Elektrisk kondensator

Kondensator (fra lat. condensare - "kompakt", "tykkere" eller fra lat. condensatio - "akkumulation") - et to -terminalt netværk med en konstant eller variabel værdi af kapacitans [1] og lav ledningsevne ; en enhed til at akkumulere ladning og energi fra et elektrisk felt .

Kondensatoren er en passiv elektronisk komponent. I SI måles kapacitansen af en kondensator i farad .

Historie

I 1745, i Leiden , opfandt den tyske kanon Ewald Jurgen von Kleist og uafhængigt af ham den hollandske fysiker Pieter van Muschenbroek designprototypen på en elektrisk kondensator - " Leyden-krukken " [2] . De første kondensatorer, bestående af to ledere adskilt af en ikke-leder ( dielektrisk ), almindeligvis omtalt som en Aepinus kondensator eller elektrisk plade, blev skabt endnu tidligere [3] .

Kondensatordesign

Kondensatoren er en passiv elektronisk komponent [4] . I den enkleste version består designet af to elektroder i form af plader (kaldet plader ), adskilt af et dielektrikum , hvis tykkelse er lille i forhold til pladernes dimensioner (se fig.). Praktisk brugte kondensatorer har mange dielektriske lag og flerlagselektroder, eller strimler af vekslende dielektrikum og elektroder, rullet til en cylinder eller parallelepipedum med afrundede fire kanter (på grund af vikling).

Kondensatoregenskaber

En kondensator i et DC-kredsløb kan lede strøm i det øjeblik, den er forbundet til kredsløbet (kondensatoren oplader eller genoplades), ved slutningen af overgangsprocessen løber strømmen ikke gennem kondensatoren, da dens plader er adskilt af et dielektrikum. I et vekselstrømkredsløb leder det vekselstrømssvingninger gennem den cykliske genopladning af kondensatoren, der lukker med den såkaldte forskydningsstrøm .

Fra synspunktet om metoden med komplekse amplituder har kondensatoren en kompleks impedans

{\hat {Z}}_{C}={\frac {1}{j\omega C}}=-{\frac {j}{\omega C}}=-{\frac {j} {2\pi fC}},

hvor er den imaginære enhed ,

j

\omega

er den cykliske frekvens ( radian / s ) af den strømmende sinusformet strøm,

f

- frekvens i hertz ,

C

er kapacitansen af kondensatoren ( farad ).

Det følger også, at kondensatorens reaktans er lig med For jævnstrøm er frekvensen nul, derfor er kondensatorens reaktans formelt uendelig for jævnstrøm. $\scriptstyle X_{C}={\tfrac {1}{\omega C)).$

Når frekvensen ændres, ændres dielektrikumets dielektriske permittivitet og graden af indflydelse af parasitære parametre - selvinduktans og tabsmodstand. Ved høje frekvenser kan enhver kondensator betragtes som et serieoscillerende kredsløb dannet af kapacitans, dens egen induktans og tabsmodstand $C,$ $L_c$ $R_{n}.$

Resonansfrekvensen af en kondensator er:

f_{p}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {L_{c}C))))

Når en kondensator i et vekselstrømkredsløb opfører sig som en induktor . Derfor er det tilrådeligt kun at bruge kondensatoren ved frekvenser , hvor dens reaktans er kapacitiv af natur. Normalt er kondensatorens maksimale driftsfrekvens omkring 2-3 gange lavere end resonansfrekvensen. $f > f_p$ $f < f_p$

En kondensator kan lagre elektrisk energi . Energi af en opladet kondensator:

W={CU^{2} \over 2}={qU \over 2}={q^{2} \over 2C},

hvor er den spænding (potentialeforskel), som kondensatoren er opladet til,

U

q

- elektrisk ladning på en af pladerne.

Betegnelsen af kondensatorer i diagrammerne

Betegnelse i henhold til GOST 2.728-74	Beskrivelse
	Fast kondensator
	Polariseret (polær) kondensator
	Variabel trimmer kondensator
	Varicap

I Rusland, for konventionelle grafiske symboler af kondensatorer på diagrammer, anbefales det at bruge GOST 2.728-74 [5] eller standarden for den internationale sammenslutning IEEE 315-1975.

På elektriske kredsløbsdiagrammer er kondensatorernes nominelle kapacitans normalt angivet i mikrofarader (1 μF = 1 10 6 pF = 1 10 −6 F) og picofarads (1 pF = 1 10 −12 F) og i nanofarader (1 nF = 1 10 −9 F). Med en kapacitet på ikke mere end 0,01 μF er kondensatorens kapacitans angivet i picofarads, mens det er tilladt ikke at angive måleenheden, det vil sige "pF" postfix er udeladt. Når du angiver den nominelle kapacitet i andre enheder, angives måleenheden. For elektrolytiske kondensatorer såvel som for højspændingskondensatorer i diagrammerne er deres maksimale driftsspænding angivet i volt (V) eller kilovolt (kV), efter at have angivet kapacitansværdien. For eksempel: "10 uF × 10 V". For variable kondensatorer angives området for ændring i kapacitans, for eksempel: "10-180". I øjeblikket fremstilles kondensatorer med nominel kapacitet ud fra decimal-logaritmiske serier af værdier E3, E6, E12, E24 , det vil sige, at der er 3, 6, 12, 24 værdier pr. årti, så værdierne med passende tolerance (spredning) dække hele årtiet.

Grundlæggende parametre

Karakteristika

Kapacitet

Det vigtigste kendetegn ved en kondensator er dens kapacitans , som karakteriserer kondensatorens evne til at akkumulere elektrisk ladning . Værdien af den nominelle kapacitet fremgår af betegnelsen af kondensatoren, mens den faktiske kapacitet kan variere betydeligt afhængigt af mange faktorer. Den faktiske kapacitans af en kondensator bestemmer dens elektriske egenskaber. Så per definition af kapacitans er ladningen på pladen proportional med spændingen mellem pladerne ( q = CU ). Typiske kapacitansværdier spænder fra picofarads til tusindvis af mikrofarads. Der er dog kondensatorer ( ionistorer ) med en kapacitet på op til snesevis af farad.

