Kondensator - Capacitor

Kondensator
Kondensatorer (7189597135) .jpg
Type Passiv
Opfundet Ewald Georg von Kleist , Pieter van Musschenbroek (1745–46, uafhængigt)
Elektronisk symbol
Typer af kondensator.svg

En kondensator er en enhed, der lagrer elektrisk energi i et elektrisk felt . Det er en passiv elektronisk komponent med to terminaler .

Effekten af ​​en kondensator er kendt som kapacitans . Mens der eksisterer en vis kapacitans mellem to elektriske ledere i nærheden af ​​et kredsløb , er en kondensator en komponent designet til at tilføje kapacitans til et kredsløb. Kondensatoren var oprindeligt kendt som en kondensator eller kondensator . Dette navn og dets kendte er stadig meget udbredt på mange sprog , men sjældent på engelsk, en bemærkelsesværdig undtagelse er kondensatormikrofoner , også kaldet kondensatormikrofoner.

Den fysiske form og konstruktion af praktiske kondensatorer varierer meget, og mange typer kondensatorer er i almindelig brug. De fleste kondensatorer indeholder mindst to elektriske ledere ofte i form af metalliske plader eller overflader adskilt af et dielektrisk medium. En leder kan være en folie, tynd film, sintret perle af metal eller en elektrolyt . Det ikke -ledende dielektrikum virker for at øge kondensatorens ladningskapacitet. Materialer, der almindeligvis bruges som dielektrikum, omfatter glas , keramik , plastfilm , papir , glimmer , luft og oxidlag . Kondensatorer bruges i vid udstrækning som dele af elektriske kredsløb i mange almindelige elektriske apparater. I modsætning til en modstand spreder en ideel kondensator ikke energi, selvom kondensatorer i virkeligheden spreder en lille mængde (se Ikke-ideel adfærd ). Når en elektrisk spændingsforskel (en spænding ) påføres på tværs af kondensatorens terminaler, for eksempel når en kondensator er forbundet på tværs af et batteri, udvikler et elektrisk felt sig over dielektrikummet, hvilket får en positiv nettoladning til at samle sig på en plade og netto negativ opkrævning på den anden plade. Ingen strøm strømmer faktisk gennem dielektrikummet. Der er imidlertid en strøm af ladning gennem kildekredsløbet. Hvis tilstanden opretholdes tilstrækkelig lang, ophører strømmen gennem kildekredsløbet. Hvis der påføres en tidsvarierende spænding på tværs af kondensatorens ledninger, oplever kilden en løbende strøm på grund af kondensatorens opladnings- og afladningscyklusser.

De tidligste former for kondensatorer blev oprettet i 1740'erne, da europæiske eksperimenter opdagede, at elektrisk ladning kunne opbevares i vandfyldte glasglas, der blev kendt som Leyden-krukker . I dag bruges kondensatorer i vid udstrækning i elektroniske kredsløb til blokering af jævnstrøm, samtidig med at vekselstrøm kan passere. I analoge filternetværk udglatter de output fra strømforsyninger . I resonanskredsløb indstiller de radioer til bestemte frekvenser . I elektriske kraftoverførselssystemer stabiliserer de spænding og strømning. Ejendommen til energilagring i kondensatorer blev udnyttet som dynamisk hukommelse i tidlige digitale computere og er stadig i moderne DRAM .

Historie

I oktober 1745 fandt Ewald Georg von Kleist fra Pommern , Tyskland, at ladning kunne lagres ved at forbinde en elektrostatisk højspændingsgenerator med en ledning til en mængde vand i en håndholdt glasbeholder. Von Kleists hånd og vandet fungerede som ledere, og krukken som et dielektrikum (selvom detaljer om mekanismen på det tidspunkt var forkert identificeret). Von Kleist fandt ud af, at berøring af ledningen resulterede i en kraftig gnist, meget mere smertefuld end den, der fås fra en elektrostatisk maskine. Året efter opfandt den hollandske fysiker Pieter van Musschenbroek en lignende kondensator, som fik navnet Leyden -krukken , efter universitetet i Leiden, hvor han arbejdede. Han var også imponeret over kraften i det chok, han modtog, og skrev: "Jeg ville ikke tage et andet chok for kongeriget Frankrig."

Daniel Gralath var den første til at kombinere flere krukker parallelt for at øge oplagringskapaciteten. Benjamin Franklin undersøgte Leyden -krukken og kom til den konklusion, at ladningen var opbevaret på glasset, ikke i vandet, som andre havde antaget. Han adopterede også udtrykket "batteri", (betegner forøgelsen af ​​strøm med en række lignende enheder som i et kanonbatteri ), der senere blev anvendt på klynger af elektrokemiske celler . Leyden -krukker blev senere fremstillet ved at belægge indersiden og ydersiden af ​​krukker med metalfolie, hvilket efterlod et mellemrum ved mundingen for at forhindre buet mellem folierne. Den tidligste kapacitansenhed var krukken , svarende til omkring 1,11 nanofarader .

Leyden -krukker eller mere kraftfulde enheder, der anvender flade glasplader skiftevis med folieledere, blev udelukkende brugt frem til omkring 1900, hvor opfindelsen af trådløs ( radio ) skabte et behov for standardkondensatorer, og den konstante flytning til højere frekvenser krævede kondensatorer med lavere induktans . Mere kompakte konstruktionsmetoder begyndte at blive brugt, såsom et fleksibelt dielektrisk ark (som olieret papir), der er klemt mellem metalplader, rullet eller foldet i en lille pakke.

Annonce fra 28. december 1923 -udgaven af The Radio Times til Dubilier -kondensatorer, til brug i trådløse modtagelsessæt

Tidlige kondensatorer blev kendt som kondensatorer , et begreb, der stadig lejlighedsvis bruges i dag, især i applikationer med høj effekt, såsom bilsystemer. Udtrykket blev først brugt til dette formål af Alessandro Volta i 1782 med henvisning til enhedens evne til at lagre en højere densitet af elektrisk ladning, end det var muligt med en isoleret leder. Udtrykket blev forældet på grund af den tvetydige betydning af dampkondensator , hvor kondensator blev det anbefalede udtryk fra 1926.

Siden begyndelsen af ​​undersøgelsen af elektricitet er ikke -ledende materialer som glas , porcelæn , papir og glimmer blevet brugt som isolatorer . Disse materialer nogle årtier senere var også velegnede til videre brug som dielektrikum for de første kondensatorer. Papirkondensatorer fremstillet ved at sandwich en strimmel imprægneret papir mellem metalstrimler og rulle resultatet ind i en cylinder blev almindeligt anvendt i slutningen af ​​det 19. århundrede; deres fremstilling startede i 1876, og de blev brugt fra begyndelsen af ​​det 20. århundrede som afkoblingskondensatorer i telekommunikation (telefoni).

Porcelæn blev brugt i de første keramiske kondensatorer . I de tidlige år af Marconis trådløse transmitterapparater blev porcelænskondensatorer brugt til højspændings- og højfrekvent applikation i transmitterne . På modtagersiden blev der brugt mindre glimmer kondensatorer til resonanskredsløb. Glimmer dielektriske kondensatorer blev opfundet i 1909 af William Dubilier. Før anden verdenskrig var glimmer det mest almindelige dielektrikum for kondensatorer i USA.

Charles Pollak (født Karol Pollak ), opfinderen af ​​de første elektrolytkondensatorer , fandt ud af, at oxidlaget på en aluminiumanode forblev stabilt i en neutral eller alkalisk elektrolyt , selv når strømmen blev slukket. I 1896 fik han amerikansk patent nr. 672.913 for en "elektrisk væskekondensator med aluminiumelektroder". Massive elektrolyt- tantalkondensatorer blev opfundet af Bell Laboratories i begyndelsen af ​​1950'erne som en miniaturiseret og mere pålidelig lavspændingskondensator for at supplere deres nyligt opfundne transistor .

Med udviklingen af ​​plastmaterialer af organiske kemikere under Anden Verdenskrig begyndte kondensatorindustrien at erstatte papir med tyndere polymerfilm. Et meget tidlige udvikling i film kondensatorer blev beskrevet i britisk patent 587.953 i 1944.

