Condensatoren: doel, apparaat, werkingsprincipe

In alle radio- en elektronische apparaten, behalve transistors en microschakelingen, worden condensatoren gebruikt. In sommige circuits zijn er meer, in andere minder, maar er zijn praktisch geen elektronische circuits zonder condensatoren.

In dit geval kunnen condensatoren verschillende taken in apparaten uitvoeren. Allereerst zijn dit containers in de filters van gelijkrichters en stabilisatoren. Met behulp van condensatoren wordt een signaal verzonden tussen de versterkingsfasen, worden laag- en hoogfrequentfilters gebouwd, worden tijdsintervallen in tijdsvertragingen ingesteld en wordt de oscillatiefrequentie in verschillende generatoren geselecteerd.

Condensatoren leiden van banken leidendie in het midden van de 18e eeuw werd gebruikt in hun experimenten door de Nederlandse wetenschapper Peter van Mushenbrook. Hij woonde in de stad Leiden, dus het is gemakkelijk te raden waarom deze bank werd genoemd.

Eigenlijk was dit een gewone glazen pot, aan de binnen- en buitenkant bekleed met tinfolie - staniol. Het werd gebruikt voor dezelfde doeleinden als modern aluminium, maar toen was aluminium nog niet open.

De enige bron van elektriciteit in die dagen was een elektrofoormachine, die in staat was om een ​​spanning tot enkele honderden kilovolt te ontwikkelen. Het was van haar dat ze een Leyden-pot in rekening brachten. In de handboeken van de natuurkunde wordt een geval beschreven waarin Mushenbrook zijn blik door een ketting van tien bewakers in handen gooide.

Op dat moment wist niemand dat de gevolgen tragisch konden zijn. De klap bleek behoorlijk gevoelig, maar niet dodelijk. Het kwam hier niet op, omdat de capaciteit van de Leyden-pot onbeduidend was, de impuls bleek van zeer korte duur te zijn, dus de ontladingskracht was klein.

Hoe is de condensator

Het apparaat van de condensator verschilt praktisch niet van de Leyden-pot: allemaal dezelfde twee platen, gescheiden door een diëlektricum. Dit is hoe condensatoren worden afgebeeld op moderne elektrische circuits. Figuur 1 toont een schematische structuur van een platte condensator en de formule voor de berekening ervan.

Figuur 1. Flat condensator apparaat

Hier is S het plaatoppervlak in vierkante meters, d is de afstand tussen de platen in meters, C is de capaciteit in farads, ε is de diëlektrische constante van het medium. Alle waarden in de formule worden aangegeven in het SI-systeem. Deze formule is geldig voor de eenvoudigste platte condensator: u kunt eenvoudig twee metalen platen ernaast plaatsen, waaruit conclusies worden getrokken. Lucht kan dienen als een diëlektricum.

Uit deze formule kan worden begrepen dat de condensator groter is, hoe groter het oppervlak van de platen en hoe kleiner de afstand tussen hen. Voor condensatoren met een andere geometrie kan de formule verschillen, bijvoorbeeld voor de capaciteit van een enkele geleider of elektrische kabel. Maar de afhankelijkheid van de capaciteit op het gebied van de platen en de afstand daartussen is dezelfde als die van een platte condensator: hoe groter het gebied en hoe kleiner de afstand, hoe groter de capaciteit.

In feite worden de platen niet altijd vlak gemaakt. Voor veel condensatoren, bijvoorbeeld metaal, zijn de platen aluminiumfolie gerold samen met een papieren diëlektricum in een strakke bal, in de vorm van een metalen behuizing.

Om de elektrische sterkte te vergroten, is dun condensatorpapier geïmpregneerd met isolerende samenstellingen, meestal transformatorolie. Met dit ontwerp kunt u condensatoren maken met een capaciteit tot enkele honderden microfarads. Condensatoren met andere diëlektrica zijn op dezelfde manier gerangschikt.

De formule bevat geen beperkingen voor het oppervlak van de platen S en de afstand tussen de platen d.Als we aannemen dat de platen heel ver kunnen worden verspreid en tegelijkertijd het gebied van de platen vrij onbeduidend maken, dan blijft er wat capaciteit, hoewel klein, over. Deze redenering suggereert dat zelfs slechts twee geleiders in de buurt een elektrische capaciteit hebben.

Deze omstandigheid wordt veel gebruikt in hoogfrequente technologie: in sommige gevallen worden condensatoren eenvoudig gemaakt in de vorm van printplaten, of zelfs slechts twee draden die in elkaar zijn getwijnd in polyethyleen isolatie. Gewone draadnoedels of kabel hebben ook een capaciteit, en met toenemende lengte neemt deze toe.

