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Condensator
Klassischer Plattenkondensator, mit Luft und Glas als Zwischenstufe (Dielektrikum). Der Kondensator kann angeschlossen werden durch Bananenstecker in die Löcher zu stecken. Schulhistorische Sammlung Bremerhaven.
Prinzip eines Kondensators:
1. parallele Platten
2. Dielektrikum
3. Stromkabel
Vier Leydener Gläser im Rijksmuseum Boerhaave, Führen. Das Leidener Glas war der erste praktische Kondensator.
Lasttrennung in einem Parallelplattenkondensator ein interner elektrisches Feld. Ein Dielektrikum (orange) reduziert die Feldstärke und erhöht die Kapazität des Kondensators.

EIN Kondensator ist ein elektrische Komponente in denen auf einer Seite elektrische Ladung gespeichert werden kann, bei gleichzeitiger Speicherung der Gegenladung auf der anderen Seite. Wenn auf die Ladung eines Kondensators Bezug genommen wird, bezieht sich dies auf die Ladung auf einer Referenzseite (im Saldo ist die Ladung des Kondensators Null). Je nach Kondensatortyp kann die Ladung auf der Referenzseite positiv oder negativ sein (es besteht Symmetrie zwischen beiden Seiten) oder nur positiv (bei a Elektrolytkondensator, es wird beschädigt, wenn auf dieser Seite eine negative Spannung anliegt).

Ein Kondensator besteht aus zwei Dirigenten mit relativ großer Oberfläche, die eng beieinander liegen und durch ein nichtleitendes Material oder Vakuum getrennt sind, die Dielektrikum.

Wenn ein Leiter relativ zum anderen positiv geladen wird, bewegen sich die an Moleküle im Dielektrikum gebundenen Elektronen leicht in Richtung des positiv geladenen Leiters. Der Name leitet sich aus dem Lateinischen ab Kondensator: komprimieren, also Kondensator = Kompaktor, was sich auf die Ladungen bezieht, die an den Anschlüssen (Platten) des Kondensators komprimiert werden.

Benutzen

Kondensatoren werden häufig in elektronischen Schaltungen verwendet, einschließlich:

Kapazität

Wenn sich ein Kondensator auflädt, steigt die Spannung am Kondensator an. Die Fähigkeit eines Kondensators, Ladung zu speichern, die Zahl coulomb pro Volt, heißt die Kapazität des Kondensators und wird im Gerät gemessen Farad; 1 F = 1 C V−1. Die Kapazität ist abhängig von

  • die Oberfläche der Leiter; je größer die Oberfläche, desto größer die Kapazität;
  • der Abstand zwischen den Leitern: die Kapazität nimmt mit dem Abstand zwischen den Leitern zu (die Platten bei alten Kondensatoren) ist kleiner;
  • das Dielektrikum (das Material oder das Vakuum) zwischen den Leitern.

In der Vergangenheit war die Kapazität von Kondensatoren in Zentimeter ausgedrückt (im "Gauss-Mischsystem"). Dies ist nicht so überraschend: Die Kapazität stammt hauptsächlich von der Geometrie kondensatorabhängig: die Plattenfläche geteilt durch den Abstand, mit einem dimensionslosen Faktor, der Permittivität (Dielektrizitätskonstante) εr, für das Dielektrikum. 1cm 1,11 pf.[2]

Die üblichen Präfixe entfallen in diesem Fall; zum Beispiel kann man einen Kondensator von 10.000 cm (nicht 100 m) finden. Ein solcher Kondensator besteht beispielsweise aus zwei Platten von 1 m² im Abstand von 1 cm oder praktischer aus zwei Platten von 1 cm² im Abstand von 1 µm.

Dielektrikum

Die Leiter sind voneinander isoliert, aber in der Praxis lässt das Material im Zwischenraum (das Dielektrikum) noch einen kleinen Ableitstrom durch. In Schaltplänen wird dies durch einen großen Widerstand die parallel zum Kondensator liegt. Darüber hinaus gibt es eine Obergrenze für die Stärke des elektrischen Felds, das zwischen den Leitern eines Kondensators angelegt werden kann: die Die Spannung unterbrechen.

Das isolierende Zwischenprodukt zwischen den Platten eines Kondensators kann sein:

  1. Luft – in Abstimmkondensatoren in Radios
  2. Glas – im historischen Leidener Glas, aber auch in modernen Kondensatoren für Hochspannungsanwendungen
  3. Keramikmaterial - zur Verwendung mit Hochfrequenzsignalen wie in Röntgen- und MRT-Geräte in Krankenhäusern
  4. mylar bei Uhren und dergleichen.
  5. gewachstes Papier in Kondensatoren in Automotoren.

