Was ist der Unterschied zwischen einem Kondensator und einer Stromquelle? IV. Nennkapazität und zulässige Abweichungen

Bei Anschluss an einen Widerstand sind Strom und Spannung im Stromkreis an jedem Punkt im Zeitdiagramm proportional zueinander. Dies bedeutet, dass die Strom- und Spannungswellenformen gleichzeitig ihren „Spitzenwert“ erreichen. In diesem Fall sagen wir, dass Strom und Spannung in Phase sind.

Betrachten wir nun, wie sich der Kondensator in der Schaltung verhält Wechselstrom.

Wenn zur Quelle Wechselstrom Spannung Wenn ein Kondensator angeschlossen ist, ist die maximale Spannung an ihm proportional zum maximalen Strom, der im Stromkreis fließt. Allerdings tritt die Spitze der Spannungssinuswelle nicht gleichzeitig mit der Spitze des Stroms auf.

In diesem Beispiel erreicht der Momentanwert des Stroms seinen Maximalwert eine Viertelperiode (90 elektrische Grad) früher als die Spannung. In diesem Fall heißt es: „Der Strom eilt der Spannung um 90◦ voraus.“

Anders als in einem Gleichstromkreis ist der V/I-Wert hier nicht konstant. Das Verhältnis V max/I max ist jedoch eine sehr nützliche Größe und wird in der Elektrotechnik als Kapazitätsreaktanz (Xc) einer Komponente bezeichnet. Da dieser Wert immer noch das Verhältnis von Spannung zu Strom darstellt, d.h. im physikalischen Sinne ist Widerstand, seine Maßeinheit ist Ohm. Der Wert von Xc eines Kondensators hängt von seiner Kapazität (C) und der Frequenz des Wechselstroms (f) ab.

Da an einen Kondensator in einem Wechselstromkreis eine Effektivspannung angelegt wird, fließt in diesem Stromkreis der gleiche Wechselstrom, der durch den Kondensator begrenzt wird. Diese Einschränkung wird durch den Kondensator verursacht.

Daher wird der Stromwert in einem Stromkreis, der außer einem Kondensator keine anderen Komponenten enthält, durch eine alternative Version des Ohmschen Gesetzes bestimmt

I RMS = U RMS / X C

Dabei ist U RMS der Effektivwert der Spannung. Beachten Sie, dass Xc den Wert von R in der Version des Ohmschen Gesetzes ersetzt

Nun sehen wir, dass sich ein Kondensator in einem Wechselstromkreis völlig anders verhält als ein konstanter Widerstand und die Situation hier entsprechend komplizierter ist. Um die in einer solchen Kette ablaufenden Prozesse besser zu verstehen, ist es sinnvoll, ein solches Konzept als Vektor einzuführen.

Die Grundidee eines Vektors ist die Idee, dass der komplexe Wert eines zeitlich veränderlichen Signals als Produkt (das von der Zeit unabhängig ist) und ein komplexes Signal dargestellt werden kann, das eine Funktion der Zeit ist.

Beispielsweise können wir die Funktion A cos(2πνt + θ) einfach als komplexe Konstante A∙e jΘ darstellen.

Da Vektoren durch einen Betrag (oder Betrag) und einen Winkel dargestellt werden, werden sie grafisch durch einen Pfeil (oder Vektor) dargestellt, der sich in der XY-Ebene dreht.

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Spannung am Kondensator im Verhältnis zum Strom „nacheilt“, liegen die sie darstellenden Vektoren in der komplexen Ebene, wie in der Abbildung oben gezeigt. In dieser Abbildung drehen sich die Strom- und Spannungsvektoren in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung im Uhrzeigersinn.

In unserem Beispiel ist der Strom am Kondensator auf dessen periodisches Aufladen zurückzuführen. Da ein Kondensator in einem Wechselstromkreis die Fähigkeit hat, sich periodisch anzusammeln und zurückzusetzen elektrische Ladung Zwischen ihm und der Stromquelle findet ein ständiger Energieaustausch statt, der in der Elektrotechnik als reaktiv bezeichnet wird.