Kapacitansen af en flad kondensator, der består af to parallelle metalplader med et område S hver, placeret i en afstand d fra hinanden, i SI -systemet er udtrykt ved formlen:

C={\tfrac {\varepsilon \varepsilon _{0}S}{d)),

hvor er permittiviteten af mediet, der fylder rummet mellem pladerne (i vakuum er det lig med enhed),

\varepsilon

\varepsilon_{0}

- elektrisk konstant , numerisk lig med 8,854187817⋅10 −12 F/m.

Denne formel er kun gyldig, når d er meget mindre end de lineære dimensioner af pladerne.

For at opnå store kapacitanser er kondensatorer forbundet parallelt. I dette tilfælde er spændingen mellem pladerne på alle kondensatorer den samme. Den samlede kapacitans af et batteri af kondensatorer forbundet parallelt er lig med summen af kapacitanserne af alle kondensatorer inkluderet i batteriet:

C=\sum _{i=1}^{n}C_{i}

eller

C=C_{1}+C_{2}+\ldots +C_{n}.

Hvis alle parallelkoblede kondensatorer har den samme afstand mellem pladerne og dielektriske egenskaber, så kan disse kondensatorer repræsenteres som en stor kondensator, opdelt i fragmenter af et mindre område.

Når kondensatorer er forbundet i serie, er ladningerne for alle kondensatorer de samme, da de kun forsynes fra strømkilden til de eksterne elektroder, og på de interne elektroder opnås de kun på grund af adskillelsen af ladninger, der tidligere neutraliserede hinanden . Den samlede kapacitans af et batteri af serieforbundne kondensatorer er:

{\tfrac {1}{C}}=\sum _{i=1}^{n}{\tfrac {1}{C_{i}}}\Rightarrow C={\begin{pmatrix}\ sum _{i=1}^{n}{\tfrac {1}{C_{i}}}\end{pmatrix}}^{-1},

eller:

{\tfrac {1}{C}}={\tfrac {1}{C_{1}}}+{\tfrac {1}{C_{2}}}+\ldots +{\tfrac {1 }{C_{n}}}.

Denne kapacitans er altid mindre end minimumskapaciteten for den kondensator, der er inkluderet i batteriet. Men når den er forbundet i serie, reduceres muligheden for nedbrydning af kondensatorer, da hver kondensator kun tegner sig for en del af spændingskildens potentialforskel.

Hvis arealet af pladerne på alle kondensatorer forbundet i serie er det samme, kan disse kondensatorer repræsenteres som en stor kondensator, mellem pladerne, hvoraf der er en stak dielektriske plader af alle de kondensatorer, der udgør den.

Specifik kapacitet

Kondensatorer er også karakteriseret ved specifik kapacitans - forholdet mellem kapacitans og volumen (eller masse) af dielektrikumet. Den maksimale værdi af specifik kapacitans opnås ved den minimale tykkelse af dielektrikumet, men dets nedbrydningsspænding falder.

Energitæthed

Energitætheden af en elektrolytisk kondensator afhænger af designet. Den maksimale tæthed opnås i store kondensatorer, hvor massen af kabinettet er lille sammenlignet med massen af pladerne og elektrolytten. For eksempel, for en kondensator EPCOS B4345 med en kapacitans på 12.000 uF , en maksimal tilladt spænding på 450 V og en masse på 1,9 kg , er energitætheden ved maksimal spænding 639 J / kg eller 845 J / l. Denne parameter er især vigtig, når du bruger en kondensator som en energilagringsenhed, efterfulgt af dens øjeblikkelige frigivelse, for eksempel i en Gauss-pistol .

Nominel spænding

En anden lige så vigtig egenskab ved kondensatorer er den nominelle spænding - spændingsværdien angivet på kondensatoren, ved hvilken den kan fungere under specificerede forhold i løbet af dens levetid, mens parametrene holdes inden for acceptable grænser.

Den nominelle spænding afhænger af kondensatorens design og egenskaberne af de anvendte materialer. Driftsspændingen på kondensatoren bør ikke være højere end den nominelle spænding.

Polaritet

Mange oxid-dielektriske ( elektrolytiske ) kondensatorer fungerer kun med den korrekte spændingspolaritet på grund af den kemiske natur af interaktionen mellem elektrolytten og dielektrikumet. Med en omvendt spændingspolaritet svigter elektrolytiske kondensatorer normalt på grund af den kemiske ødelæggelse af dielektrikumet, efterfulgt af en stigning i strømmen, kogning af elektrolytten indeni og som følge heraf med sandsynlighed for en eksplosion af sagen.

Fare for ødelæggelse (eksplosion)

Eksplosioner af elektrolytiske kondensatorer er et ret almindeligt fænomen. Hovedårsagen til eksplosioner er overophedning af kondensatoren, forårsaget i de fleste tilfælde af lækage eller en stigning i den tilsvarende seriemodstand på grund af ældning (relevant for pulserende enheder). I moderne computere er overophedning af kondensatorer en almindelig årsag til deres fejl på grund af deres nærhed til varmekilder, for eksempel ved siden af en køleradiator.

For at reducere skader på andre dele og personskader i moderne kondensatorer med stor kapacitet installeres en udblæsningssikkerhedsventil, eller der udføres et karrosseri (ofte kan det ses i form af et kryds eller i form af bogstaverne X , Y, K eller T for enden af en cylindrisk krop, nogle gange på store kondensatorer, er den dækket af plastik). Ved en stigning i det indre tryk slås ventilproppen ud, eller kroppen ødelægges langs hakket, elektrolytdampe kommer ud i form af kaustisk gas og endda væskesprøjt. I dette tilfælde sker ødelæggelsen af kondensatorhuset uden en eksplosion, spredning af plader og en separator.

De gamle elektrolytiske kondensatorer blev produceret i hermetiske etuier, og designet af deres kufferter sørgede ikke for eksplosionsbeskyttelse. Hastigheden af fragmentering under eksplosionen af tilfældet med forældede kondensatorer kan være tilstrækkelig til at skade en person.