Parasitäre Kapazität

Viele elektrische Bauteile wie Kabel sind ungewollt auch Kondensatoren mit einer gewissen Kapazität. Dies wird als „parasitäre Kapazität“ bezeichnet. Als Ergebnis wird der Frequenz des zu übertragenden Signals eine Obergrenze auferlegt.

Biologie und Strömungslehre

Die biologische Zellmembran und die Oberfläche von a Elektrode in einem Elektrolyt verhalten sich auch wie kondensatoren.

In einem hydraulische Analogie kann ein Kondensator als a . angesehen werden Wasserturm.

Kondensator und Spule

sehen LC-Kreis für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Das elektrische Gegenstück des Kondensators ist der Spule. Während ein idealer Kondensator einen infinitesimalen Widerstand Formulare für DC und für a Wechselstrom ein Impedanz die mit zunehmender Frequenz kleiner wird, eine ideale Spule ist einfach eine perfekte Dirigent für Gleichstrom, während seine Impedanz mit dem Frequenz eines Wechselstroms. Kondensatoren und Spulen werden verwendet in Crossover-Filter, die Wechselstromsignale je nach Frequenz zulassen oder blockieren.

Erfinder

Der erste Kondensator war der Leidener Glas: eine mit leitfähigem Wasser gefüllte Glasflasche mit Alufolie außen und bei späteren Typen auch innen. Die Kapazität lag in der Größenordnung von 7 nF. Die Flasche wurde von den Deutschen erfunden Ewald Georg von Kleist im Oktober 1745; unabhängig von ihm leuchtet Pieter van Musschenbroek bereits 1744 an der Universität Leiden eine ähnliche Erfindung gemacht, daher der Name der Flasche.[3][4]

Grundformeln

Der Kondensator ist mit einer Stabbatterie verbunden, über die die Platten des Kondensators mit elektrischen Ladungen aufgeladen werden und , die von a . begleitet wird elektrisches Feld (Pfeile) zwischen den Platten

Ein Kondensator kann auf einer Seite elektrische Ladung speichern, während gleichzeitig die entgegengesetzte Ladung auf der anderen Seite gespeichert wird. Diese Fähigkeit wird zum Kapazität des Kondensators und ausgedrückt in EinheitFarad (Symbol F). Ein Kondensator mit einer Ladung von 1coulomb enthält auf einer Seite, während auf dieser Seite die enthält elektrisches PotenzialVolt höher als die andere Seite, hat sie eine Kapazität von 1 Farad.

Wenn auf die Ladung eines Kondensators Bezug genommen wird, ist damit die Ladung auf einer Referenzseite gemeint. Dementsprechend gilt die Spannung an einem Kondensator als positiv, wenn sie auf der Referenzseite höher ist. Dieser ist direkt proportional mit der Ladung des Kondensators. Die Beziehung zwischen der Spannung im Volt und die Ladung im coulomb wird gegeben von:

,

in welchem die Kapazität des Kondensators in Farad ist.

Das Energie im Joule eines Kondensators mit Ladung ist die Energie, die benötigt wird, um den Kondensator von Ladung 0 aufzuladen. Füttern einer kleinen Ladung kostet eine Energie . Integration von bis um liefert die Gesamtenergie :

Platten- und Elektrolytkondensator

Ein 10.000 . Kondensator Mikrofarad in einem TRM-800-Verstärker.

Das Standardmodell für den Kondensatorbetrieb ist das Plattenkondensator.Das Symbol, zwei parallele Streifen, wird daraus abgeleitet.Die Kapazität von a Plattenkondensator ist sehr eingeschränkt. Das Design vieler Kondensatoren zielt daher darauf ab, die Kapazität zu erhöhen durch:

  • um die Oberfläche der Platten zu vergrößern,
  • den Abstand zwischen den Platten verringern, oder
  • die Permittivität des Dielektrikums erhöhen.

Für den einfachsten Kondensator, den Plattenkondensator, kann die Kapazität wie folgt berechnet werden. Die Platten sind überall gleich (wir nehmen an) und haben eine Fläche und ein Ladungsdichte

auf der Plattenoberfläche. Wenn die Plattengröße viel größer ist als ihr Abstand , ist der elektrisches Feld um die Mitte des Kondensators gleich

mit die Permittivität des Zwischenprodukts (Dielektrikums). Die Spannung ist definiert als Linienintegral des elektrischen Feldes zwischen den Platten

Mit folgt

Die Kapazität des Kondensators ist direkt proportional mit der Oberfläche der Platten und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Platten. Darüber hinaus ist die Kapazität direkt proportional zur Permittivität des Dielektrikums.