Elektriske dobbeltlagskondensatorer (nu superkapacitorer ) blev opfundet i 1957, da H. Becker udviklede en "lavspændingselektrolytkondensator med porøse kulelektroder". Han mente, at energien blev lagret som en ladning i de carbonporer, der blev brugt i hans kondensator, som i porerne i de ætsede folier af elektrolytiske kondensatorer. Fordi dobbeltlagsmekanismen ikke var kendt af ham på det tidspunkt, skrev han i patentet: "Det vides ikke præcis, hvad der sker i komponenten, hvis den bruges til energilagring, men det fører til en ekstremt høj kapacitet. "

Den metal-oxid-halvleder kondensator ( MOS kondensatoren ) stammer fra den metal-oxid-halvleder felt-effekt transistor (MOSFET) struktur, hvor MOS kondensatoren er flankeret af to doterede områder. MOSFET-strukturen blev opfundet af Mohamed M. Atalla og Dawon KahngBell Labs i 1959. MOS-kondensatoren blev senere bredt vedtaget som en lagerkondensator i hukommelseschips og som den grundlæggende byggesten i den ladningskoblede enhed (CCD) i billedsensor teknologi. I dynamisk random access-hukommelse ( DRAM ) består hver hukommelsescelle typisk af en MOSFET- og MOS-kondensator.

Teori om drift

Oversigt

Opladningsadskillelse i en parallelpladekondensator forårsager et internt elektrisk felt. Et dielektrikum (orange) reducerer feltet og øger kapacitansen.
En enkel demonstrationskondensator lavet af to parallelle metalplader, der bruger et luftspalte som dielektrikum.

En kondensator består af to ledere adskilt af et ikke-ledende område. Det ikke-ledende område kan enten være et vakuum eller et elektrisk isoleringsmateriale kendt som et dielektrikum . Eksempler på dielektriske medier er glas, luft, papir, plast, keramik og endda et halvlederudtømningsområde , der er kemisk identisk med lederne. Fra Coulombs lov vil en ladning på den ene leder udøve en kraft på ladningsbærerne i den anden leder, tiltrække modsat polaritetsladning og frastøde som polaritetsladninger, således vil en modsat polaritetsladning induceres på overfladen af ​​den anden leder. Lederne holder således lige store og modsatte ladninger på deres modstående overflader, og dielektrikummet udvikler et elektrisk felt.

En ideel kondensator er kendetegnet ved en konstant kapacitans C , i farads i SI -systemet af enheder, defineret som forholdet mellem den positive eller negative ladning Q på hver leder til spændingen V mellem dem:

En kapacitans af en Farad (F) betyder, at en coulomb beregning på hver leder forårsager en spænding på én volt tværs indretningen. Fordi lederne (eller pladerne) er tæt på hinanden, tiltrækker de modsatte ladninger på lederne hinanden på grund af deres elektriske felter, så kondensatoren kan lagre mere ladning for en given spænding, end når lederne er adskilt, hvilket giver en større kapacitans.

I praktiske enheder påvirker ladningsopbygning nogle gange kondensatoren mekanisk, hvilket får dens kapacitans til at variere. I dette tilfælde er kapacitans defineret i form af trinvise ændringer:

Hydraulisk analogi

I den hydrauliske analogi er en kondensator analog med en gummimembran forseglet inde i et rør-denne animation illustrerer en membran, der gentagne gange strækkes og ikke strækkes af vandstrømmen, hvilket er analogt med en kondensator, der gentagne gange oplades og udledes af strømmen gratis

I den hydrauliske analogi er ladningsbærere, der strømmer gennem en ledning, analoge med vand, der strømmer gennem et rør. En kondensator er som en gummimembran forseglet inde i et rør. Vandmolekyler kan ikke passere gennem membranen, men noget vand kan bevæge sig ved at strække membranen. Analogien tydeliggør et par aspekter af kondensatorer:

  • De nuværende ændrer den charge på en kondensator , ligesom vandstrømmen ændrer position af membranen. Mere specifikt er effekten af ​​en elektrisk strøm at øge ladningen af ​​den ene plade af kondensatoren og reducere ladningen af ​​den anden plade med en lige stor mængde. Dette er ligesom når vandstrømmen bevæger gummimembranen, øger den mængden af ​​vand på den ene side af membranen og reducerer mængden af ​​vand på den anden side.
  • Jo mere en kondensator oplades, jo større er dets spændingsfald ; dvs. jo mere det "skubber tilbage" mod ladestrømmen. Dette er analogt med, at jo mere en membran strækkes, jo mere skubber den tilbage på vandet.
  • Opladning kan strømme "gennem" en kondensator, selvom ingen individuel elektron kan komme fra den ene side til den anden. Dette er analogt med vand, der strømmer gennem røret, selvom intet vandmolekyle kan passere gennem gummimembranen. Strømmen kan ikke fortsætte i samme retning for evigt; kondensatoren oplever dielektrisk nedbrydning , og analogt vil membranen i sidste ende gå i stykker.
  • Den kapacitans beskriver, hvor meget ladning kan lagres på en plade af en kondensator for et givet "push" (spændingsfald). En meget elastisk, fleksibel membran svarer til en højere kapacitans end en stiv membran.
  • En opladet kondensator lagrer potentiel energi , analogt med en strakt membran.

Circuit ækvivalens ved kort tids- og lang tidsgrænse

I et kredsløb kan en kondensator opføre sig forskelligt på forskellige tidspunkter. Det er dog normalt let at tænke på kort- og langfrist:

  • I den lange tidsgrænse, efter at opladnings-/afladningsstrømmen har mættet kondensatoren, ville der ikke komme nogen strøm ind i (eller komme ud af) begge sider af kondensatoren; Derfor er kondensatorens ækvivalens i lang tid et åbent kredsløb.
  • I korttidsgrænsen, hvis kondensatoren starter med en bestemt spænding V, da spændingsfaldet på kondensatoren er kendt i øjeblikket, kan vi erstatte det med en ideel spændingskilde til spænding V. Specifikt, hvis V = 0 ( kondensator er uladet), er korttidens ækvivalens af en kondensator en kortslutning.

Parallel-plade kondensator

Parallel plade kondensator model består af to ledende plader, hver af område A , adskilt af et hul med tykkelse d indeholdende et dielektrikum.

Den enkleste model af en kondensator består af to tynde parallelle ledende plader, hver med et område adskilt af et ensartet tykkelsesgab fyldt med et dielektrikum med permittivitet . Det antages, at afstanden er meget mindre end pladernes dimensioner. Denne model gælder godt for mange praktiske kondensatorer, der er konstrueret af metalplader adskilt af et tyndt lag isolerende dielektrikum, da producenter forsøger at holde dielektriket meget ensartet i tykkelse for at undgå tynde pletter, der kan forårsage svigt i kondensatoren.

Da adskillelsen mellem pladerne er ensartet over pladeområdet, er det elektriske felt mellem pladerne konstant og rettet vinkelret på pladeoverfladen, undtagen et område nær pladernes kanter, hvor feltet falder, fordi de elektriske feltlinjer " bule "ud af kondensatorens sider. Dette "frynsefelt" -område er omtrent samme bredde som pladeseparationen, og forudsat at det er lille i forhold til pladedimensionerne, er det lille nok til at blive ignoreret. Hvis der derfor placeres en ladning på den ene plade og på den anden plade (situationen for ujævnt ladede plader diskuteres nedenfor), spredes ladningen på hver plade jævnt i et overfladeladningslag med coulombs med konstant ladningstæthed pr. Kvadratmeter , på indersiden af ​​hver plade. Fra Gauss lov er størrelsen af ​​det elektriske felt mellem pladerne . Spændingen (forskellen) mellem pladerne er defineret som linjeintegralet af det elektriske felt over en linje (i z-retningen) fra en plade til en anden

Kapacitansen er defineret som . Substituerer ovenstående i denne ligning

Derfor opnås den højeste kapacitans i en kondensator med et dielektrisk materiale med høj permittivitet , stort pladeareal og lille adskillelse mellem pladerne.

Da pladernes areal øges med kvadratet af de lineære dimensioner og adskillelsen øges lineært, skaleres kapacitansen med den lineære dimension af en kondensator ( ) eller som volumenens terningrod.

En parallel pladekondensator kan kun lagre en begrænset mængde energi, før der opstår dielektrisk nedbrydning . Kondensatoren dielektriske materiale har en dielektrisk styrke U d som indstiller kondensator sammenbrud spændingV  = V bd = U d d . Den maksimale energi, som kondensatoren kan lagre, er derfor

Den maksimale energi er en funktion af dielektrisk volumen, permittivitet og dielektrisk styrke . Ændring af pladeområdet og adskillelsen mellem pladerne med bibeholdelse af samme volumen medfører ingen ændring af den maksimale mængde energi, som kondensatoren kan lagre, så længe afstanden mellem pladerne forbliver meget mindre end både pladernes længde og bredde. Desuden antager disse ligninger, at det elektriske felt er helt koncentreret i dielektrikummet mellem pladerne. I virkeligheden er der randfelter uden for dielektrikummet, for eksempel mellem siderne af kondensatorpladerne, hvilket øger kondensatorens effektive kapacitans. Dette kaldes undertiden parasitisk kapacitans . For nogle simple kondensatorgeometrier kan denne ekstra kapacitansbetegnelse beregnes analytisk. Det bliver ubetydeligt lille, når forholdene mellem pladebredde og adskillelse og længde til adskillelse er store.