I modsætning til elektrolytisk skyldes eksplosiviteten af tantal (oxid-halvleder) kondensatorer det faktum, at en sådan kondensator faktisk er en eksplosiv blanding: tantal tjener som brændstof, og mangandioxid tjener som oxidationsmiddel , og begge disse komponenter er blandet i kondensator design i form af et fint pulver. Når en kondensator går i stykker, eller når spændingens polaritet ændres, initierer den varme, der frigives under strømmen, en reaktion mellem disse komponenter, som forløber i form af et kraftigt blink med bomuld, som er ledsaget af spredning af gnister og fragmenter af sag. Kraften af en sådan eksplosion er ret stor, især for store kondensatorer, og kan beskadige ikke kun tilstødende radioelementer, men også brættet. Med et tæt arrangement af flere kondensatorer er det muligt at brænde igennem tilfælde af nabokondensatorer, hvilket fører til en samtidig eksplosion af hele gruppen.

Parasitiske parametre

Ægte kondensatorer har udover kapacitans også deres egen serie- og parallelle modstand og induktans . Med tilstrækkelig nøjagtighed til praksis kan det ækvivalente kredsløb af en reel kondensator repræsenteres som vist på figuren, hvor alle to-terminal netværk antages at være ideelle.

Kondensator dielektrisk isolationsmodstand, overfladelækage og selvafladning

Isolationsmodstand er DC-modstanden for en kondensator, givet af:

R_{d}=U/I_{\text{ut)),

hvor er spændingen påført til kondensatoren;

U

I_{\text{ut))

- lækstrøm.

På grund af lækstrømmen, der strømmer gennem det dielektriske lag mellem pladerne og langs overfladen af dielektrikumet, mister den foropladede kondensator ladning over tid (kondensatorselvafladning). Ofte, i specifikationer for kondensatorer, bestemmes lækagemodstanden gennem kondensatorens $T$ selvafladningstidskonstant , som er numerisk lig med produktet af kapacitans og lækmodstand:

T=R_{d}C_{0},

hvor - den tid, hvor startspændingen på kondensatoren, der ikke er forbundet til det eksterne kredsløb, vil falde med e gange.

T

Gode kondensatorer med polymer- og keramiske dielektrika har selvafladningstidskonstanter, der når mange hundrede tusinde timer.

Ækvivalent seriemodstand - R s

Den ækvivalente seriemodstand skyldes hovedsageligt den elektriske modstand af materialet i pladerne og kondensatorens ledninger og kontakterne mellem dem, og tager også hensyn til tab i dielektrikumet. Typisk stiger ESR med stigende frekvens af strømmen, der flyder gennem kondensatoren, på grund af hudeffekten .

I de fleste praktiske tilfælde kan denne parameter forsømmes, men nogle gange (for eksempel i tilfælde af brug af elektrolytiske kondensatorer i filtrene til skiftende strømforsyninger ), er dens tilstrækkeligt lille værdi afgørende for enhedens pålidelighed og stabilitet. I elektrolytiske kondensatorer, hvor en af elektroderne er en elektrolyt , nedbrydes denne parameter over tid under drift på grund af fordampning af opløsningsmidlet fra den flydende elektrolyt og en ændring i dens kemiske sammensætning forårsaget af interaktion med metalplader, hvilket sker relativt hurtigt i lav -kvalitetsprodukter (" kondensatorpest ").

Nogle kredsløb (for eksempel spændingsstabilisatorer) er kritiske for rækkevidden af ESR af kondensatorer i deres kredsløb. Dette skyldes det faktum, at ingeniører, når de designer sådanne enheder, tager højde for denne parameter i fasefrekvenskarakteristikken (PFC) af stabilisatorfeedbacken. En betydelig ændring over tid i ESR af de påførte kondensatorer ændrer faseresponsen, hvilket kan føre til et fald i stabilitetsmarginen af autoreguleringsløkkerne og endda til selvexcitering.

Der er specielle enheder ( ESR-meter ) til måling af denne ret vigtige kondensatorparameter, hvormed du ofte kan bestemme egnetheden af dens videre brug til bestemte formål. Denne parameter er, udover kapacitans (kapacitans er hovedparameteren), ofte afgørende for at undersøge tilstanden af en gammel kondensator og afgøre, om det er værd at bruge den i et bestemt kredsløb, eller om den forudsigeligt vil gå ud af tolerance.

Ækvivalent serieinduktans

Den tilsvarende serieinduktans skyldes hovedsageligt selvinduktansen af kondensatorens plader og ledninger. Resultatet af denne distribuerede parasitære induktans er transformationen af kondensatoren til et oscillerende kredsløb med en karakteristisk naturlig resonansfrekvens . Denne frekvens kan måles og er normalt angivet i kondensatorparametrene enten eksplicit eller som en anbefalet maksimal driftsfrekvens. $L_i$

Selvafladning

En foropladet kondensator mister lagret energi over tid på grund af lækstrømmen, der strømmer gennem det dielektriske lag mellem pladerne. Ofte i håndbøger for kondensatorer er selvafladningstidskonstanten for kondensatoren angivet , numerisk lig med produktet af kapacitans og lækagemodstand. Dette er den tid, det tager for startspændingen over den afbrudte kondensator at falde med en faktor e .

Den dielektriske tab tangens

Den dielektriske tabstangens er forholdet mellem de imaginære og reelle dele af den komplekse permittivitet . ${\rm {{tg}\,\delta ={\frac {\varepsilon _{im}}{\varepsilon _{re}}}={\frac {\sigma }{\omega \varepsilon _{ en}}}.}}$

Energitab i kondensatoren bestemmes af tab i dielektrikum og plader. Når vekselstrøm løber gennem kondensatoren, forskydes spændings- og strømvektorerne med en vinkel, hvor δ er den dielektriske tabsvinkel. I fravær af tab δ = 0 . Tabsvinkeltangensen bestemmes af forholdet mellem aktiv effekt Pa og reaktiv effekt P p ved en sinusformet spænding med en bestemt frekvens. Det reciproke af tan δ kaldes kondensatorens kvalitetsfaktor . Begreberne kvalitetsfaktor og tabstangens bruges også om induktorer og transformere . $\scriptstyle \varphi = \tfrac{\pi}{2} - \delta ,$

Temperaturkoefficient for kapacitans ( TKE )

TKE er den relative ændring i kapacitans, når den omgivende temperatur ændres med en grad Celsius (kelvin). TKE er defineret som følger:

TKE={\frac {\Delta C}{C\Delta T)).

hvor er ændringen i kapacitans forårsaget af en ændring i temperatur med .