Eine wichtige Version, insbesondere bei großen Kapazitäten, ist die Elektrolytkondensator (elko). Diese besteht aus zwei gerollten (für große Oberflächen) Schichten von Aluminiumfolie, die durch Papier oder porösen Kunststoff getrennt sind und in einen Elektrolyten getränkt sind. Der Elektrolyt macht das Papier leitfähig und gehört damit zu einer der „Platten“. Das Dielektrikum wird durch Aluminiumoxid auf jeder Platte gebildet. Aluminiumoxid ist extrem dünn, wodurch die Kapazität sehr hoch ist. Der Nachteil besteht darin, dass das Oxid durch die angelegte Spannung gehalten wird. Elektrolytkondensatoren sind daher „polarisiert“: Sie haben einen Plus- und einen Minuspol. Wenn die Spannung umgekehrt wird, bricht das Dielektrikum ziemlich schnell zusammen, woraufhin der Kondensator "ausbricht" und ein Kurzschluss entsteht.

Gleich- und Wechselstrom

Ein Kondensator beeinflusst den Fluss von elektrischer Strom. Bei Gleichstrom handelt es sich um eine Blockade: Es fließt nur ein Strom durch den Ladewiderstand, bis der Kondensator geladen ist. An einem landschaftlich gestalteten Wechselstrom Spannung der Kondensator wird abwechselnd geladen, entladen und entgegengesetzt geladen, wodurch anscheinend Strom durchgelassen wird; in dem Stromkreis, in dem der Kondensator enthalten ist, fließt ein Wechselstrom.

Gleichstromkreis: Laden und Entladen

sehen RC-Kreis für den Hauptartikel zu diesem Thema.
Eine einfache RC-Schaltung zum Laden eines Kondensators.

Belastung

Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand, einem Kondensator, einem Schalter und einer Gleichspannungsquelle, die eine Spannung erzeugt kann zum Laden eines Kondensators verwendet werden.[5]

Ist der Kondensator zunächst ungeladen und der Schalter zum Zeitpunkt geschlossen , wird über einen Zeitraum an einem Bach eine Gebühr zu den Platten des Kondensators hinzugefügt, gleich:

Angesichts der Kapazität des Kondensators ist die Spannung über den Kondensator zu der Zeit So:

Von dem Kirchhoffs Spannungsgesetz und der Ohm'sches Gesetz folgt:

,

in welchem ist die Spannung am Widerstand.

Mit der letzten Gleichung unterscheiden Zeit und multiplizieren mit eine erste Ordnung entstehtorder lineare Differentialgleichung mit konstanten Koeffizienten R und C:

,

mit der Lösung:

Vor dem ist die Spannung am Kondensator noch 0 V und die Spannung am Widerstand , so dass

So ist

und

Das Produkt wird der Zeitkonstante das System genannt.

Wenn die Spannung am Kondensator ansteigt, steigt die Spannung am Widerstand und der Strom durch die gesamte Schaltung exponentiell aus.

Erfüllen

Der umgekehrte Fall, die erfüllen eines geladenen Kondensators mit Spannung über einen Widerstand (also ohne Spannungsquelle im Stromkreis und bei geschlossenem Schalter) ist ebenfalls exponentiell. Jetzt ist:

Denn für die Ladung des Kondensators , ist

,

so dass

,

mit der Lösung:

Komplexe Impedanz

Symbole für einen Kondensator: links ein 'normaler' Kondensator, rechts ein polaritätsempfindlicher Kondensator wie a Elektrolyt.

Über einen Kondensator mit Kapazität ist die angelegte Spannung eine einzige Sinus mit Eckfrequenz, geschrieben komplex als:

Die jetzige durch den Kondensator erfolgt die Ladungsänderung, also

Anscheinend

Darin ist

der Komplex) Impedanz des Kondensators, das sogenannte Kapazität. Dies ist eine Erweiterung der Ohm'sches Gesetz.

Zum Beispiel die komplexe Impedanz eines Kondensators mit der Kapazität µF bei einer Frequenz Hz gleich:

Wegen des imaginären Faktors läuft der aktuelle 90° Zoll Phase für – ‚eilt voraus‘ – auf die Spannung . Der Komplex elektrische Energie, , die geliefert wird, ist daher Null. In der Praxis hat ein Kondensator einen Leckstrom zwischen den Platten, der durch einen Parallelwiderstand ausgeglichen werden kann . Die komplexe Impedanz wird dann:

Dies kann umgeschrieben werden als

Die Phasenverschiebung ist dann kleiner als 90° (weil ) und elektrische Leistung abgeführt wird. Der Faktor hat die Dimension Zeit, ausgedrückt in Sekunden als im Ω und im f gemessen wurde. Diese Zeitkonstante spielt bei schrittweisen Änderungen der Spannung an einem Kondensator eine erkennbare Rolle.