In der gesamten Funktechnik und elektronische Geräte Neben Transistoren und Mikroschaltungen kommen auch Kondensatoren zum Einsatz. Manche Schaltkreise haben mehr davon, andere weniger, aber es gibt praktisch keinen elektronischen Schaltkreis ohne Kondensatoren.

Gleichzeitig können Kondensatoren die größte Leistung erbringen verschiedene Aufgaben. Dies sind zunächst Kapazitäten in den Filtern von Gleichrichtern und Stabilisatoren. Mithilfe von Kondensatoren wird ein Signal zwischen Verstärkerstufen übertragen, Tief- und Hochpassfilter aufgebaut, Zeitintervalle in Zeitverzögerungen eingestellt und die Schwingungsfrequenz in verschiedenen Generatoren ausgewählt.

Ihren Ursprung haben Kondensatoren, die der niederländische Wissenschaftler Pieter van Musschenbroeck Mitte des 18. Jahrhunderts in seinen Experimenten verwendete. Er lebte in der Stadt Leiden, daher ist es nicht schwer zu erraten, warum dieses Glas so genannt wurde.

Eigentlich war es ein gewöhnlicher Einmachglas, innen und außen mit Alufolie ausgekleidet - Staniol. Es wurde für die gleichen Zwecke verwendet wie modernes Aluminium, aber Aluminium war noch nicht entdeckt worden.

Die einzige Stromquelle war damals eine Elektrophoresemaschine, die Spannungen von bis zu mehreren hundert Kilovolt erzeugen konnte. Hier wurde das Leidener Glas aufgeladen. In Physiklehrbüchern wird ein Fall beschrieben, bei dem Muschenbroek seine Dose durch eine Kette von zehn Händchen haltenden Gardisten abfeuerte.

Zu diesem Zeitpunkt wusste niemand, dass die Folgen tragisch sein könnten. Der Schlag war recht empfindlich, aber nicht tödlich. Dazu kam es nicht, weil das Fassungsvermögen des Leydener Gefäßes unbedeutend war, der Impuls sehr kurzlebig war und die Entladungsleistung daher gering war.

Wie funktioniert ein Kondensator?

Das Design eines Kondensators unterscheidet sich praktisch nicht von einem Leydener Glas: die gleichen zwei Platten, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Genau so ist es auf Modern elektrische Diagramme Kondensatoren werden angezeigt. Abbildung 1 zeigt ein schematisches Gerät Flachkondensator und die Formel zur Berechnung.

Abbildung 1. Aufbau eines Parallelplattenkondensators

Hier ist S die Fläche der Platten in Quadratmeter, d – Abstand zwischen Platten in Metern, C – Kapazität in Farad, ε – die Dielektrizitätskonstante Umfeld. Alle in der Formel enthaltenen Größen werden im SI-System angegeben. Diese Formel gilt für den einfachsten Flachkondensator: Sie können einfach zwei platzieren Metallplatten, aus denen Schlussfolgerungen gezogen werden. Als Dielektrikum kann Luft dienen.

Aus dieser Formel lässt sich erkennen, dass die Kapazität des Kondensators umso größer ist, je größer die Fläche der Platten und je kleiner der Abstand zwischen ihnen ist. Bei Kondensatoren mit einer anderen Geometrie kann die Formel beispielsweise für die Kapazität eines einzelnen Leiters oder eines anderen abweichen. Aber die Abhängigkeit der Kapazität von der Fläche der Platten und dem Abstand zwischen ihnen ist die gleiche wie bei einem Flachkondensator: Je größer die Fläche und je kleiner der Abstand, desto größer die Kapazität.

Tatsächlich sind die Platten nicht immer flach. Bei vielen Kondensatoren, zum Beispiel Metall-Papier-Kondensatoren, sind es die Platten Aluminiumfolie zusammengerollt mit einem Papierdielektrikum zu einer festen Kugel in Form eines Metallgehäuses.