\Delta C

\Delta T

Ændringen i kapacitans med temperatur (med ikke for store ændringer i temperatur) er således udtrykt som en lineær funktion:

\scriptstyle C(T) = C_{Hy} + TKE \cdot C_{Hy} \cdot \Delta T,

hvor er ændringen i temperatur i °C eller K i forhold til de normale forhold, under hvilke kapacitansværdien er specificeret

\Delta T

C_{Hy}

- kapacitet under normale forhold.

TKE bruges til at karakterisere kondensatorer med en næsten lineær kapacitans i forhold til temperatur. TKE er dog ikke angivet i specifikationerne for alle typer kondensatorer.

For kondensatorer, der har en væsentlig ikke-lineær afhængighed af kapacitans på temperatur og for kondensatorer med store ændringer i kapacitans på grund af påvirkninger af omgivelsestemperatur, normaliserer specifikationerne den relative ændring i kapacitans over driftstemperaturområdet eller i form af et plot kapacitans i forhold til temperatur.

Dielektrisk absorption

Hvis en opladet kondensator hurtigt aflades til nulspænding ved at tilslutte en lav-modstandsbelastning, og derefter fjerne belastningen og observere spændingen ved kondensatorterminalerne, vil vi se, at spændingen på pladerne vil dukke op igen, som om vi ikke havde afladet kondensatoren til nul. Dette fænomen kaldes dielektrisk absorption (dielektrisk absorption). Kondensatoren opfører sig, som om der er mange serier af RC - kredsløb forbundet parallelt med den med forskellige tidskonstanter . Intensiteten af manifestationen af denne effekt afhænger hovedsageligt af egenskaberne af kondensatorens dielektrikum.

En lignende effekt kan observeres i næsten alle typer dielektriske stoffer. I elektrolytiske kondensatorer er det særligt lyst og er resultatet af kemiske reaktioner mellem elektrolytten og pladerne. For kondensatorer med et solidt dielektrikum (såsom keramik og glimmer) skyldes effekten den remanente polarisering af dielektrikumet . Kondensatorer med ikke-polære dielektrikum har den laveste dielektriske absorption: Teflon ( PTFE ), polystyren , polypropylen osv.

Effekten afhænger af kondensatorens opladningstid, afkortningstiden, nogle gange af temperaturen. Den kvantitative værdi af absorption er normalt karakteriseret ved absorptionskoefficienten , som bestemmes under standardbetingelser.

På grund af effekten skal der lægges særlig vægt på DC-målekredsløb: præcisionsintegrerende forstærkere, sample-and-hold-enheder, nogle switchede kondensatorkredsløb .

Parasitisk piezoelektrisk effekt

Mange keramiske materialer, der bruges som dielektrikum i kondensatorer (for eksempel bariumtitanat , som har en meget høj dielektrisk konstant i ikke for stærke elektriske felter ) udviser en piezoelektrisk effekt - evnen til at generere spænding på pladerne under mekaniske deformationer. Dette er typisk for kondensatorer med piezoelektrisk dielektrik. Den piezoelektriske effekt fører til elektrisk interferens i enheder, der bruger sådanne kondensatorer, når akustisk støj eller vibration påføres kondensatoren. Dette uønskede fænomen omtales nogle gange som " mikrofoneffekten ".

Sådanne dielektrika udviser også en omvendt piezoelektrisk effekt - når de opererer i et vekselspændingskredsløb, opstår der en vekslende deformation af dielektrikumet, hvilket genererer akustiske vibrationer, der genererer yderligere elektriske tab i kondensatoren.

Selvhelbredende

Kondensatorer med en metalliseret elektrode (papir- og filmdielektrikum) har den vigtige egenskab af selvhelbredende elektrisk styrke efter en nedbrydning af dielektrikumet. Mekanismen for selvhelbredelse består i at afbrænde elektrodens metallisering efter en lokal nedbrydning af dielektrikumet ved hjælp af en elektrisk mikrobueudladning.

Klassificering af kondensatorer

Hovedklassificeringen af kondensatorer er baseret på typen af dielektrikum i kondensatoren. Typen af dielektrikum bestemmer de vigtigste elektriske parametre for kondensatorer: isolationsmodstand, kapacitansstabilitet, tab osv.

I henhold til typen af dielektrikum skelner de mellem:

Vakuumkondensatorer (der er et vakuum mellem pladerne ).
Kondensatorer med et gasformigt dielektrikum.
Kondensatorer med et flydende dielektrikum .
Kondensatorer med et solidt uorganisk dielektrikum: glas (glasemalje, glaskeramik, glasfilm), glimmer , keramik , tyndtlags uorganiske film.
Kondensatorer med et solidt organisk dielektrikum: papir , metal-papir, film, kombineret-papir-film, tyndtlags organiske syntetiske film .
Elektrolytiske og oxid-halvlederkondensatorer. Sådanne kondensatorer adskiller sig fra alle andre typer primært ved deres store specifikke kapacitans. Et oxidlag på en metalanode bruges som dielektrikum . Den anden foring ( katode ) er enten en elektrolyt (i elektrolytiske kondensatorer) eller et halvlederlag (i oxid-halvledere) aflejret direkte på oxidlaget. Anoden er lavet, afhængigt af typen af kondensator, af aluminium , niobium eller tantalfolie eller sintret pulver. Tiden mellem fejl i en typisk elektrolytisk kondensator er 3000-5000 timer ved den maksimalt tilladte temperatur, højkvalitets kondensatorer har en tid mellem fejl på mindst 8000 timer ved en temperatur på 105 °C [6] . Driftstemperaturen er den vigtigste faktor, der påvirker levetiden for en kondensator. Hvis opvarmningen af kondensatoren er ubetydelig på grund af tab i dielektrikum, plader og terminaler (for eksempel ved brug i tidskredsløb ved lave strømme eller som isolation), kan det antages, at fejlraten halveres for hver 10 °C fald i driftstemperatur op til 25 °C. Når kondensatorer fungerer i pulserende højstrømskredsløb (f.eks. i skiftende strømforsyninger), er en sådan forenklet vurdering af kondensatorernes pålidelighed forkert, og beregningen af pålideligheden er mere kompliceret [7] .
Faste kondensatorer - I stedet for en traditionel flydende elektrolyt anvendes en speciel ledende organisk polymer eller en polymeriseret organisk halvleder. MTBF er omkring 50.000 timer ved 85°C. ESR er mindre end væske-elektrolytisk og afhænger svagt af temperaturen. De eksploderer ikke.