For ujævnt ladede plader:

  • Hvis den ene plade bliver ladet med, mens den anden er ladet med , og hvis begge plader er adskilt fra andre materialer i miljøet, vil den inderste overflade af den første plade have , og den indvendige overflade af den anden belægning vil have ladning. Derfor er spændingen mellem pladerne . Bemærk, at den ydre overflade af begge plader vil have , men disse ladninger påvirker ikke spændingen mellem pladerne.
  • Hvis den ene plade er ladet med, mens den anden er ladet med , og hvis den anden plade er forbundet med jorden, så vil den indre plades indre overflade have , og den anden overflades indre overflade vil have . Derfor er spændingen mellem pladerne . Bemærk, at den ydre overflade af begge plader vil have nul ladning.

Indflettet kondensator

Den sammenflettede kondensator kan ses som en kombination af flere parallelt forbundne kondensatorer.

For antallet af plader i en kondensator ville den samlede kapacitans være

hvor er kapacitansen for en enkelt plade og er antallet af sammenflettede plader.

Som vist på figuren til højre kan de sammenflettede plader ses som parallelle plader forbundet med hinanden. Hvert par tilstødende plader fungerer som en separat kondensator; antallet af par er altid et mindre end antallet af plader, derfor multiplikatoren.

Energi lagret i en kondensator

For at øge afgiften og spænding på en kondensator, arbejde skal udføres af en ekstern strømkilde til at flytte ansvaret fra den negative til den positive plade mod den modsatte kraft af det elektriske felt. Hvis spændingen på kondensatoren er , er det arbejde, der kræves for at flytte et lille tilskud af ladning fra den negative til den positive plade . Energien lagres i det øgede elektriske felt mellem pladerne. Den samlede energi lagret i en kondensator (udtrykt i joule ) er lig med det samlede arbejde, der er udført for at etablere det elektriske felt fra en uladet tilstand.

hvor er ladningen lagret i kondensatoren, er spændingen over kondensatoren og er kapacitansen. Denne potentielle energi vil forblive i kondensatoren, indtil ladningen er fjernet. Hvis ladning får lov til at bevæge sig tilbage fra den positive til den negative plade, for eksempel ved at forbinde et kredsløb med modstand mellem pladerne, vil ladningen, der bevæger sig under påvirkning af det elektriske felt, udføre arbejde på det eksterne kredsløb.

Hvis mellemrummet mellem kondensatorpladerne er konstant, som i parallelplademodellen ovenfor, vil det elektriske felt mellem pladerne være ensartet (forsømme frynsefelter) og vil have en konstant værdi . I dette tilfælde kan den lagrede energi beregnes ud fra det elektriske feltstyrke

Den sidste formel ovenfor er lig med energitætheden pr. Volumenhed i det elektriske felt ganget med feltmængden mellem pladerne, hvilket bekræfter, at energien i kondensatoren er lagret i dets elektriske felt.

Strøm -spændingsforhold

Strømmen I ( t ) gennem en hvilken som helst komponent i et elektrisk kredsløb er defineret som strømningshastigheden for en ladning Q ( t ), der passerer gennem den, men faktiske ladninger - elektroner - kan ikke passere gennem det dielektriske lag af en kondensator. Snarere akkumuleres en elektron på den negative plade for hver, der forlader den positive plade, hvilket resulterer i en elektronudtømning og deraf følgende positiv ladning på den ene elektrode, der er lig og modsat den akkumulerede negative ladning på den anden. Således er ladningen på elektroderne lig med integralen af strømmen såvel som proportional med spændingen, som diskuteret ovenfor. Som med ethvert antiderivativt middel tilføjes en integrationskonstant for at repræsentere den oprindelige spænding V ( t 0 ). Dette er den integrerede form af kondensatorligningen:

Hvis man tager derivatet heraf og multiplicerer med C , får man en derivatform:

for C uafhængig af tid, spænding og elektrisk ladning.

Den dobbelte af kondensatoren er den spole , som lagrer energi i en magnetfelt snarere end et elektrisk felt. Dens strømspændingskarakteristik forhold opnås ved at udveksle strøm og spænding i kondensatoren ligninger og erstatte C med induktansen  L .

DC -kredsløb

Et simpelt modstand-kondensator kredsløb viser opladning af en kondensator.

Et seriekredsløb, der kun indeholder en modstand , en kondensator, en switch og en konstant DC -spændingskilde V 0 er kendt som et opladningskredsløb . Hvis kondensatoren i første omgang er afladet, mens kontakten er åben, og kontakten er lukket ved t = 0 , følger det af Kirchhoffs spændingslov, at

At tage derivatet og multiplicere med C , giver en førsteordens differentialligning :

Ved t = 0 er spændingen over kondensatoren nul, og spændingen over modstanden er V 0 . Startstrømmen er derefter I (0) = V 0 / R . Med denne antagelse giver løsning af differentialligningen udbytter

hvor τ 0  = RC, systemets tidskonstant . Når kondensatoren når ligevægt med kildespændingen, henfalder spændingerne over modstanden og strømmen gennem hele kredsløbet eksponentielt . I tilfælde af en afladningskondensator erstatter kondensatorens startspænding (V Ci ) V 0 . Ligningerne bliver

AC kredsløb

Impedans , vektorsummen af reaktans og modstand , beskriver faseforskellen og forholdet mellem amplituder mellem sinusformet varierende spænding og sinusformet varierende strøm ved en given frekvens. Fourier-analyse tillader enhver signal, der skal konstrueres af et spektrum af frekvenser, hvorfra kredsløbet reaktion på de forskellige frekvenser kan findes. Reaktansen og impedansen af ​​en kondensator er henholdsvis

hvor j er den imaginære enhed og ω er det sinusformede signals vinkelfrekvens . - j -fasen angiver, at AC -spændingen V  = ZI halter vekselstrømmen med 90 °: den positive strømfase svarer til stigende spænding, når kondensatoren oplades; nulstrøm svarer til øjeblikkelig konstant spænding osv.

Impedans falder med stigende kapacitans og stigende frekvens. Dette indebærer, at et signal med højere frekvens eller en større kondensator resulterer i en lavere spændingsamplitude pr. Strømamplitude-en AC "kortslutning" eller vekselstrømskobling . Omvendt for meget lave frekvenser er reaktansen høj, så en kondensator er næsten et åbent kredsløb i AC -analyse - disse frekvenser er blevet "filtreret fra".

Kondensatorer adskiller sig fra modstande og induktorer ved, at impedansen er omvendt proportional med den definerende egenskab; dvs. kapacitans .

En kondensator forbundet til en sinusformet spændingskilde får en forskydningsstrøm til at strømme gennem den. I tilfælde af at spændingskilden er V 0 cos (ωt), kan forskydningsstrømmen udtrykkes som:

Ved sin (ωt) = -1 har kondensatoren en maksimal (eller spids) strøm, hvorved I 0 = ωCV 0 . Forholdet mellem spids spænding og spids strøm skyldes kapacitiv reaktans (betegnet X C ).

X C nærmer sig nul, da ω nærmer sig uendeligt. Hvis X C nærmer sig 0, ligner kondensatoren en kort ledning, der stærkt passerer strøm ved høje frekvenser. X C nærmer sig uendeligt, når ω nærmer sig nul. Hvis X C nærmer sig uendeligt, ligner kondensatoren et åbent kredsløb, der dårligt passerer lave frekvenser.

Kondensatorens strøm kan udtrykkes i form af cosinusser for bedre at sammenligne med spændingen i kilden:

I denne situation er strømmen ude af fase med spændingen med +π/2 radianer eller +90 grader, dvs. strømmen fører spændingen med 90 °.

Laplace kredsløbsanalyse (s-domæne)

Når du bruger Laplace -transformen i kredsløbsanalyse, repræsenteres impedansen af ​​en ideel kondensator uden startladning i s -domænet ved:

hvor

  • C er kapacitansen og
  • s er den komplekse frekvens.