Naast capaciteit C heeft elke kabel ook weerstand R. Beide fysische eigenschappen zijn verdeeld over de lengte van de kabel en bij het verzenden van gepulseerde signalen werken ze als een integrerende RC-ketting, zie figuur 2.

Figuur 2

In de figuur is alles eenvoudig: hier is het circuit, hier is het ingangssignaal, maar hier is het aan de uitgang. De impuls is onherkenbaar vervormd, maar dit gebeurt met opzet, waarvoor het circuit is samengesteld. In de tussentijd hebben we het over het effect van de kabelcapaciteit op het pulssignaal. In plaats van een impuls, zal zo'n "bel" verschijnen aan het andere uiteinde van de kabel, en als de impuls kort is, dan kan het helemaal het andere uiteinde van de kabel niet bereiken, het zal helemaal verdwijnen.

Historisch feit

Hier is het heel toepasselijk om het verhaal te herinneren van hoe de transatlantische kabel werd gelegd. De eerste poging in 1857 mislukte: de telegraafpunten - streepjes (rechthoekige pulsen) waren vervormd zodat er aan het andere uiteinde van de 4000 km-lijn niets kon worden gedemonteerd.

Een tweede poging werd gedaan in 1865. Tegen die tijd had de Engelse natuurkundige W. Thompson de theorie van gegevensoverdracht over lange lijnen ontwikkeld. In het licht van deze theorie bleek de kabelroutering succesvoller en konden we signalen ontvangen.

Voor deze wetenschappelijke prestatie verleende koningin Victoria de wetenschapper het ridderschap en de titel van Lord Kelvin. Dat was de naam van de kleine stad aan de kust van Ierland, waar het leggen van kabels begon. Maar dit is slechts een woord, en nu keren we terug naar de laatste letter in de formule, namelijk naar de diëlektrische constante van het medium ε.

Een klein beetje over diëlektrica

Deze ε is in de noemer van de formule, daarom zal de toename ervan een toename van de capaciteit met zich meebrengen. Voor de meeste gebruikte diëlektrica, zoals lucht, lavsan, polyethyleen, fluorkunststof, is deze constante bijna dezelfde als die van vacuüm. Maar tegelijkertijd zijn er veel stoffen waarvan de diëlektrische constante veel hoger is. Als de luchtcondensor is gevuld met aceton of alcohol, neemt de capaciteit elke 15 ... 20 toe.

Maar dergelijke stoffen hebben naast een hoge e ook een voldoende hoge geleidbaarheid, daarom zal een dergelijke condensator een lading niet goed vasthouden, hij zal snel door zichzelf ontladen. Dit schadelijke fenomeen wordt lekstroom genoemd. Daarom worden speciale materialen ontwikkeld voor diëlektrica die, met een hoge specifieke capaciteit van condensatoren, acceptabele lekstromen bieden. Dit verklaart de verscheidenheid aan typen en typen condensatoren, die elk zijn ontworpen voor specifieke omstandigheden.

Elektrolytische condensator

De grootste specifieke capaciteit (capaciteit / volume-verhouding) elektrolytische condensatoren. De capaciteit van "elektrolyten" bereikt maximaal 100.000 microfarads en de bedrijfsspanning is maximaal 600V. Dergelijke condensatoren werken alleen goed bij lage frequenties, meestal in filters van voedingen. Elektrolytische condensatoren zijn polariteit ingeschakeld.

De elektroden in dergelijke condensatoren zijn een dunne film metaaloxide, dus deze condensatoren worden vaak oxide genoemd. Een dunne luchtlaag tussen dergelijke elektroden is geen erg betrouwbare isolator, daarom wordt een elektrolytlaag tussen de oxideplaten ingebracht. Meestal zijn dit geconcentreerde oplossingen van zuren of alkaliën.

Figuur 3 toont een van deze condensatoren.

Figuur 3. Elektrolytische condensator

Om de grootte van de condensator te evalueren, werd er een eenvoudig luciferdoosje naast gefotografeerd. Naast een voldoende grote capaciteit in de figuur, kunt u ook de percentagetolerantie zien: niet minder dan 70% van de nominale waarde.

In die dagen dat computers groot waren en computers werden genoemd, bevonden dergelijke condensatoren zich in schijven (in de moderne HDD). De informatiecapaciteit van dergelijke schijven kan nu alleen maar een glimlach veroorzaken: 5 megabytes aan informatie werd opgeslagen op twee schijven met een diameter van 350 mm en het apparaat woog 54 kg.

Het belangrijkste doel van de supercondensatoren in de figuur was het terugtrekken van magnetische koppen uit het werkgebied van de schijf tijdens een plotselinge stroomuitval. Dergelijke condensatoren konden een lading voor meerdere jaren opslaan, die in de praktijk werd getest.