Tynd film kondensatorer

Derudover adskiller kondensatorer sig i muligheden for at ændre deres kapacitans:

Permanente kondensatorer er hovedklassen af kondensatorer, der ikke ændrer deres kapacitet (undtagen i løbet af deres levetid).
Variable kondensatorer er kondensatorer, der tillader en ændring i kapacitansen under driften af udstyret. Kapaciteten kan styres mekanisk af elektrisk spænding ( variconder , varicaps ) og temperatur (termokondensatorer). De bruges for eksempel i radiomodtagere til at indstille frekvensen af resonanskredsløbet .
Trimmerkondensatorer er kondensatorer, hvis kapacitans ændres under engangs- eller periodisk justering og ikke ændres under driften af udstyret. De bruges til at justere og udligne de indledende kapacitanser af parringskredsløb, til periodisk justering og justering af kredsløbskredsløb, hvor en lille ændring i kapacitansen er påkrævet.

Afhængigt af formålet kan kondensatorer betinget opdeles i generelle og specielle kondensatorer. Generelle kondensatorer bruges i næsten de fleste typer og klasser af udstyr. Traditionelt omfatter de de mest almindelige lavspændingskondensatorer, som ikke er underlagt særlige krav. Alle andre kondensatorer er specielle. Disse omfatter højspændings-, puls-, støjdæmpende, dosimetriske , start- og andre kondensatorer.

Kondensatorer er også kendetegnet ved formen af pladerne: flade, cylindriske, sfæriske og andre.

Navn	Kapacitet	Elektrisk felt
Flad kondensator	$C = \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm{r} \cdot \frac{A}{d}$	$E = \frac{Q}{\varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} A}$
Cylindrisk kondensator	$C=2\pi \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm{r} \, \frac{l}{\ln\!\left(R_2/R_1\right)}$	$E(r) = \frac{Q}{2\pi rl \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r}}$
Sfærisk kondensator	$C=4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} \left( \tfrac{1}{R_1}-\tfrac{1}{R_2}\right)^{-1}$	$E(r) = \frac{Q}{4\pi r^2 \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r}}$
	${\displaystyle C=4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{\mathrm {r} }R_{1))$