Um die elektrische Festigkeit zu erhöhen, wird meist dünnes Kondensatorpapier mit isolierenden Verbindungen imprägniert Transformatoröl. Dieses Design ermöglicht die Herstellung von Kondensatoren mit einer Kapazität von bis zu mehreren hundert Mikrofarad. Kondensatoren funktionieren ähnlich wie andere Dielektrika.

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 voneinander entfernt sein können und gleichzeitig die Fläche der Platten sehr klein gemacht werden kann, bleibt immer noch eine gewisse Kapazität, wenn auch klein, übrig. Diese Überlegung legt nahe, dass bereits zwei nebeneinander liegende Leiter eine elektrische Kapazität aufweisen.

Dieser Umstand wird in der Hochfrequenztechnik häufig genutzt: Teilweise werden Kondensatoren einfach in Form von Bahnen hergestellt Leiterplattenbaugruppe oder auch nur zwei miteinander verdrillte Drähte in einer Polyethylenisolierung. Auch ein gewöhnlicher Nudeldraht oder ein gewöhnliches Kabel hat eine Kapazität, die mit zunehmender Länge zunimmt.

Jedes Kabel hat neben der Kapazität C auch einen Widerstand R. Beides physikalische Eigenschaften Sie sind über die Länge des Kabels verteilt und arbeiten bei der Übertragung von Impulssignalen als integrierende RC-Kette, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Figur 2.

In der Abbildung ist alles einfach: Hier ist die Schaltung, hier ist das Eingangssignal und hier ist das Ausgangssignal. Der Impuls wird bis zur Unkenntlichkeit verzerrt, dies geschieht jedoch mit Absicht, weshalb die Schaltung aufgebaut wurde. In der Zwischenzeit sprechen wir über den Einfluss der Kabelkapazität auf das Impulssignal. Anstelle eines Impulses erscheint am anderen Ende des Kabels eine solche „Glocke“, und wenn der Impuls kurz ist, erreicht er das andere Ende des Kabels möglicherweise überhaupt nicht und verschwindet möglicherweise vollständig.

Historische Tatsache

An dieser Stelle ist es durchaus angebracht, sich an die Geschichte der Verlegung des Transatlantikkabels zu erinnern. Der erste Versuch im Jahr 1857 scheiterte: Telegraphenpunkte und -striche (Rechteckimpulse) wurden so verzerrt, dass am anderen Ende einer 4.000 km langen Leitung nichts mehr zu erkennen war.

Ein zweiter Versuch wurde 1865 unternommen. Zu diesem Zeitpunkt hatte der englische Physiker W. Thompson eine Theorie der Datenübertragung über lange Leitungen entwickelt. Im Licht dieser Theorie erwies sich die Kabelverlegung als erfolgreicher, es wurden Signale empfangen.

Für diese wissenschaftliche Leistung verlieh Königin Victoria dem Wissenschaftler die Ritterwürde und den Titel Lord Kelvin. So hieß es Kleinstadt an der Küste Irlands, wo mit der Verlegung des Kabels begonnen wurde. Aber das ist nur ein Wort, und nun kehren wir zum letzten Buchstaben der Formel zurück, nämlich der Dielektrizitätskonstante des Mediums ε.

Ein wenig über Dielektrika

Dieses ε steht im Nenner der Formel, daher führt seine Erhöhung zu einer Erhöhung der Kapazität. Bei den meisten verwendeten Dielektrika wie Luft, Lavsan, Polyethylen, Fluorkunststoff entspricht diese Konstante nahezu der des Vakuums. Gleichzeitig gibt es aber viele Stoffe, deren Dielektrizitätskonstante viel höher ist. Wenn Luftkondensator Füllen Sie es mit Aceton oder Alkohol, dann erhöht sich seine Kapazität um das 15- bis 20-fache.

Aber solche Stoffe haben neben einem hohen ε auch eine ziemlich hohe Leitfähigkeit, so dass ein solcher Kondensator die Ladung nicht gut hält, sondern sich schnell durch sich selbst entlädt. Dieses schädliche Phänomen wird Leckstrom genannt. Daher entwickeln sie sich für Dielektrika spezielle Materialien, die in der Höhe ermöglichen spezifische Kapazität Kondensatoren liefern akzeptable Leckströme. Genau das erklärt die Vielfalt an Kondensatortypen und -typen, die jeweils für bestimmte Bedingungen ausgelegt sind.