Kredsløbsanalyse

Til kondensatorer parallelt
Flere kondensatorer parallelt
Illustration af den parallelle tilslutning af to kondensatorer
Kondensatorer i en parallel konfiguration har hver den samme spænding. Deres kapacitanser tilføjer. Afgiften fordeles mellem dem efter størrelse. Ved hjælp af det skematiske diagram til at visualisere parallelle plader er det tydeligt, at hver kondensator bidrager til det samlede overfladeareal.
Til kondensatorer i serie
Flere kondensatorer i serie
Illustration af den serielle forbindelse af to kondensatorer
Serieforbundet viser det skematiske diagram, at adskillelsesafstanden, ikke pladeområdet, tilføjer. Kondensatorerne lagrer hver øjeblikkelig opladning, der er lig med alle andre kondensatorer i serien. Den samlede spændingsforskel fra ende til ende fordeles til hver kondensator i henhold til dens omvendte kapacitans. Hele serien fungerer som en kondensator mindre end nogen af ​​dens komponenter.
Kondensatorer kombineres i serie for at opnå en højere arbejdsspænding, for eksempel til udjævning af en højspændingsforsyning. Spændingsværdierne, der er baseret på pladeseparation, optages, hvis kapacitans og lækstrømme for hver kondensator er identiske. I en sådan applikation er der lejlighedsvis seriestrenge forbundet parallelt og danner en matrix. Målet er at maksimere energilagringen i netværket uden at overbelaste nogen kondensator. For højenergilagring med kondensatorer i serie skal der tages nogle sikkerhedshensyn for at sikre, at den ene kondensator svigter, og lækstrøm ikke påfører for meget spænding til de andre seriekondensatorer.
Serieforbindelse bruges også nogle gange til at tilpasse polariserede elektrolytkondensatorer til bipolar AC -brug.
Spændingsfordeling i parallel-til-serie netværk.
For at modellere fordelingen af ​​spændinger fra en enkelt ladet kondensator forbundet parallelt med en kæde af kondensatorer i serie  :
Bemærk: Dette er kun korrekt, hvis alle kapacitansværdier er ens.
Den overførte effekt i dette arrangement er:

Ikke-ideel adfærd

Rigtige kondensatorer afviger fra den ideelle kondensatorligning på en række måder. Nogle af disse, såsom lækstrøm og parasitære effekter er lineære eller kan analyseres som næsten lineære og kan håndteres ved at tilføje virtuelle komponenter til det tilsvarende kredsløb for en ideel kondensator. De sædvanlige metoder til netværksanalyse kan derefter anvendes. I andre tilfælde, f.eks. Med nedbrydningsspænding, er effekten ikke-lineær og almindelig (normal, f.eks. Lineær) netværksanalyse kan ikke bruges, effekten skal behandles separat. Der er endnu en gruppe, som kan være lineær, men ugyldiggør antagelsen i analysen om, at kapacitans er en konstant. Et sådant eksempel er temperaturafhængighed. Endelig kan kombinerede parasitære effekter såsom iboende induktans, modstand eller dielektriske tab udvise uensartet adfærd ved variable driftsfrekvenser.

Nedbrydningsspænding

Over en bestemt elektrisk feltstyrke, kendt som den dielektriske styrke E ds , bliver dielektrikum i en kondensator ledende. Spændingen, ved hvilken dette sker, kaldes enhedens nedbrydningsspænding og er givet ved produktet af den dielektriske styrke og adskillelsen mellem lederne,

Den maksimale energi, der kan lagres sikkert i en kondensator, er begrænset af nedbrydningsspændingen. På grund af skalering af kapacitans og nedbrydningsspænding med dielektrisk tykkelse har alle kondensatorer fremstillet med et bestemt dielektrikum omtrent samme maksimale energitæthed , i det omfang dielektrikum dominerer deres volumen.

For luft dielektriske kondensatorer er nedbrydningsfeltstyrken af ​​størrelsesordenen 2-5 MV/m (eller kV/mm); for glimmer er nedbrydningen 100–300 MV/m; for olie, 15–25 MV/m; det kan være meget mindre, når andre materialer bruges til dielektrikum. Dielektrikumet bruges i meget tynde lag, og derfor er absolut nedbrydningsspænding for kondensatorer begrænset. Typiske klassifikationer for kondensatorer, der bruges til generelle elektronikapplikationer , spænder fra et par volt til 1 kV. Når spændingen stiger, skal dielektrikummet være tykkere, hvilket gør højspændingskondensatorer større pr. Kapacitans end dem, der er vurderet til lavere spændinger.

Nedbrydningsspændingen påvirkes kritisk af faktorer som f.eks. Geometrien af ​​kondensatorledende dele; skarpe kanter eller punkter øger det elektriske feltstyrke på det tidspunkt og kan føre til et lokalt sammenbrud. Når dette begynder at ske, går nedbrydningen hurtigt gennem dielektrikumet, indtil det når den modsatte plade, efterlader kulstof og forårsager en kort (eller relativt lav modstand) kredsløb. Resultaterne kan være eksplosive, da kortslutningen i kondensatoren trækker strøm fra det omgivende kredsløb og spilder energien. I kondensatorer med særlig dielektrikum og tynde metalelektroder dannes der imidlertid ikke shorts efter nedbrydning. Det sker, fordi et metal smelter eller fordamper i et sammenbrudsområde og isolerer det fra resten af ​​kondensatoren.

Den sædvanlige nedbrydningsrute er, at feltstyrken bliver stor nok til at trække elektroner i dielektrikummet fra deres atomer og dermed forårsage ledning. Andre scenarier er mulige, såsom urenheder i dielektrikummet, og hvis dielektrikummet er af krystallinsk karakter, kan ufuldkommenheder i krystalstrukturen resultere i en lavine-nedbrydning set i halvlederindretninger. Nedbrydningsspænding påvirkes også af tryk, fugtighed og temperatur.

Ækvivalent kredsløb

To forskellige kredsløbsmodeller af en rigtig kondensator

En ideel kondensator gemmer og frigiver kun elektrisk energi uden at aflede nogen. I virkeligheden har alle kondensatorer ufuldkommenheder i kondensatorens materiale, der skaber modstand. Dette er specificeret som den tilsvarende seriemodstand eller ESR for en komponent. Dette tilføjer en reel komponent til impedansen:

Når frekvensen nærmer sig uendeligt, nærmer den kapacitive impedans (eller reaktans) sig nul, og ESR bliver signifikant. Efterhånden som reaktansen bliver ubetydelig, nærmer effekttab P RMS = V RMS 2 / R ESR .

På samme måde som ESR tilføjer kondensatorens elektroder tilsvarende serieinduktans eller ESL til komponenten. Dette er normalt kun signifikant ved relativt høje frekvenser. Da induktiv reaktans er positiv og stiger med frekvensen, annulleres en bestemt frekvens over en bestemt frekvens ved induktans. Højfrekvent teknik involverer regnskab for induktansen af ​​alle forbindelser og komponenter.

Hvis lederne adskilles af et materiale med en lille ledningsevne frem for et perfekt dielektrikum, strømmer der en lille lækstrøm direkte mellem dem. Kondensatoren har derfor en endelig parallel modstand og aflades langsomt over tid (tiden kan variere meget afhængigt af kondensatorens materiale og kvalitet).

Q faktor

Den kvalitetsfaktoren (eller Q ) af en kondensator er forholdet mellem dens reaktans dens modstand ved en given frekvens, og er et mål for dens effektivitet. Jo højere kondensatorens Q -faktor er, jo tættere nærmer den sig en adfærd for en ideel kondensator.

Q -faktoren for en kondensator kan findes ved hjælp af følgende formel:

hvor er vinkelfrekvens , er kapacitans, er kapacitiv reaktans , og er kondensatorens ækvivalente seriemodstand (ESR).

Rippelstrøm

Krusningsstrøm er vekselstrømskomponenten i en anvendt kilde (ofte en switch-mode strømforsyning ), hvis frekvens kan være konstant eller varierende. Rippelstrøm får varme til at blive genereret i kondensatoren på grund af de dielektriske tab forårsaget af den ændrede feltstyrke sammen med strømmen over de let resistive forsyningsledninger eller elektrolytten i kondensatoren. Den ækvivalente seriemodstand (ESR) er mængden af ​​intern seriemodstand, man ville tilføje til en perfekt kondensator til at modellere dette.

Nogle typer af kondensatorer , primært tantal og aluminium elektrolytkondensatorer , samt nogle film kondensatorer har en specificeret vurdering værdi for maksimal krusning strøm.

  • Tantalelektrolytkondensatorer med fast mangandioxidelektrolyt er begrænset af krusningsstrøm og har generelt de højeste ESR -værdier i kondensatorfamilien. Overskridelse af deres krusninger kan føre til shorts og brændende dele.
  • Elektrolytkondensatorer i aluminium, den mest almindelige elektrolytiske type, lider af en forkortelse af levetiden ved højere krusningsstrømme. Hvis krusningsstrøm overstiger kondensatorens nominelle værdi, har det en tendens til at resultere i eksplosiv fejl.
  • Keramiske kondensatorer har generelt ingen krusningsstrømbegrænsning og har nogle af de laveste ESR -vurderinger.
  • Filmkondensatorer har meget lave ESR -værdier, men overskridelse af nominel krusningsstrøm kan forårsage nedbrydningsfejl.