Versionen

verschiedene Arten von Kondensatoren
Keramikkondensatoren
Elektrolytkondensator
Tantal-Kondensatoren
einstellbare Kondensatoren

Aufgrund seines mechanischen Aufbaus und der verwendeten Materialien gibt es eine große Typenvielfalt. Die Hauptmerkmale, die die Wahl bestimmen, sind: die Kapazität, die Toleranz, Verlustwinkel, dürfen Temperatur und Spannung (einschließlich Polaritätsempfindlichkeit), Stabilität und physikalische Abmessungen.

Es gibt verschiedene Arten von Kondensatoren:

  • Keramik (kleine Kapazität, hoch, Die Spannung unterbrechen), heutzutage auch als Aufputzgerät (SMD) mit größerer Kapazität bei niedriger Betriebsspannung, sehr gute Temperaturbeständigkeit, bis 125°C. In Klasse I mit geringem Verlustwinkel und hoher Stabilität (NP0, COG), Klasse IIa mit mittlerem Verlustwinkel und mittlerer Stabilität (X7R) und Klasse IIb mit geringer Stabilität und großer Kapazität (Y5V).
  • mit Plastikfolie als Dielektrikum, Polypropylen mit guten Hochfrequenzeigenschaften (KP, MKP) und Polyester mit schlechten HF-Eigenschaften (KT, MKT), aber größeren Kapazitätswerten. Oberhalb von 85 °C darf an diesem Kondensatortyp nur eine reduzierte Spannung angelegt werden. Es gibt Typen mit metallisierter Kunststofffolie und Typen mit Film/Folien-Struktur. Letztere tolerieren größere Ströme.
  • Glimmer (kleine Kapazität, hohe Durchbruchspannung, geringe Verluste)
  • Elektrolytkondensator (hohe Kapazität möglich, hauptsächlich zur Spannungsstabilisierung verwendet, kurz 'elco' genannt), begrenzte Lebensdauer bei hohen Temperaturen, die auch durch Eigenerwärmung aufgrund der Welligkeitsstrom durch den Kondensator
  • Tantal elco (hohe Kapazität bei kleinen Abmessungen möglich)**
  • variabler Kondensator (Zum Beispiel a Abstimmkondensator oder ein Varicap in einem Radio-Empfänger). Variable Kondensatoren, auf die nur zu Servicezwecken zum Einstellen einer Schaltung zugegriffen werden kann, sind Trimmer erwähnt.
  • Ölkondensatoren (für hohe Fähigkeiten)
  • Superkondensatoren, mit außergewöhnlich hoher Kapazität von 1 bis viele Farad aber mit relativ hohem Ableitstrom

Ersatzkapazität

Parallele Verbindung

Kondensatoren parallel geschaltet.

Für die Ersatzkapazität Biene parallele Verbindung von Kondensatoren mit Kapazitäten die einzelnen Kapazitäten werden addiert, da die Spannungen an den Kondensatoren gleich sind, aber die Ladung verteilt ist. Für jeden der Kondensatoren gilt:

damit für die Gesamtkapazität gilt

Serienverbindung

Kondensatoren in Reihe geschaltet.

Bei der Serienverbindung ist die Last an jedem Kondensator gleich, die Spannung über der Reihenschaltung ist die Summe der Spannungen dagegen zu den einzelnen Kondensatoren:

Die Ersatzkapazität Biene Serienverbindung von Kondensatoren mit Kapazitäten ist deshalb:

,

oder sonst geschrieben:

Die Berechnung erfolgt analog zur Berechnung für parallel Widerstände.

Ausgerechnet für zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren ergibt dies

Kapazitätsanzeige

Bei einigen Kondensatoren wird die Kapazität explizit auf dem Gehäuse mit Einheit angegeben, zum Beispiel 470 μF, bei anderen ohne Einheit und dann ist die implizit angenommene Einheit die unit Picofarad. Bei Verwendung von a Farbcodierung für Elektronik das System an den ersten drei Bändern (von oben/außerhalb des Kondensators gezählt) ist analog zu dem des Widerstand, also repräsentiert das erste Band die Zehner, das zweite Band die Einheiten und das dritte Band den Multiplikationsfaktor (Potenz 10), alles in Picofarad. Ein viertes Band kann die Toleranz wie bei Widerständen darstellen und das fünfte Band die maximal zulässige Spannung. Bei einem dreistelligen Aufdruck ohne explizit angegebene Einheit ist die dritte Ziffer auch der Multiplikationsfaktor (Potenz 10). Ein Keramikkondensator mit Aufdruck 104 hat beispielsweise eine Kapazität von 10 × 104 = 100.000 pF = 100 nF = 0,1 F.

Darüber hinaus kann die Kapazität von Kondensatoren mit speziellen Kapazitätsmessern gemessen werden, die oft auch Bestandteil von Multimeter. Auch sein LC-Meter vorhanden, mit dem man sowohl Kondensatoren als auch Spulen messen kann.

Siehe auch

Externe Links

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