Een beetje lager met elektrolytische condensatoren zal worden aangeboden om enkele eenvoudige experimenten uit te voeren om te begrijpen wat een condensator kan doen.

Om in wisselstroomkringen te werken, worden niet-polaire elektrolytische condensatoren geproduceerd, waardoor ze om een ​​of andere reden alleen maar moeilijk zijn. Om dit probleem op de een of andere manier te omzeilen, omvatten gewone polaire "elektrolyten" contra-sequentieel: plus-minus-minus-plus.

Als de polaire elektrolytische condensator is opgenomen in het wisselstroomcircuit, wordt deze eerst warm en hoort u een explosie. Binnenlandse oude condensatoren verspreid in alle richtingen, terwijl geïmporteerde condensatoren een speciaal apparaat hebben dat harde schoten vermijdt. Dit is meestal een kruising aan de onderkant van de condensator, of een gat met een rubberen stop op dezelfde plaats.

Ze houden niet van elektrolytische condensatoren met verhoogde spanning, zelfs als de polariteit wordt waargenomen. Plaats daarom nooit "elektrolyten" in een circuit waar een spanning wordt verwacht die dicht bij het maximum ligt voor een bepaalde condensator.

Soms stellen beginners in sommige, zelfs gerenommeerde fora, een vraag: "De condensator 470µF * 16V wordt op het circuit aangegeven en ik heb 470µF * 50V, kan ik het stellen?" Ja, dat kan natuurlijk, maar de omgekeerde vervanging is onaanvaardbaar.

Condensator kan energie opslaan

Om met deze verklaring om te gaan, kan een eenvoudig diagram uit figuur 4 helpen.

Figuur 4. Circuit met condensator

De protagonist van dit circuit is een elektrolytische condensator C met een voldoende grote capaciteit zodat de ladingsontladingsprocessen langzaam en zelfs zeer duidelijk verlopen. Dit maakt het mogelijk om de werking van het circuit visueel te observeren met behulp van een conventioneel licht van een zaklamp. Deze lichten hebben al lang plaatsgemaakt voor moderne LED's, maar lampen worden nog steeds verkocht. Daarom is het heel eenvoudig om een ​​circuit samen te stellen en eenvoudige experimenten uit te voeren.

Misschien zal iemand zeggen: “Waarom? Alles is immers duidelijk, en zelfs als je de beschrijving leest ... " Er lijkt hier niets te argumenteren te zijn, maar iets, zelfs het eenvoudigste, blijft lang in het hoofd als het begrip door handen komt.

Het circuit is dus samengesteld. Hoe werkt ze

In de positie van de schakelaar SA, weergegeven in het diagram, wordt de condensator C opgeladen vanaf de stroombron GB via de weerstand R in het circuit: + GB __ R __ SA __ C __ -GB. De laadstroom in het diagram wordt weergegeven door een pijl met de index iз. Het proces van het opladen van een condensator wordt weergegeven in figuur 5.

Figuur 5. Oplaadproces condensator

De figuur laat zien dat de spanning op de condensator toeneemt langs een curve, in de wiskunde de exponent genoemd. De laadstroom weerspiegelt direct de laadspanning. Naarmate de spanning over de condensator stijgt, wordt de laadstroom steeds minder. En alleen op het eerste moment komt overeen met de formule in de figuur.

Na enige tijd zal de condensator worden opgeladen van 0V tot de spanning van de stroombron, in ons circuit tot 4,5V. De hele vraag is, hoe is het tijd om te bepalen hoe lang te wachten, wanneer zal de condensator opladen?

Tau tijdconstante τ = R * C

In deze formule worden de weerstand en capaciteit van een in serie geschakelde weerstand en condensator eenvoudig vermenigvuldigd.Als, zonder het SI-systeem te verwaarlozen, de weerstand in Ohm, de capaciteit in Farads, wordt vervangen, dan is het resultaat in seconden. Het is deze keer dat de condensator tot 36,8% van de spanning van de stroombron moet opladen. Dienovereenkomstig is voor een lading van bijna 100% een tijd van 5 * τ vereist.

Vaak, als het SI-systeem wordt verwaarloosd, wordt de weerstand in Ohm vervangen door de formule en de capaciteit in microfarads, dan wordt de tijd in microseconden. In ons geval is het handiger om het resultaat in seconden te krijgen, waarvoor u eenvoudig de microseconden met een miljoen moet vermenigvuldigen, of, eenvoudiger gezegd, de komma zes tekens naar links kunt verplaatsen.

Voor het circuit weergegeven in figuur 4, met een condensator van 2000 μF en een weerstandsweerstand van 500 Ω, is de tijdconstante τ = R * C = 500 * 2000 = 1.000.000 microseconden of exact één seconde. U zult dus ongeveer 5 seconden moeten wachten totdat de condensator volledig is opgeladen.