Sammenligning af faste kondensatorer

Kondensator type	Brugt dielektrisk	Funktioner/applikationer	Fejl
Kondensatorer med et solidt organisk dielektrikum
papir kondensatorer
AC oliekondensatorer	Olieret papir	Hovedsageligt designet til at give meget store kapacitanser til industrielle AC-applikationer, mens de håndterer høje strømme og højspændingstoppe ved netfrekvensen. Deres opgaver omfatter start og drift af AC-elektromotorer, faseadskillelse, effektfaktorkorrektion, spændingsstabilisering, arbejde med styreudstyr mv.	Begrænset af lav driftsfrekvens, fordi de ved høje frekvenser har høje dielektriske tab.
DC oliekondensatorer	Papir eller dets kombination med PET	Designet til DC-drift til filtrering, spændingsfordobling, bueforebyggelse, som bypass- og koblingskondensatorer	I nærvær af krusninger kræves et fald i driftsspændingen i henhold til skemaerne leveret af producenten. De er større i sammenligning med analoger med polymere dielektriske stoffer.
Papir kondensatorer	Papir/imprægneret papir	Imprægneret papir blev meget brugt i ældre kondensatorer. Som imprægnering blev der brugt voks, olie eller epoxyharpiks. Nogle af disse kondensatorer bruges stadig til højspændingsdrift, men i de fleste tilfælde bruges filmkondensatorer nu i stedet.	Stor størrelse. Høj hygroskopicitet , på grund af hvilken de absorberer fugt fra luften selv med en plastikkasse og imprægnering. Absorberet fugt forringer deres ydeevne ved at øge dielektriske tab og sænke isolationsmodstanden.
Metalliseret papir kondensatorer	Papir	Mindre størrelse end papir-folie kondensatorer	Kun egnet til lavstrømsapplikationer. I stedet begyndte metalliserede filmkondensatorer at blive brugt i vid udstrækning.
Energilagringskondensatorer	Kondensatorkraftpapir , imprægneret med ricinusolie eller en lignende væske med høj dielektrisk konstant, og foliestrimler	Designet til at fungere i pulstilstand med høj afladningsstrøm. De tolererer spændingsvending bedre end mange polymerdielektriske stoffer. Anvendes typisk i pulserende lasere, Marx-generatorer , pulseret svejsning , elektromagnetisk formning og andre applikationer, der kræver brug af højeffektimpulser .	De er store og tunge. Deres energiforbrug er meget mindre end for kondensatorer, der anvender polymerdielektrik. Ikke i stand til selvhelbredende. Fejlen af en sådan kondensator kan være katastrofal på grund af den store mængde lagret energi.
filmkondensatorer
Kondensatorer af polyethylenterephthalat	Polyethylenterephthalatfilm	Mindre end papir- eller polypropylenkondensatorer med lignende egenskaber. De kan bruge foliestrimler, metalliseret film eller kombinationer af begge. PET-kondensatorer har næsten fuldstændig erstattet papirkondensatorer til applikationer, hvor jævnstrømsdrift (DC) er påkrævet. De har driftsspændinger op til 60 kilovolt ved jævnstrøm og driftstemperaturer op til 125 °C. De har lav hygroskopicitet.	Temperaturstabiliteten er lavere end papirets. De kan bruges med lavfrekvent vekselstrøm, men er uegnede til højfrekvente på grund af for kraftig opvarmning af dielektrikumet.
Polyamid kondensatorer	Polyamid	Arbejdstemperatur op til 200 °C. Høj isoleringsmodstand, god stabilitet, lille tab tangent.	Stor størrelse og høj pris.
Kapton kondensatorer	Kapton af polyimidfilm	Ligner PET, men har en væsentlig højere driftstemperatur (op til 250 °C).	Dyrere end PET. Temperaturstabiliteten er lavere end papirkondensatorer. De kan også kun bruges ved lavfrekvent vekselstrøm, da dielektrikumet ved høje frekvenser opvarmes kraftigt.
Polycarbonat kondensatorer	Polycarbonat	De har bedre isolationsmodstand, tangenstab og dielektrisk adsorption end polystyrenkondensatorer. De har bedre fugtbestandighed. Temperaturkoefficient ca. ±80 ppm. Tåler fuld driftsspænding over hele temperaturområdet ( -55°C til 125°C)	Den maksimale driftstemperatur er begrænset til 125°C.
Polysulfon kondensatorer	Polysulfon	Ligner polycarbonat. Kan modstå fuld mærkespænding ved relativt høje temperaturer. Fugtabsorptionen er omkring 0,2%, hvilket begrænser deres stabilitet.	Lav tilgængelighed og høje omkostninger.
Polypropylen kondensatorer	Polypropylen	Ekstremt lavt tab tangent, højere dielektrisk styrke end polycarbonat og PET kondensatorer. Lav hygroskopicitet og høj isoleringsmodstand. De kan bruge foliestrimler, metalliseret film eller kombinationer af begge. Filmen er kompatibel med selvhelbredende teknologi , hvilket forbedrer pålideligheden. De kan fungere ved høje frekvenser, selv ved høj effekt, for eksempel til induktionsopvarmning (ofte sammen med vandkøling), på grund af meget lave dielektriske tab. Med højere kapacitanser og driftsspændinger, for eksempel fra 1 til 100 mikrofarad og spændinger op til 440 V AC, kan de bruges som startmotorer til at arbejde med nogle typer enfasede elektriske motorer.	Mere modtagelig over for beskadigelse fra forbigående overspændinger eller omvendt polaritet end olievæskede papirkondensatorer.
Polystyren kondensatorer	Polystyren	Fremragende højfrekvente filmkondensatorer til almindelig brug. De har fremragende stabilitet, høj fugtbestandighed og en lav negativ temperaturkoefficient, hvilket gør det muligt at bruge dem til at kompensere for andre komponenters positive temperaturkoefficient. Ideel til laveffekt RF og præcise analoge applikationer.	Den maksimale driftstemperatur er begrænset til 85 °C. Relativt stor i størrelsen.
Fluoroplastiske kondensatorer	Polytetrafluorethylen	Fremragende højfrekvente filmkondensatorer til almindelig brug. Meget lave dielektriske tab. Driftstemperatur op til 250°C, meget høj isoleringsmodstand, god stabilitet. Anvendes i kritiske opgaver.	Stor størrelse på grund af lav dielektrisk konstant, højere pris sammenlignet med andre kondensatorer.
Metalliseret polyethylenterephthalat og polycarbonatkondensatorer	PET eller polycarbonat	Pålidelig og meget mindre. Tynd belægning kan bruges til at give dem selvhelbredende egenskaber.	Tynd plettering begrænser den maksimale strøm.
Kondensatorer med fast uorganisk dielektrikum
Multilevel plade glimmer kondensatorer	Glimmer	Fordelene ved disse kondensatorer er baseret på det faktum, at deres dielektrikum er inert. Det ændrer sig ikke over tid hverken fysisk eller kemisk og har desuden god temperaturstabilitet. De har meget høj modstand mod coronaudladninger.	Uden ordentlig tætning er de modtagelige for fugt, hvilket forværrer deres parametre. Høj pris på grund af sjældenhed og høj kvalitet af dielektrikumet, samt manuel samling.
Metalliserede eller sølvglimmerkondensatorer	Glimmer	De samme fordele, udover at være mere modstandsdygtige over for fugt.	højere pris.
Kondensatorer af glas	Glas	Ligner glimmer. Stabiliteten og frekvensresponsen er bedre end glimmer. Meget pålidelig, meget stabil, modstandsdygtig over for stråling.	Høj pris.
Temperaturkompenserede keramiske kondensatorer	En blanding af komplekse forbindelser af titanater	Billig, miniature, har fremragende højfrekvensegenskaber og god pålidelighed. Forudsigelig lineær ændring i kapacitans i forhold til temperatur. Der er produkter, der tåler op til 15 kV.	Kapacitansændring ved forskellig påført spænding, frekvens, med forbehold for ældning.
Keramiske kondensatorer med høj dielektrisk konstant	Dielektrik baseret på bariumtitanat	Mindre end temperaturkompenserede kondensatorer på grund af den større dielektriske konstant. Fås til spændinger op til 50 kV.	De har mindre temperaturstabilitet, kapacitansen ændres betydeligt med forskellige påførte spændinger.
Kondensatorer med et oxiddielektrikum
Elektrolytiske kondensatorer af aluminium	Aluminiumoxid	Kæmpe forhold mellem kapacitet og volumen, billig, polær. De bruges hovedsageligt som udjævnings- og forsyningskondensatorer i strømforsyninger. MTBF for en kondensator med en maksimalt tilladt driftstemperatur på 105 °C beregnes op til 50.000 timer ved en temperatur på 75 °C	Høje lækstrømme, høj ækvivalent seriemodstand og induktans begrænser deres anvendelse ved høje frekvenser. De har lav temperaturstabilitet og dårlige parameterafvigelser. Kan eksplodere, hvis de tilladte parametre overskrides og/eller overophedes, når der påføres omvendt spænding. Den maksimale spænding er omkring 500 volt.
Tantal kondensatorer	Tantaloxid _	Stor kapacitans til volumenforhold, lille størrelse, god stabilitet, bredt driftstemperaturområde. Udbredt i miniatureudstyr og computere. Fås i både polære og ikke-polære versioner. Solid tantal kondensatorer har meget bedre ydeevne sammenlignet med dem med en flydende elektrolyt.	Dyrere end elektrolytiske kondensatorer i aluminium. Den maksimale spænding er begrænset af en bar på omkring 50 V. De eksploderer, når den tilladte strøm-, spændings- eller spændingsstigningshastighed overskrides, samt når der påføres spænding med forkert polaritet.
Niobium kondensatorer	Niobiumoxid _	?	?
Solide kondensatorer	Aluminiumoxid , tantaloxid	I stedet for den traditionelle flydende elektrolyt anvendes en speciel ledende organisk polymer eller en polymeriseret organisk halvleder. MTBF er omkring 50.000 timer ved 85°C. ESR er mindre end væske-elektrolytisk og afhænger svagt af temperaturen. De eksploderer ikke.	Dyrere end normalt. Ved 105 °C er levetiden den samme som for almindelige elektrolytiske. Driftsspændinger op til 35 V.
Elektriske dobbeltlagskondensatorer
Elektriske dobbeltlagskondensatorer ( ionistorer )	Tyndt elektrolytlag og aktivt kul	Kæmpe kapacitet i forhold til volumen, lille størrelse. Fås i hundredvis af farads. Anvendes typisk til midlertidigt at drive udstyr ved udskiftning af batterier. De kan oplades og aflades med højere strømstyrke end batterier og har et meget stort antal opladnings-afladningscyklusser. Polariseret, har en lav spænding (volt pr. kondensatorcelle). Grupper af celler er forbundet i serie for at øge den samlede driftsspænding, mens brugen af spændingsbalanceringsanordninger er obligatorisk.	Relativt høje omkostninger, høj ækvivalent seriemodstand (lave udladningsstrømme), store lækstrømme.
Li-ion kondensatorer	lithium -ion	Lithium-ion-kondensatorer har en højere energikapacitet, sammenlignelig med batterier , sikrere end batterier ( lithium-galvaniske celler eller lithium-ion-batterier [ hvad? ][ klargør ] ), hvor en voldsom kemisk reaktion begynder ved høj temperatur. Sammenlignet med ionistorer har de en højere udgangsspænding. Deres specifikke effekt er sammenlignelig, men energitætheden af Li-ion kondensatorer er meget højere [8] .	En ny teknologi, som endnu ikke er blevet bredt udbredt.
Vakuum kondensatorer
Vakuumkondensatorer	Vakuumkondensatorer bruger glas eller keramiske pærer med koncentriske cylindriske elektroder.	Ekstremt lavt tab. Anvendes til højspændings-RF-applikationer med høj effekt såsom induktionsopvarmning hvor selv små tab fører til overdreven opvarmning af selve kondensatoren. Med begrænset strøm kan gnister være selvhelbredende.	Meget høj pris, skrøbelighed, stor størrelse, lav kapacitet.