Kapacitans ustabilitet

Kapacitansen for visse kondensatorer falder, når komponenten ældes. I keramiske kondensatorer skyldes dette nedbrydning af dielektrikummet. Typen dielektrisk, omgivende drifts- og opbevaringstemperaturer er de mest betydningsfulde ældningsfaktorer, mens driftsspændingen normalt har en mindre effekt, dvs. sædvanlig kondensatordesign er at minimere spændingskoefficienten. Ældningsprocessen kan vendes ved at opvarme komponenten over Curie -punktet . Aldring er hurtigst nær komponentens begyndelse, og enheden stabiliseres over tid. Elektrolytkondensatorer ældes, når elektrolytten fordamper . I modsætning til keramiske kondensatorer sker dette i slutningen af ​​komponentens levetid.

Temperaturafhængighed af kapacitans udtrykkes normalt i dele pr. Million (ppm) pr. C. Det kan normalt tages som en stort set lineær funktion, men kan være mærkbart ikke-lineær ved ekstreme temperaturer. Temperaturkoefficienten kan være enten positiv eller negativ, nogle gange endda blandt forskellige prøver af samme type. Med andre ord kan spredningen i intervallet for temperaturkoefficienter omfatte nul.

Kondensatorer, især keramiske kondensatorer, og ældre designs som papirkondensatorer, kan absorbere lydbølger, hvilket resulterer i en mikrofoneffekt . Vibration flytter pladerne, hvilket får kapacitansen til at variere, hvilket igen inducerer vekselstrøm. Nogle dielektrikere genererer også piezoelektricitet . Den resulterende interferens er især problematisk i lydapplikationer, hvilket potentielt kan forårsage feedback eller utilsigtet optagelse. I den omvendte mikrofoniske effekt udøver det varierende elektriske felt mellem kondensatorpladerne en fysisk kraft, der bevæger dem som en højttaler. Dette kan generere hørbar lyd, men dræner energi og belaster dielektrikum og eventuel elektrolyt.

Strøm og spændingsomvendelse

Nuværende vending opstår, når strømmen ændrer retning. Spændingsomvendelse er ændringen af ​​polaritet i et kredsløb. Omvendelse beskrives generelt som procentdelen af ​​den maksimale nominelle spænding, der vender polariteten. I jævnstrømskredsløb er dette normalt mindre end 100%, ofte i området 0 til 90%, hvorimod vekselstrømskredse oplever 100%vending.

I DC -kredsløb og pulserede kredsløb påvirkes strøm og spændingsomvendelse af systemets dæmpning . Spændingsomvendelse forekommer i RLC -kredsløb, der er dæmpet . Strømmen og spændingen omvendt retning, der danner en harmonisk oscillator mellem induktansen og kapacitansen. Strømmen og spændingen har en tendens til at svinge og kan vende retning flere gange, hvor hver top er lavere end den foregående, indtil systemet når en ligevægt. Dette kaldes ofte ringetoner . Til sammenligning oplever kritisk dæmpede eller overdæmpede systemer normalt ikke en spændingsomvendelse. Tilbagefald findes også i vekselstrømskredsløb, hvor spidsstrømmen er ens i hver retning.

For maksimal levetid skal kondensatorer normalt være i stand til at håndtere den maksimale mængde vending, som et system kan opleve. Et vekselstrømskredsløb oplever 100% spændingsomvendelse, mens underdæmpede jævnstrømskredse oplever mindre end 100%. Omvendt skaber overskydende elektriske felter i dielektrikum, forårsager overophedning af både dielektrikum og ledere og kan dramatisk forkorte levetiden for kondensatoren. Tilbageføringsværdier påvirker ofte designovervejelserne for kondensatoren, fra valg af dielektriske materialer og spændingsværdier til de typer interne forbindelser, der bruges.

Dielektrisk absorption

Kondensatorer fremstillet med enhver type dielektrisk materiale viser et vist niveau af " dielektrisk absorption " eller "gennemblødning". Ved afladning af en kondensator og afbrydelse af den kan den efter kort tid udvikle en spænding på grund af hysterese i dielektrikummet. Denne virkning er stødende i applikationer såsom præcisionsprøve- og holdkredsløb eller timingkredsløb. Absorptionsniveauet afhænger af mange faktorer, fra designovervejelser til ladetid, da absorptionen er en tidsafhængig proces. Den primære faktor er imidlertid typen af ​​dielektrisk materiale. Kondensatorer såsom tantalelektrolytisk eller polysulfonfilm udviser relativt høj absorption, mens polystyren eller teflon tillader meget små absorptionsniveauer. I nogle kondensatorer, hvor der findes farlige spændinger og energier, f.eks. I flashrør , fjernsyn og defibrillatorer , kan den dielektriske absorption genoplade kondensatoren til farlige spændinger, efter at den er blevet kortsluttet eller afladet. Enhver kondensator indeholdende over 10 joule energi betragtes generelt som farlig, mens 50 joule eller højere er potentielt dødelig. En kondensator kan genvinde alt fra 0,01 til 20% af sin oprindelige opladning over en periode på flere minutter, så en tilsyneladende sikker kondensator kan blive overraskende farlig.

Lækage

Lækage svarer til en modstand parallelt med kondensatoren. Konstant eksponering for varme kan forårsage dielektrisk nedbrydning og overdreven lækage, et problem, der ofte ses i ældre vakuumrørkredsløb, især hvor der blev brugt olieret papir og foliekondensatorer. I mange vakuumrørkredsløb bruges mellemstegskoblingskondensatorer til at lede et varierende signal fra pladen på et rør til netkredsløbet i det næste trin. En utæt kondensator kan forårsage, at netkredsspændingen stiger fra dens normale bias -indstilling, hvilket forårsager overdreven strøm eller signalforvrængning i nedstrømsrøret. I effektforstærkere kan dette få pladerne til at lyse rødt, eller strømbegrænsende modstande overophedes, endda mislykkes. Lignende overvejelser gælder for komponentfremstillede solid-state (transistor) forstærkere, men på grund af lavere varmeproduktion og brugen af ​​moderne polyester dielektriske barrierer er dette engang almindelige problem blevet relativt sjældent.

Elektrolytisk svigt ved brug

Elektrolytkondensatorer er betinget når fremstillet ved at påføre en spænding tilstrækkelig til at initiere den korrekte indre kemiske tilstand. Denne tilstand opretholdes ved regelmæssig brug af udstyret. Hvis et system, der bruger elektrolytkondensatorer, ikke skal bruges i en længere periode, kan det miste sin konditionering . Nogle gange fejler de med en kortslutning, når de bruges næste gang.

Levetid

Alle kondensatorer har forskellige levetider afhængigt af deres konstruktion, driftsbetingelser og miljøforhold. Solid-state keramiske kondensatorer har generelt meget lange levetider ved normal brug, hvilket ikke er meget afhængig af faktorer som vibrationer eller omgivende temperatur, men faktorer som fugtighed, mekanisk belastning og træthed spiller en primær rolle i deres fejl. Fejltilstande kan variere. Nogle kondensatorer kan opleve et gradvist tab af kapacitans, øget lækage eller en stigning i ækvivalent seriemodstand (ESR), mens andre kan mislykkes pludselig eller endda katastrofalt . For eksempel er metal-film kondensatorer mere tilbøjelige til at beskadige fra stress og fugtighed, men vil helbrede sig selv, når der opstår et nedbrud i dielektrikummet. Dannelsen af en glimudladning ved punktet for svigt forhindrer buedannelse ved fordampning metalfilmen på det sted, neutralisering enhver kortslutning med minimalt tab i kapacitans. Når der samler sig nok huller i filmen, opstår der en total fejl i en metalfilmkondensator, der normalt sker pludselig uden advarsel.