Der größte spezifische Kapazität(Kapazität/Volumen-Verhältnis) haben . Die Kapazität der „Elektrolyte“ erreicht bis zu 100.000 uF, die Betriebsspannung bis zu 600 V. Solche Kondensatoren funktionieren nur bei niedrigen Frequenzen gut, am häufigsten in Stromversorgungsfiltern. Elektrolytkondensatoren werden mit der richtigen Polarität angeschlossen.

Die Elektroden in solchen Kondensatoren sind dünner Film bestehen aus Metalloxid, weshalb diese Kondensatoren oft als Oxidkondensatoren bezeichnet werden. Dünne Schicht Die Luft zwischen solchen Elektroden ist kein sehr zuverlässiger Isolator, daher wird zwischen den Oxidplatten eine Elektrolytschicht eingebracht. Am häufigsten handelt es sich dabei um konzentrierte Lösungen von Säuren oder Laugen.

Abbildung 3 zeigt einen solchen Kondensator.

Abbildung 3. Elektrolytkondensator

Um die Größe des Kondensators abzuschätzen, wurde daneben ein einfaches Foto aufgenommen. Streichholzschachtel. Neben der recht großen Kapazität erkennt man in der Abbildung auch die prozentuale Toleranz: nicht weniger als 70 % des Nennwertes.

Damals, als Computer noch groß waren und Computer genannt wurden, befanden sich solche Kondensatoren in Festplattenlaufwerken (in modernen Festplatten). Die Informationskapazität solcher Laufwerke kann heute nur noch zum Schmunzeln führen: 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 bestand darin, Magnetköpfe zu entfernen Arbeitsbereich Festplatte während eines plötzlichen Stromausfalls. Solche Kondensatoren konnten eine Ladung mehrere Jahre lang speichern, was in der Praxis getestet wurde.

Im Folgenden schlagen wir vor, ein paar einfache Experimente mit Elektrolytkondensatoren durchzuführen, um zu verstehen, was ein Kondensator leisten kann.

Für den Betrieb in Wechselstromkreisen, unpolar Elektrolytkondensator, aber aus irgendeinem Grund ist es sehr schwierig, sie zu bekommen. Um dieses Problem irgendwie zu umgehen, werden herkömmliche polare „Elektrolyte“ gegenläufig eingeschaltet: Plus-Minus-Minus-Plus.

Wenn ein polarer Elektrolytkondensator an einen Wechselstromkreis angeschlossen wird, erhitzt er sich zunächst und dann kommt es zu einer Explosion. Inländische alte Kondensatoren waren in alle Richtungen verstreut, während dies bei importierten der Fall war spezielles Gerät, sodass Sie laute Schüsse vermeiden können. In der Regel handelt es sich dabei entweder um eine Kreuzkerbe auf der Unterseite des Kondensators oder um ein Loch mit einem dort befindlichen Gummistopfen.

Sie mögen Hochspannungs-Elektrolytkondensatoren wirklich nicht, auch wenn die Polarität stimmt. Daher sollten Sie niemals „Elektrolyte“ in einen Stromkreis einbauen, in dem eine Spannung nahe dem Maximum für einen bestimmten Kondensator erwartet wird.

Manchmal stellen Anfänger in manchen, sogar seriösen Foren die Frage: „Das Diagramm zeigt einen 470µF * 16V-Kondensator, aber ich habe einen 470µF * 50V, kann ich den einbauen?“ Ja, natürlich können Sie das, aber ein umgekehrter Austausch ist nicht akzeptabel.

Der Kondensator kann Energie speichern

Es wird helfen, diese Aussage zu verstehen einfache Schaltung, dargestellt in Abbildung 4.