Brugen af kondensatorer og deres arbejde

Kondensatorer bruges i næsten alle områder af elektroteknik.

Kondensatorer (sammen med induktorer og/eller modstande ) bruges til at bygge forskellige kredsløb med frekvensafhængige egenskaber, især filtre , feedback -kredsløb , oscillerende kredsløb osv.
I sekundære strømforsyninger bruges kondensatorer til at udjævne ensrettede spændingsbølger .
Når kondensatoren hurtigt aflades, kan der opnås en højeffektpuls, for eksempel i fotoblitz , elektromagnetiske acceleratorer , optisk pumpede pulserende lasere , Marx-generatorer, (GIN; GIT) , Cockcroft-Walton-generatorer , osv.
Da kondensatoren er i stand til at lagre en ladning i lang tid, kan den bruges som et hukommelseselement (se DRAM , Sample and hold device ).
En kondensator kan bruges som en to - terminal reaktans for at begrænse styrken af vekselstrømmen i et elektrisk kredsløb (se Ballast ).
Processen med at oplade og aflade en kondensator gennem en modstand (se RC-kredsløb ) eller en strømgenerator tager en vis tid, hvilket tillader brugen af en kondensator i tidsindstillingskredsløb , som ikke har høje krav til tids- og temperaturstabilitet ( i kredsløb af enkelt- og gentagne impulsgeneratorer, tidsrelæer osv.).
I elektroteknik bruges kondensatorer til reaktiv effektkompensation og i højere harmoniske filtre .
Kondensatorer er i stand til at akkumulere en stor ladning og skabe en stor spænding på pladerne, som bruges til forskellige formål, for eksempel til at accelerere ladede partikler eller til at skabe kortvarige kraftige elektriske udladninger (se Van de Graaff generator ).
Lille forskydningstransducer: En lille ændring i afstanden mellem pladerne har en meget mærkbar effekt på kondensatorens kapacitans.
Måletransducer af luftfugtighed, træ (ændringer i sammensætningen af dielektrikumet fører til en ændring i kapacitansen).
I RPA - kredsløb bruges kondensatorer til at implementere logikken i nogle beskyttelser. Især gør brugen af en kondensator i det automatiske genlukningskredsløb det muligt at tilvejebringe den nødvendige beskyttelsesdriftsfrekvens.
Væskeniveaumåler. En ikke-ledende væske fylder rummet mellem kondensatorpladerne, og kondensatorens kapacitans ændres afhængigt af niveauet.
faseskiftende kondensator. En sådan kondensator er nødvendig for at starte og i nogle tilfælde driften af enfasede asynkronmotorer . Den kan også bruges til at starte og drive trefasede asynkronmotorer, når de drives af en enfaset spænding.
Akkumulatorer af elektrisk energi (se Ionistor ). I dette tilfælde skal kondensatorpladerne have en ret konstant værdi af spændingen og afladningsstrømmen. I dette tilfælde skal selve udledningen være betydelig i tid. I øjeblikket er eksperimentel udvikling af elektriske køretøjer og hybrider ved hjælp af kondensatorer i gang. Der er også nogle modeller af sporvogne, hvor kondensatorer bruges til at drive traktionsmotorer, når de kører gennem sektioner uden strøm.

Kondensatormarkeringer

Mærkning af sovjetiske og russiske kondensatorer

Der er to systemer til at udpege sovjetiske/russiske kondensatorer: alfabetisk (gammel) og digital (ny).

Gammel notation

Bogstavsystemet gælder for kondensatorer designet før 1960. I dette system betyder det første bogstav K en kondensator, det andet - typen af dielektrikum (B - papir, C - glimmer, K - keramik, E - elektrolytisk, og så videre ...), det tredje - designfunktioner ( tæthed eller driftsforhold). For at forenkle notationen udelades ofte det første bogstav K, og det andet og efterfølgende [10] .