Elektrolytkondensatorer har generelt den korteste levetid. Elektrolytkondensatorer påvirkes meget lidt af vibrationer eller fugtighed, men faktorer som omgivende og driftstemperaturer spiller en stor rolle i deres fejl, der gradvist opstår som en stigning i ESR (op til 300%) og så meget som et 20% fald i kapacitans. Kondensatorerne indeholder elektrolytter, som til sidst vil diffundere gennem tætningerne og fordampe. En stigning i temperaturen øger også det indre tryk og øger kemikaliernes reaktionshastighed. Således er levetiden for en elektrolytisk kondensator generelt defineret ved en ændring af Arrhenius-ligningen , som bruges til at bestemme kemiske reaktionshastigheder:

Fabrikanter bruger ofte denne ligning til at levere en forventet levetid, i timer, til elektrolytiske kondensatorer, når de bruges ved deres konstruerede driftstemperatur, som påvirkes af både omgivelsestemperatur, ESR og krusningsstrøm. Imidlertid eksisterer disse ideelle betingelser muligvis ikke ved enhver brug. Tommelfingerreglen for forudsigelse af levetid under forskellige brugsbetingelser bestemmes af:

Dette siger, at kondensatorens levetid falder med det halve for hver 10 grader Celsius, at temperaturen øges, hvor:

  • er den nominelle levetid under nominelle forhold, f.eks. 2000 timer
  • er den nominelle maks/min driftstemperatur
  • er den gennemsnitlige driftstemperatur
  • er den forventede levetid under givne forhold

Kondensator typer

Praktiske kondensatorer fås kommercielt i mange forskellige former. Typen af ​​indre dielektrikum, pladernes struktur og enhedens emballage påvirker alle stærkt kondensatorens egenskaber og dens anvendelser.

Tilgængelige værdier spænder fra meget lavt (picofarad -område; selvom vilkårligt lave værdier i princippet er mulige, er afvigende (parasitisk) kapacitans i ethvert kredsløb den begrænsende faktor) til ca. 5 kF superkapacitorer .

Over ca. 1 mikrofarad elektrolytiske kondensatorer bruges normalt på grund af deres lille størrelse og lave pris sammenlignet med andre typer, medmindre deres relativt dårlige stabilitet, liv og polariserede natur gør dem uegnede. Superkapacitorer med meget høj kapacitet bruger et porøst carbonbaseret elektrodemateriale.

Dielektriske materialer

Kondensator materialer. Fra venstre: flerlags keramik, keramisk skive, flerlags polyesterfilm, rørformet keramik, polystyren, metaliseret polyesterfilm, elektrolytisk aluminium. Store skalainddelinger er i centimeter.

De fleste kondensatorer har et dielektrisk afstandsstykke, hvilket øger deres kapacitans i forhold til luft eller et vakuum. For at maksimere ladningen, som en kondensator kan holde, skal det dielektriske materiale have en så høj permittivitet som muligt, samtidig med at den har en så høj nedbrydningsspænding som muligt. Den dielektriske skal også have et så lavt tab med frekvens som muligt.

Imidlertid fås kondensatorer med lav værdi med et vakuum mellem deres plader for at tillade ekstrem højspændingsdrift og lave tab. Variable kondensatorer med deres plader åbne til atmosfæren blev almindeligvis brugt i radiostemningskredsløb. Senere designs anvender polymer -foliedielektrisk mellem de bevægelige og stationære plader, uden noget betydeligt luftrum mellem pladerne.

Flere faste dielektrikere er tilgængelige, herunder papir , plast , glas , glimmer og keramik .

Papir blev brugt i vid udstrækning i ældre kondensatorer og tilbyder relativt høj spændingsydelse. Men papir absorberer fugt, og er stort set blevet erstattet af plastic film kondensatorer .

De fleste plastfilm, der nu bruges, tilbyder bedre stabilitet og ældningsevne end sådanne ældre dielektrikke som olieret papir, hvilket gør dem nyttige i timerkredsløb, selvom de kan være begrænset til relativt lave driftstemperaturer og frekvenser på grund af plastikkens begrænsninger film der bruges. Store plastfilmskondensatorer bruges i vid udstrækning i undertrykkelseskredsløb, motorstartkredsløb og effektfaktorkorrektionskredsløb .

Keramiske kondensatorer er generelt små, billige og nyttige til højfrekvente applikationer, selvom deres kapacitans varierer meget med spænding og temperatur, og de ældes dårligt. De kan også lide under den piezoelektriske effekt. Keramiske kondensatorer er stort set kategoriseret som klasse 1 dielektrikke , som har forudsigelig variation i kapacitans med temperatur eller klasse 2 dielektrik , som kan fungere ved højere spænding. Moderne keramik i flere lag er normalt ret lille, men nogle typer har iboende store værditolerancer, mikrofonproblemer og er normalt fysisk sprøde.

Glas- og glimmerkondensatorer er ekstremt pålidelige, stabile og tolerante over for høje temperaturer og spændinger, men er for dyre til de fleste almindelige applikationer.

Elektrolytkondensatorer og superkapacitorer bruges til at lagre henholdsvis små og større mængder energi, keramiske kondensatorer bruges ofte i resonatorer , og parasitisk kapacitans forekommer i kredsløb, hvor den enkle leder-isolator-lederstruktur utilsigtet dannes af konfigurationen af ​​kredsløbets layout .

Tre elektrolytiske kondensatorer i aluminium med varierende kapacitet.

Elektrolytkondensatorer bruger en aluminium- eller tantalplade med et oxid -dielektrisk lag. Den anden elektrode er en flydende elektrolyt , der er forbundet til kredsløbet med en anden folieplade. Elektrolytkondensatorer tilbyder meget høj kapacitans, men lider af dårlige tolerancer, høj ustabilitet, gradvist tab af kapacitans, især når de udsættes for varme og høj lækstrøm. Kondensatorer af dårlig kvalitet kan lække elektrolyt, hvilket er skadeligt for printkort. Elektrolytens ledningsevne falder ved lave temperaturer, hvilket øger ækvivalent seriemodstand. Selvom de er meget udbredt til strømforsyningskonditionering, gør dårlige højfrekvente egenskaber dem uegnede til mange applikationer. Elektrolytkondensatorer lider af selvnedbrydning, hvis de ikke bruges i en periode (ca. et år), og når fuld strøm tilsluttes, kan det kortslutte, permanent beskadige kondensatoren og normalt blæse en sikring eller forårsage fejl i ensretterdioder. For eksempel kan det i ældre udstyr forårsage lysbue i ensretterrør. De kan gendannes før brug ved gradvist at anvende driftsspændingen, der ofte udføres på antikt vakuumrørudstyr over en periode på tredive minutter ved hjælp af en variabel transformer til at levere vekselstrøm. Anvendelsen af ​​denne teknik kan være mindre tilfredsstillende for noget solid state -udstyr, som kan blive beskadiget ved drift under dets normale effektområde, hvilket kræver, at strømforsyningen først isoleres fra forbrugskredsløbene. Sådanne midler er muligvis ikke gældende for moderne højfrekvente strømforsyninger, da disse producerer fuld udgangsspænding, selv med reduceret input.

Tantalkondensatorer tilbyder bedre frekvens- og temperaturegenskaber end aluminium, men højere dielektrisk absorption og lækage.

Polymerkondensatorer (OS-CON, OC-CON, KO, AO) bruger fast ledende polymer (eller polymeriseret organisk halvleder) som elektrolyt og tilbyder længere levetid og lavere ESR til højere omkostninger end standard elektrolytiske kondensatorer.

En gennemføringskondensator er en komponent, der, selvom den ikke tjener som hovedanvendelse, har kapacitans og bruges til at lede signaler gennem et ledende ark.

Flere andre kondensatorer er tilgængelige til specialiserede applikationer. Superkapacitorer gemmer store mængder energi. Superkondensatorer fremstillet af carbon -aerogel , carbon -nanorør eller meget porøse elektrode -materialer tilbyder ekstremt høj kapacitans (op til 5 kF fra 2010) og kan bruges i nogle applikationer i stedet for genopladelige batterier . Vekselstrømskondensatorer er specielt designet til at arbejde på vekselstrømskredsløb (net). De bruges almindeligvis i elektriske motor kredsløb og er ofte designet til at håndtere store strømme, så de har en tendens til at være fysisk store. De er normalt robust pakket, ofte i metalkasser, der let kan jordes/jordes. De er også designet med jævnstrømsnedbrydningsspændinger på mindst fem gange den maksimale AC -spænding.

Spændingsafhængige kondensatorer

Den dielektriske konstant for en række meget nyttige dielektrikke ændres som en funktion af det anvendte elektriske felt, for eksempel ferroelektriske materialer, så kapacitansen for disse enheder er mere kompleks. For eksempel ved opladning af en sådan kondensator styres differentialforøgelsen i spænding med ladning af:

hvor spændingsafhængigheden af ​​kapacitans, C ( V ), tyder på, at kapacitansen er en funktion af den elektriske feltstyrke, som i et stort område parallel pladeindretning er givet ved ε = V/d . Dette felt polariserer dielektrikumet, som polarisering, i tilfælde af et ferroelektrisk, er en ikke -lineær S -formet funktion af det elektriske felt, som i tilfælde af en stor parallelpladeindretning oversætter til en kapacitans, der er en ikke -lineær funktion af spændingen.

