ = R * C.

In dieser Formel werden der Widerstand und die Kapazität eines in Reihe geschalteten Widerstands und eines Kondensators einfach multipliziert.Wenn Sie, ohne das SI-System zu vernachlässigen, den Widerstand in Ohm und die Kapazität in Farad ersetzen, wird das Ergebnis in Sekunden angegeben. Diesmal muss der Kondensator bis zu 36,8% der Spannung der Stromquelle aufladen. Dementsprechend wird für eine Ladung von fast 100% eine Zeit von 5 · τ benötigt.

Wenn das SI-System vernachlässigt wird, wird häufig der Widerstand in Ohm in die Formel eingesetzt, und die Kapazität wird in Mikrofarad angegeben. Die Zeit wird dann in Mikrosekunden angegeben. In unserem Fall ist es bequemer, das Ergebnis in Sekunden zu erhalten, für die Sie nur die Mikrosekunden mit einer Million multiplizieren oder, einfacher ausgedrückt, das Komma um sechs Zeichen nach links verschieben müssen.

Für die in 4 gezeigte Schaltung mit einem Kondensator von 2000 & mgr; F und einem Widerstandswiderstand von 500 & OHgr; beträgt die Zeitkonstante & tgr; = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 Mikrosekunden oder genau eine Sekunde. Daher müssen Sie ca. 5 Sekunden warten, bis der Kondensator vollständig aufgeladen ist.

Wenn nach Ablauf der angegebenen Zeit der Schalter SA in die richtige Position gedreht wird, wird der Kondensator C durch die EL-Lampe entladen. In diesem Moment tritt ein kurzer Blitz auf, der Kondensator entlädt sich und das Licht erlischt. Die Entladungsrichtung des Kondensators wird durch einen Pfeil mit dem Index ip angezeigt. Die Entladungszeit wird auch durch die Zeitkonstante τ bestimmt. Das Entladungsdiagramm ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6. Diagramm der Kondensatorentladung

Der Kondensator lässt keinen Gleichstrom durch

Um diese Aussage zu überprüfen, hilft ein noch einfacheres Schema (siehe Abbildung 7).

Abbildung 7. Schaltung mit einem Kondensator im Gleichstromkreis

Wenn Sie den Schalter SA schließen, folgt ein kurzes Blinken der Glühlampe, was darauf hinweist, dass der Kondensator C über die Glühlampe aufgeladen wird. Hier wird auch das Ladungsdiagramm angezeigt: In dem Moment, in dem der Schalter schließt, ist der Strom maximal, da sich der Kondensator auflädt, abnimmt und nach einer Weile vollständig stoppt.

Wenn der Kondensator von guter Qualität ist, d.h. Bei einem kleinen Leckstrom (Selbstentladung) führt das wiederholte Schließen des Schalters nicht zu einem Blitz. Um einen weiteren Blitz zu erhalten, muss der Kondensator entladen werden.

Kondensator in Leistungsfiltern

Der Kondensator wird normalerweise hinter dem Gleichrichter platziert. Am häufigsten werden Gleichrichter halbwellig gemacht. Die gängigsten Gleichrichterschaltungen sind in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8. Gleichrichterschaltungen

Halbwellengleichrichter werden in der Regel auch häufig eingesetzt, wenn die Lastleistung unbedeutend ist. Die wertvollste Qualität solcher Gleichrichter ist die Einfachheit: nur eine Diode und eine Transformatorwicklung.

Für einen Halbwellengleichrichter kann die Kapazität des Filterkondensators nach der Formel berechnet werden

C = 1.000.000 * Po / 2 * U * f * dU, wobei C der Kondensator μF ist, Po die Lastleistung W ist, U die Spannung am Gleichrichterausgang V ist, f die Frequenz der Wechselspannung Hz ist, dU die Welligkeitsamplitude V ist.

Eine große Zahl im Zähler von 1.000.000 wandelt die Kapazität des Kondensators vom System Farad in Mikrofarad um. Die beiden im Nenner geben die Anzahl der Halbperioden des Gleichrichters an: Für eine Halbwelle an ihrer Stelle erscheint eine Einheit

C = 1.000.000 * Po / U * f * dU,

und für einen Dreiphasengleichrichter hat die Formel die Form C = 1.000.000 * Po / 3 * U * f * dU.

Superkondensator - Ionistor

Kürzlich wurde eine neue Klasse von Elektrolytkondensatoren, die sogenannten Ionistor. In seinen Eigenschaften ähnelt es jedoch einer Batterie mit mehreren Einschränkungen.

Der Ionistor wird in kurzer Zeit, buchstäblich in wenigen Minuten, auf die Nennspannung aufgeladen. Daher ist es ratsam, ihn als Notstromquelle zu verwenden. Tatsächlich ist der Ionistor ein unpolares Gerät. Das einzige, was seine Polarität bestimmt, ist das Laden im Werk. Um diese Polarität in Zukunft nicht zu verwechseln, wird sie durch das + -Zeichen angezeigt.

Eine wichtige Rolle spielen die Betriebsbedingungen der Ionistoren. Bei einer Temperatur von 70 ° C bei einer Spannung von 0,8 ° C der nominalen garantierten Haltbarkeit von nicht mehr als 500 Stunden.Wenn das Gerät mit einer Spannung von 0,6 vom Nennwert betrieben wird und die Temperatur 40 Grad nicht überschreitet, ist ein ordnungsgemäßer Betrieb für 40.000 Stunden oder mehr möglich.

Die häufigsten Ionistoranwendungen sind Notstromquellen. Dies sind hauptsächlich Speicherchips oder elektronische Uhren. In diesem Fall ist der Hauptparameter des Ionistors ein niedriger Leckstrom, seine Selbstentladung.

Sehr vielversprechend ist die Verwendung von Ionistoren in Verbindung mit Sonnenkollektoren. Dies wirkt sich auch auf die Unkritikalität des Ladezustands und eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Lade- / Entladezyklen aus. Eine weitere wertvolle Eigenschaft ist, dass der Ionistor wartungsfrei ist.

Bisher hat sich herausgestellt, wie und wo Elektrolytkondensatoren funktionieren, und zwar hauptsächlich in Gleichstromkreisen. Der Betrieb von Kondensatoren in Wechselstromkreisen wird in einem anderen Artikel beschrieben - Kondensatoren für elektrische Wechselstrominstallationen.

Boris Aladyshkin 

P.S. Ein interessanter Anwendungsfall für Kondensatoren: Kondensatorschweißen