Ny notation

I overensstemmelse med det nye (digitale) mærkningssystem opdeles kondensatorer i grupper efter dielektrikumtype, formål og version [11] . Ifølge dette system betyder det første bogstav "K" "kondensator", efterfulgt af et tal, der angiver typen af dielektrikum, og et bogstav, der angiver, i hvilke kredsløb kondensatoren kan bruges; efter det er udviklingsnummeret eller et bogstav, der angiver designvarianten [12] .

Stamina statistik [13]

Elektrisk styrke

Forholdet mellem nedbrydningsspændingen og den tid , hvor denne spænding påføres kondensatorens terminaler. Det bestemmes af den empiriske formel hvor er en konstant koefficient afhængigt af egenskaberne af dielektrikumet, $U_{pr}$ $T$ $T={\frac {A}{{U_{pr}}^{n}}},$ $EN$ $n=3\dots 8.$

Kondensatorpålidelighed

Fejlrate for 1 times drift under normale forhold. Gennemsnitstid til den første pludselige fejl: , hvor er en konstant koefficient afhængig af dielektriske egenskaber, er den tilladte spænding, er driftsspændingen. $T_{sr}=B\left({\frac {U_{d}}{U_{r}}}\right)^{n}$ $B$ $n=4\dots 7,$ ${\displaystyle U_{d))$ ${\displaystyle U_{r))$

Levetid

Temperaturens indflydelse på levetiden udtrykkes ved formlen: hvor for papir-, glimmer- og keramiske kondensatorer med konstant kapacitet, for glasfilm, og - kondensatorens levetid ved temperaturer og hhv. $T_{1}=T_{2}a^{\frac {t_{2}-t_{1}}{10}},$ $a=2$ $a=4\dots 6$ $T_{1}$ $T_{2}$ $t_{1}$ $t_{2}$

Se også

Noter

↑ Derfor opstod det dagligdags slangnavn for en kondensator - kapacitans .
↑ Gliozzi M. Fysikkens historie. - M .: Mir, 1970. - S. 173.
↑ Gano A. Fysik kursus. Oversat af F. Pavlenko, V. Cherkasov. 1882.
↑ Gusev, 1991 , s. 17-26.
↑ GOST 2.728-74 (2002) (utilgængeligt link) . Hentet 25. september 2009. Arkiveret fra originalen 5. marts 2016. (Russisk)
↑ Elektrolytiske kondensatorer i aluminium PW-serien (strømforsyninger) (eng.) (utilgængeligt link) . Nichicon Electronics Corporation. Hentet 23. marts 2013. Arkiveret fra originalen 1. juli 2013.
↑ Andrey Samodelov. Vishay elektrolytiske kondensatorer i aluminium til strømforsyninger (ikke tilgængeligt link) . Vestnik elektroniki nr. 3, 2011. Hentet 23. marts 2013. Arkiveret 20. august 2014. (Russisk)
↑ Taiyo Yuden skabte en ny generation af lithium-ion kondensatorer
↑ Forkortelsen "MF" blev brugt på det tidspunkt for mikrofarader; "MMF" blev brugt til micro-microfrad = 10 -12 F eller picofarad.
↑ Bodilovsky B. G. Håndbog om en ung radiooperatør: fjerde udgave, revideret og yderligere - Moskva: Higher School, 1983. S. 29.
↑ Bodilovsky B. G. Håndbog om en ung radiooperatør: 4. udgave, Revideret. og yderligere - Moskva: Higher School, 1983. - S. 29.
↑ Redel A. A. Håndbog for radiotelemekanik. - Alma-Ata: Kasakhstan. - 1989. - S. 10
↑ Tishchenko O. F., Kiselev L. T., Kovalenko A. P. Elementer af instrumentelle enheder. Del 1. Detaljer, forbindelser og overførsler. - M., Højere Skole, 1982. - S. 269

Litteratur

Kondensator, elektrisk // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
Zhdanov L. S. Zhdanov, G. L. Lærebog i fysik for sekundære specialiserede uddannelsesinstitutioner.
Gusev V. G., Gusev Yu. M. Electronics. - 2. - M . : "Højskole", 1991. - ISBN 5-06-000681-6 .
Frolov A.D. Radiokomponenter og noder. - M . : Højere Skole, 1975. - S. 46-134. - 440 s. — (Lærebog for universiteter).
Belenky B. P., Bondarenko P. N., Borisova M. E. Beregning af driftsegenskaber og anvendelse af elektriske kondensatorer. - M . : Radio og kommunikation, 1988. - 240 s.

Links

Elektroniske komponenter
Passiv	Modstand Variabel modstand Trimmer modstand Varistor fotomodstand Kondensator variabel kondensator Trimmer kondensator Varikond Induktor Transformer Kvarts resonator Sikring Nulstillelig sikring memristor baretter
Aktiv fast tilstand	Diode Lysdiode Fotodiode laser diode Schottky diode zener diode Stabistor Varicap Magnetodiode Diode bro Gunn diode tunnel diode Lavine diode Lavine diode Transistor bipolær transistor Felteffekt transistor CMOS transistor unijunction transistor Fototransistor Komposit transistor ballistisk transistor Integreret kredsløb Digitalt integreret kredsløb Analogt integreret kredsløb Analog-digital integreret kredsløb hybrid integreret kredsløb Thyristor Triac Dinistor fototyristor Optokobler ( modstandsoptokobler ) Hall sensor
Aktivt vakuum og gasudledning	Vakuum lamper Elektrovakuumdiode ( Kenotron ) Triode tetrode stråle tetrode Pentode hexod Heptod ( Pentagrid ) okt Nonod mekatron Udladningslamper zener diode Thyratron Ignitron Krytron Trigatron Decathron Magnetron Klystron Amplitron ( Platinotron ) Vandrende bølgelampe Backwave lampe Katodestrålerør
Displayenheder	Katodestrålerør LCD display Lysdiode Udledningsindikator Vakuum fluorescerende indikator Blinker resultattavle Syv-segment indikator Matrix indikator Kinescope
Akustisk	Mikrofon Højttaler Strain gauge Piezokeramisk emitter Summer telefonkapsel
Termoelektrisk	Termistor Termoelement Peltier-elementet