Abbildung 4. Schaltung mit Kondensator

Hauptsächlich Schauspieler Bei dieser Schaltung handelt es sich um einen Elektrolytkondensator C mit ausreichend großer Kapazität, sodass die Lade- und Entladevorgänge langsam und sogar sehr deutlich ablaufen. Dadurch ist es möglich, den Betrieb des Stromkreises visuell mit einer normalen Taschenlampe zu beobachten. Diese Taschenlampen sind längst modernen LED-Taschenlampen gewichen, aber Glühbirnen dafür werden immer noch verkauft. Sammeln Sie daher das Diagramm und führen Sie es aus einfache Experimente sehr einfach.

Vielleicht wird jemand sagen: „Warum? Es ist ja alles klar, aber wenn man auch noch die Beschreibung liest...“ Hier scheint es nichts zu beanstanden, aber keines, sogar das Meiste einfache Sache bleibt lange im Kopf, wenn sein Verständnis durch die Hände kam.

Die Schaltung ist also aufgebaut. Wie funktioniert es?

In der im Diagramm gezeigten Stellung des Schalters SA wird der Kondensator C von der Stromquelle GB über den Widerstand R im Stromkreis geladen: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Der Ladestrom im Diagramm wird durch einen Pfeil mit dem Index iз angezeigt. Der Ladevorgang des Kondensators ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5. Ladevorgang des Kondensators

Die Abbildung zeigt, dass die Spannung am Kondensator entlang einer gekrümmten Linie ansteigt, die in der Mathematik als Exponentiallinie bezeichnet wird. Der Ladestrom spiegelt direkt die Ladespannung wider. Mit zunehmender Spannung am Kondensator wird der Ladestrom geringer. Und nur im ersten Moment entspricht es der in der Abbildung gezeigten Formel.

Nach einiger Zeit lädt sich der Kondensator von 0 V auf die Spannung der Stromquelle auf, in unserer Schaltung bis zu 4,5 V. Die ganze Frage ist, wie man diese Zeit bestimmt, wie lange man warten muss, wann wird der Kondensator aufgeladen?

Zeitkonstante „Tau“ τ = R*C

Diese Formel multipliziert einfach den Widerstand und die Kapazität eines in Reihe geschalteten Widerstands und Kondensators. Wenn wir, ohne das SI-System zu vernachlässigen, den Widerstand in Ohm und die Kapazität in Farad ersetzen, erhalten wir das Ergebnis in Sekunden. Dies ist die Zeit, die der Kondensator benötigt, um auf 36,8 % der Spannung der Stromquelle aufzuladen. Das Aufladen auf nahezu 100 % erfordert dementsprechend eine Zeit von 5* τ.

Unter Vernachlässigung des SI-Systems ersetzen sie oft den Widerstand in Ohm und die Kapazität in Mikrofarad in der Formel, dann wird die Zeit in Mikrosekunden angegeben. In unserem Fall ist es bequemer, das Ergebnis in Sekunden zu erhalten, dafür müssen Sie einfach Mikrosekunden mit einer Million multiplizieren oder, einfacher gesagt, den Dezimalpunkt um sechs Stellen nach links verschieben.

Für die in Abbildung 4 gezeigte Schaltung mit einer Kondensatorkapazität von 2000 μF und einem Widerstandswiderstand von 500 Ω beträgt die Zeitkonstante τ = R*C = 500 * 2000 = 1.000.000 Mikrosekunden oder genau eine Sekunde. Sie müssen also ca. 5 Sekunden warten, bis der Kondensator vollständig aufgeladen ist.

Wird der Schalter SA nach der angegebenen Zeit in die richtige Position gebracht, entlädt sich der Kondensator C über die Glühbirne EL. In diesem Moment ertönt ein kurzes Blinken, der Kondensator entlädt sich und das Licht erlischt. Die Richtung der Kondensatorentladung wird durch einen Pfeil mit dem Index ip angezeigt. Die Entladezeit 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

Ein noch einfacheres Diagramm in Abbildung 7 hilft Ihnen, diese Aussage zu überprüfen.