Als na de opgegeven tijd de schakelaar SA in de juiste positie wordt gedraaid, wordt de condensator C ontladen via de EL-lamp. Op dit moment zal een korte flits optreden, de condensator ontlaadt en het licht gaat uit. De ontladingsrichting van de condensator wordt aangegeven door een pijl met de index ip. De ontlaadtijd wordt ook bepaald door de tijdconstante τ. De ontladingsgrafiek wordt getoond in figuur 6.

Figuur 6. Ontladingsgrafiek condensator

Condensator laat geen gelijkstroom door

Om deze verklaring te verifiëren, zal een nog eenvoudiger schema, getoond in figuur 7, helpen.

Figuur 7. Circuit met een condensator in het DC-circuit

Als u de schakelaar SA sluit, volgt een korte flits van de lamp, wat aangeeft dat de condensator C via de lamp wordt opgeladen. De laadgrafiek wordt hier ook weergegeven: op het moment dat de schakelaar sluit, is de stroom maximaal, naarmate de condensator oplaadt, neemt deze af en na een tijdje stopt deze volledig.

Als de condensator van goede kwaliteit is, d.w.z. bij een kleine lekstroom (zelfontlading) leidt het herhaaldelijk sluiten van de schakelaar niet tot een flits. Om een ​​nieuwe flits te krijgen, moet de condensator worden ontladen.

Condensator in vermogensfilters

De condensator wordt meestal achter de gelijkrichter geplaatst. Meestal worden gelijkrichters halfgolf gemaakt. De meest voorkomende gelijkrichtercircuits worden getoond in figuur 8.

Figuur 8. Gelijkrichtercircuits

Halve golf gelijkrichters worden in de regel ook vrij vaak gebruikt in gevallen waarin het belastingsvermogen onbeduidend is. De meest waardevolle kwaliteit van dergelijke gelijkrichters is eenvoud: slechts één diode en transformatorwikkeling.

Voor een halfgolfgelijkrichter kan de capaciteit van de filtercondensator worden berekend met de formule

C = 1.000.000 * Po / 2 * U * f * dU, waarbij C de condensator μF is, Po is het belastingsvermogen W, U is de spanning op de gelijkrichteruitgang V, f is de frequentie van de wisselspanning Hz, dU is de rimpelamplitude V.

Een groot aantal in de teller van 1.000.000 converteert de capaciteit van de condensator van systeem Farads naar microfarads. De twee in de noemer vertegenwoordigen het aantal halve perioden van de gelijkrichter: voor een halve golf op zijn plaats, verschijnt een eenheid

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

en voor een driefasige gelijkrichter heeft de formule de vorm C = 1.000.000 * Po / 3 * U * f * dU.

Supercondensator - ionistor

Onlangs is er een nieuwe klasse elektrolytische condensatoren, de zogenaamde ionistor. Qua eigenschappen is het vergelijkbaar met een batterij, maar met verschillende beperkingen.

De ionistor laadt in korte tijd, letterlijk in enkele minuten, op tot de nominale spanning, dus het is raadzaam om deze als back-upstroombron te gebruiken. In feite is de ionistor een niet-polair apparaat, het enige dat zijn polariteit bepaalt, is opladen in de fabriek. Om deze polariteit in de toekomst niet te verwarren, wordt dit aangegeven met het + teken.

Een belangrijke rol wordt gespeeld door de bedrijfsomstandigheden van de ionistoren. Bij een temperatuur van 70 ° C bij een spanning van 0,8 van de nominale gegarandeerde duurzaamheid van niet meer dan 500 uur.Als het apparaat op een spanning van 0,6 van de nominale waarde werkt en de temperatuur niet hoger is dan 40 graden, is een goede werking mogelijk gedurende 40.000 uur of meer.

De meest voorkomende ionistertoepassingen zijn back-upstroombronnen. Dit zijn voornamelijk geheugenchips of elektronische klokken. In dit geval is de belangrijkste parameter van de ionistor een lage lekstroom, zijn zelfontlading.

Veelbelovend is het gebruik van ionistoren in combinatie met zonnepanelen. Het heeft ook invloed op de niet-kritieke toestand van de lading en een bijna onbeperkt aantal laad / ontlaadcycli. Een andere waardevolle eigenschap is dat de ionistor onderhoudsvrij is.

Tot nu toe is gebleken hoe en waar elektrolytische condensatoren werken, en vooral in DC-circuits. De werking van condensatoren in wisselstroomcircuits zal worden beschreven in een ander artikel - Condensatoren voor elektrische AC-installaties.

Boris Aladyshkin 

Postscriptum Een interessante use case voor condensatoren: condensator lassen