Svarende til den spændingsafhængige kapacitans for at oplade kondensatoren til spænding V findes en integreret relation:

hvilket stemmer med Q = CV , når C ikke afhænge af spændingen V .

På samme måde er energien gemt i kondensatoren nu givet af

Integrering:

hvor udveksling af integrationsrækkefølgen bruges.

Den ikke -lineære kapacitans af en mikroskopprobe, der er scannet langs en ferroelektrisk overflade, bruges til at studere domæneopbygningen af ​​ferroelektriske materialer.

Et andet eksempel på spændingsafhængige kapacitans forekommer i halvlederindretninger såsom halvleder dioder , hvor spændingen afhængighed stammer ikke fra en ændring i dielektricitetskonstant men i en spænding afhængighed af afstanden mellem ladningerne på de to sider af kondensatoren. Denne effekt udnyttes forsætligt i diodelignende enheder kendt som varicaps .

Frekvensafhængige kondensatorer

Hvis en kondensator drives med en tidsvarierende spænding, der ændres hurtigt nok, kan dielektrisk polarisering ikke følge spændingen ved en eller anden frekvens. Som et eksempel på oprindelsen til denne mekanisme kan de interne mikroskopiske dipoler, der bidrager til den dielektriske konstant, ikke bevæge sig øjeblikkeligt, og da frekvensen af ​​en påført vekslende spænding stiger, er dipolresponsen begrænset, og den dielektriske konstant reduceres. En skiftende dielektrisk konstant med frekvens kaldes dielektrisk dispersion og styres af dielektriske afslapningsprocesser , såsom Debye -afslapning . Under forbigående forhold kan forskydningsfeltet udtrykkes som (se elektrisk modtagelighed ):

hvilket angiver forsinkelsen i respons med tidsafhængigheden af ε r , beregnet i princippet ud fra en underliggende mikroskopisk analyse, for eksempel af dipoladfærden i dielektrikummet. Se for eksempel lineær responsfunktion . Integralet strækker sig over hele tidligere historie op til nutiden. En Fourier -transformation i tid resulterer derefter i:

hvor ε r ( ω ) nu er en kompleks funktion med en imaginær del relateret til absorption af energi fra feltet af mediet. Se tilladelse . Kapacitansen, der er proportional med den dielektriske konstant, udviser også denne frekvensadfærd. Fourier forvandler Gauss lov med denne form for forskydningsfelt:

hvor j er den imaginære enhed , V ( ω ) er spændingskomponenten ved vinkelfrekvens ω , G ( ω ) er den reelle del af strømmen, kaldet konduktans , og C ( ω ) bestemmer den imaginære del af strømmen og er den kapacitans . Z ( ω ) er den komplekse impedans.

Når en parallelplade-kondensator er fyldt med et dielektrikum, er målingen af ​​mediets dielektriske egenskaber baseret på forholdet:

hvor en enkelt prim betegner den reelle del og en dobbelt prime den imaginære del, Z ( ω ) er den komplekse impedans med den dielektriske tilstedeværelse, C cmplx ( ω ) er den såkaldte komplekse kapacitans med den dielektriske nuværende, og C 0 er kapacitansen uden dielektrikum. (Måling "uden dielektrikum" betyder i princippet måling i det frie rum , et uopnåeligt mål, for selv at kvantevakuumet forudsiges at udvise ikke -ideel adfærd, såsom dikroisme . Når det er hensigtsmæssigt at tage højde for målefejl, er det ofte en måling i terrestrisk vakuum, eller blot en beregning af C 0 , er tilstrækkelig præcis.)

Ved hjælp af denne målemetode kan den dielektriske konstant udvise en resonans ved visse frekvenser, der svarer til karakteristiske responsfrekvenser (excitationsenergier) af bidragydere til den dielektriske konstant. Disse resonanser er grundlaget for en række eksperimentelle teknikker til påvisning af defekter. Den konduktansmetode foranstaltninger absorption som funktion af frekvensen. Alternativt kan kapacitansens tidsrespons bruges direkte som ved transient spektroskopidybt niveau .

Et andet eksempel på frekvensafhængig kapacitans forekommer med MOS -kondensatorer , hvor den langsomme generation af minoritetsbærere betyder, at kapacitansen ved høje frekvenser kun måler majoritetsbærerens respons, mens ved lave frekvenser begge typer bærere reagerer.

Ved optiske frekvenser udviser den dielektriske konstant i halvledere struktur relateret til båndstrukturen af ​​det faste stof. Sofistikeret moduleringsspektroskopi målemetoder baseret på modulering af krystalstrukturen ved tryk eller andre belastninger og iagttagelse af de relaterede ændringer i absorption eller refleksion af lys har avanceret vores viden om disse materialer.

Stilarter

Kondensatorpakker: SMD -keramik øverst til venstre; SMD tantal nederst til venstre; gennemgående hul tantal øverst til højre; elektrolytisk gennemgående hul nederst til højre. Større skalainddelinger er cm.

Arrangementet af plader og dielektrikum har mange variationer i forskellige stilarter afhængigt af kondensatorens ønskede klassifikationer. Ved små værdier af kapacitans (mikrofarader og mindre) bruger keramiske diske metalliske belægninger, hvor ledninger er bundet til belægningen. Større værdier kan laves af flere stakke plader og diske. Kondensatorer med større værdi bruger normalt et metalfolie eller metalfilmlag, der er aflejret på overfladen af ​​en dielektrisk film til fremstilling af pladerne, og en dielektrisk film af imprægneret papir eller plast - disse rulles op for at spare plads. For at reducere seriemodstanden og induktansen for lange plader forskydes pladerne og dielektrikumet, så der foretages forbindelse ved den sammenkædede kant af de sammenrullede plader, ikke i enderne af folien eller metaliserede filmstrimler, der omfatter pladerne.

Samlingen er indkapslet for at forhindre fugt i at komme ind i dielektrikummet - tidligt radioudstyr brugte et paprør forseglet med voks. Moderne papir eller film dielektriske kondensatorer dyppes i en hård termoplast. Store kondensatorer til højspændingsbrug kan have rulleformen komprimeret til at passe ind i et rektangulært metalhus med boltede terminaler og bøsninger til forbindelser. Dielektrikummet i større kondensatorer er ofte imprægneret med en væske for at forbedre dets egenskaber.

Flere aksial-bly elektrolytiske kondensatorer

Kondensatorer kan have deres forbindelsesledninger arrangeret i mange konfigurationer, for eksempel aksialt eller radielt. "Axial" betyder, at ledningerne er på en fælles akse, typisk aksen for kondensatorens cylindriske legeme - lederne strækker sig fra modsatte ender. Radiale ledninger er sjældent justeret langs radier i kroppens cirkel, så udtrykket er konventionelt. Ledningerne (indtil de er bøjede) er normalt i plan parallelle med kondensatorens flade legeme og strækker sig i samme retning; de er ofte parallelle som fremstillede.

Små, billige diskoide keramiske kondensatorer har eksisteret fra 1930'erne og fremefter og er fortsat i udbredt brug. Efter 1980'erne har overflademonteringspakker til kondensatorer været meget udbredt. Disse pakker er ekstremt små og mangler forbindelsesledninger, så de kan loddes direkte på overfladen af printkort . Overflademonterede komponenter undgår uønskede højfrekvente effekter på grund af ledningerne og forenkler automatisk montering, selvom manuel håndtering er vanskelig på grund af deres lille størrelse.

Mekanisk styrede variable kondensatorer gør det muligt at justere pladeafstanden, f.eks. Ved at rotere eller glide et sæt bevægelige plader i overensstemmelse med et sæt stationære plader. Billige variable kondensatorer klemmer sammen skiftevis lag af aluminium og plast med en skrue . Elektrisk styring af kapacitans kan opnås med varactors (eller varicaps), som er omvendt-forudindtaget halvlederdioder, hvis udbredelsesområdebredde varierer med påført spænding. De bruges blandt andet i faselåste sløjfer .

Kondensator markeringer

De fleste kondensatorer har betegnelser trykt på deres kroppe for at angive deres elektriske egenskaber. Større kondensatorer, såsom elektrolytiske typer, viser normalt kapacitansen som værdi med eksplicit enhed, for eksempel 220 μF . Mindre kondensatorer, såsom keramiske typer, bruger en stenografi-notation bestående af tre cifre og et bogstav, hvor cifrene ( XYZ ) angiver kapacitansen i picofarad (pF), beregnet som XY × 10 Z , og bogstavet angiver tolerancen. Almindelige tolerancer er ± 5%, ± 10%og ± 20%, betegner henholdsvis J, K og M.