Abbildung 7. Schaltung mit einem Kondensator in einem Gleichstromkreis

Wenn Sie den Schalter SA schließen, blinkt die Glühbirne kurz und zeigt damit an, dass sich der Kondensator C über die Glühbirne aufgeladen hat. Hier wird auch die Ladekurve angezeigt: In dem Moment, in dem der Schalter geschlossen wird, ist der Strom maximal, während der Kondensator aufgeladen wird, nimmt er ab und hört nach einer Weile ganz auf.

Wenn der Kondensator gute Qualität, d.h. Bei einem geringen Leckstrom (Selbstentladung) führt ein wiederholtes Schließen des Schalters nicht zu einem Blitz. Um einen weiteren Blitz zu erhalten, muss der Kondensator entladen werden.

Kondensator in Netzfiltern

Der Kondensator wird normalerweise nach dem Gleichrichter platziert. Am häufigsten werden Gleichrichter als Vollwellengleichrichter hergestellt. Die gängigsten Gleichrichterschaltungen sind in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8. Gleichrichterschaltungen

Einweggleichrichter werden in der Regel auch häufig dort eingesetzt, wo die Lastleistung unbedeutend ist. Die wertvollste Eigenschaft solcher Gleichrichter ist ihre Einfachheit: nur eine Diode und eine Transformatorwicklung.

Für einen Vollweggleichrichter kann die Kapazität des Filterkondensators anhand der Formel berechnet werden

C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, wobei C die Kapazität des Kondensators μF ist, Po die Lastleistung W ist, U die Spannung am Ausgang des Gleichrichters V ist, f die Frequenz des Wechselstroms ist Spannung Hz, dU ist die Amplitude der Welligkeit V.

Die große Zahl im Zähler 1.000.000 wandelt die Kapazität des Kondensators von System-Farad in Mikrofarad um. Die zwei im Nenner stellen die Anzahl der Halbwellen des Gleichrichters dar: Bei einem Einweggleichrichter erscheint stattdessen eine

C = 1000000 * Po / U*f*dU,

und für einen Dreiphasengleichrichter hat die Formel die Form C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.

Superkondensator - Ionistor

IN In letzter Zeit erschien neue Klasse Elektrolytkondensatoren, die sogenannten. In seinen Eigenschaften ähnelt es einer Batterie, allerdings mit einigen Einschränkungen.

Kondensatorladung bis zu Nennspannung tritt innerhalb kurzer Zeit, buchstäblich in wenigen Minuten, auf, daher ist es ratsam, es als Notstromquelle zu verwenden. Tatsächlich ist der Ionistor ein unpolares Gerät; die Polarität wird nur durch das Laden beim Hersteller bestimmt. Damit diese Polarität in Zukunft nicht verwechselt wird, wird sie mit einem +-Zeichen gekennzeichnet.

Die Betriebsbedingungen von Ionistoren spielen eine große Rolle. Bei einer Temperatur von 70 °C und einer Spannung von 0,8 der Nennspannung beträgt die garantierte Lebensdauer maximal 500 Stunden. Wenn das Gerät mit einer Spannung von 0,6 der Nennspannung betrieben wird und die Temperatur 40 Grad nicht überschreitet, ist ein ordnungsgemäßer Betrieb für 40.000 Stunden oder mehr möglich.

Die häufigste Anwendung eines Ionistors sind Notstromversorgungen. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Speicherchips bzw Digitaluhr. In diesem Fall ist der Hauptparameter des Ionistors ein geringer Leckstrom, seine Selbstentladung.

Der Einsatz von Ionistoren in Verbindung mit Solarplatten. Dies liegt auch an der Unkritikalität der Ladebedingungen und der praktisch unbegrenzten Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen. Eine weitere wertvolle Eigenschaft ist, dass der Ionistor keine Wartung erfordert.

Bisher konnte ich Ihnen erklären, wie und wo Elektrolytkondensatoren funktionieren, hauptsächlich in Gleichstromkreisen. Der Betrieb von Kondensatoren in Wechselstromkreisen wird in einem anderen Artikel besprochen.