En kondensator kan også mærkes med dens arbejdsspænding, temperatur og andre relevante egenskaber.

Af typografiske årsager udskriver nogle producenter MF på kondensatorer for at angive mikrofarader (μF).

Eksempel

En kondensator mærket eller betegnet som 473K 330V har en kapacitans på 47 × 10 3  pF = 47 nF (± 10%) med en maksimal arbejdsspænding på 330 V. Arbejdsspændingen for en kondensator er nominelt den højeste spænding, der må påføres det uden unødig risiko for at nedbryde det dielektriske lag.

RKM -kode

Notationen til at angive en kondensators værdi i et kredsløbsdiagram varierer. Den RKM kode efter IEC 60062 og BS 1852 undgår at bruge deres decimaltegn og erstatter den decimaladskiller med SI-præfiks symbol for den særlig værdi (og bogstavet F for vægt 1). Eksempel: 4n7 for 4,7 nF eller 2F2 for 2,2 F.

Historisk

I tekster før 1960'erne og på nogle kondensatorpakker indtil for nylig blev forældede kapacitansenheder brugt i elektroniske bøger, blade og elektroniske kataloger. De gamle enheder "mfd" og "mf" betød mikrofarad (μF); og de gamle enheder "mmfd", "mmf", "uuf", "μμf", "pfd" betød picofarad (pF); men de bruges sjældent mere. "Micromicrofarad" eller "micro-microfarad" er også forældede enheder, der findes i nogle ældre tekster, der svarer til picofarad (pF).

Resumé af forældede kapacitansenheder: (variationer i store/små bogstaver vises ikke)

  • μF (microfarad) = mf, mfd
  • pF (picofarad) = mmf, mmfd, pfd, μμF

Ansøgninger

Denne mylarfilm, oliefyldte kondensator har meget lav induktans og lav modstand, for at levere den høje effekt (70 megawatt) og høj hastighed (1,2 mikrosekund) afladning, der er nødvendig for at betjene en farvelaser .

Energilagring

En kondensator kan lagre elektrisk energi, når den er afbrudt fra dets opladningskredsløb, så den kan bruges som et midlertidigt batteri eller som andre former for genopladeligt energilagringssystem . Kondensatorer bruges normalt i elektroniske enheder til at opretholde strømforsyningen, mens batterierne udskiftes. (Dette forhindrer tab af information i flygtig hukommelse.)

En kondensator kan lette omdannelse af ladede partiklers kinetiske energi til elektrisk energi og gemme den.

Konventionelle kondensatorer leverer mindre end 360 joule pr. Kg specifik energi , hvorimod et konventionelt alkalisk batteri har en densitet på 590 kJ/kg. Der er en mellemløsning: Superkapacitorer , som kan acceptere og levere opladning meget hurtigere end batterier, og tåle mange flere opladnings- og afladningscyklusser end genopladelige batterier. De er dog 10 gange større end konventionelle batterier for en given opladning. På den anden side er det blevet vist, at ladningsmængden, der er lagret i det dielektriske lag af tyndfilmskondensatoren, kan være lig med eller endda kunne overstige mængden af ​​ladning, der er lagret på dens plader.

I bil audio -systemer, store kondensatorer lagre energi for forstærkeren til brug på efterspørgslen. Også til et flashrør bruges en kondensator til at holde højspændingen .

Digital hukommelse

I 1930'erne anvendte John Atanasoff princippet om energilagring i kondensatorer for at konstruere dynamiske digitale hukommelser til de første binære computere, der brugte elektronrør til logik.

Pulserende magt og våben

Grupper af store specialkonstruerede lavinduktans højspændingskondensatorer ( kondensatorbanker ) bruges til at levere enorme strømpulser til mange pulserede strømapplikationer . Disse omfatter elektromagnetisk formning , Marx -generatorer , pulserende lasere (især TEA -lasere ), pulsdannende netværk , radar , fusionsforskning og partikelacceleratorer .

Store kondensatorbanker (reservoir) bruges som energikilder til detonatorer til eksploderende browire eller slapper detonatorer i atomvåben og andre specialvåben. Eksperimentelt arbejde er i gang ved hjælp af banker af kondensatorer som strømkilder til elektromagnetisk rustning og elektromagnetiske railguns og coilguns .

Power condition

En 10.000  mikrofarad kondensator i en forstærker strømforsyning

Reservoirkondensatorer bruges i strømforsyninger, hvor de udjævner output fra en hel- eller halvbølge -ensretter . De kan også bruges i ladningspumpekredsløb som energilagringselement ved generering af højere spændinger end indgangsspændingen.

Kondensatorer er forbundet parallelt med strømkredsløbene i de fleste elektroniske enheder og større systemer (f.eks. Fabrikker) for at shunt væk og skjule strømudsving fra den primære strømkilde for at give en "ren" strømforsyning til signal- eller styrekredsløb. Lydudstyr, for eksempel, bruger flere kondensatorer på denne måde til at skubbe væk fra strømlinjen, før det kommer ind i signalkredsløbet. Kondensatorerne fungerer som en lokal reserve for DC -strømkilden og omgår AC -strømme fra strømforsyningen. Dette bruges i billydapplikationer, når en afstivende kondensator kompenserer for ledningernes induktans og modstand mod blybatteriet i bilbatteriet .

Effektfaktorkorrektion

En højspændingskondensatorbank, der bruges til effektfaktorkorrektion på et kraftoverførselssystem

I elektrisk strømfordeling bruges kondensatorer til effektfaktorkorrektion . Sådanne kondensatorer kommer ofte som tre kondensatorer forbundet som en trefaset belastning . Normalt er værdierne for disse kondensatorer ikke angivet i farads, men snarere som en reaktiv effekt i volt-ampere reaktive (var). Formålet er at modvirke induktiv belastning fra enheder som elektriske motorer og transmissionsledninger for at få belastningen til at se ud til at være mest modstandsdygtig. Individuelle motor eller lampebelastninger kan have kondensatorer til power-faktor korrektion, eller større sæt kondensatorer (sædvanligvis med automatiske koblingsudstyr) kan installeres ved en belastning center inden for en bygning eller i en stor nytte understation .

Undertrykkelse og kobling

Signalkobling

Polyester film kondensatorer anvendes hyppigt som kobling kondensatorer.

Fordi kondensatorer passerer AC, men blokerer DC -signaler (når de oplades op til den påførte DC -spænding), bruges de ofte til at adskille AC- og DC -komponenterne i et signal. Denne metode er kendt som vekselstrømskobling eller "kapacitiv kobling". Her anvendes en stor kapacitansværdi, hvis værdi ikke behøver at styres nøjagtigt, men hvis reaktans er lille ved signalfrekvensen.

Afkobling

En afkoblingskondensator er en kondensator, der bruges til at beskytte en del af et kredsløb mod virkningen af ​​en anden, for eksempel til at undertrykke støj eller transienter. Støj forårsaget af andre kredsløbselementer shuntes gennem kondensatoren, hvilket reducerer den effekt, de har på resten af ​​kredsløbet. Det bruges mest mellem strømforsyningen og jorden. Et alternativt navn er bypass -kondensator, da den bruges til at omgå strømforsyningen eller en anden højimpedans -komponent i et kredsløb.

Afkoblingskondensatorer behøver ikke altid at være diskrete komponenter. Kondensatorer, der bruges i disse applikationer, kan indbygges i et printkort mellem de forskellige lag. Disse omtales ofte som indlejrede kondensatorer. Lagene i brættet, der bidrager til de kapacitive egenskaber, fungerer også som kraft- og jordplan og har et dielektrikum imellem dem, så de kan fungere som en parallel pladekondensator.

Højpas- og lavpasfiltre

Støjdæmpning, pigge og snubbers

Når et induktivt kredsløb åbnes, kollapser strømmen gennem induktansen hurtigt, hvilket skaber en stor spænding over kontakten eller relæets åbne kredsløb. Hvis induktansen er stor nok, kan energien generere en gnist, der får kontaktpunkterne til at oxidere, forringes eller undertiden svejses sammen eller ødelægge en solid-state switch. En snubberkondensator på tværs af det nyåbnede kredsløb skaber en vej for denne impuls til at omgå kontaktpunkterne og derved bevare deres liv; disse blev f.eks. almindeligvis fundet i kontaktafbryderens tændingssystemer . På samme måde er gnisten i mindre kredsløb muligvis ikke nok til at beskadige kontakten, men kan stadig udstråle uønsket radiofrekvensinterferens (RFI), som en filterkondensator absorberer. Snubberkondensatorer bruges normalt med en modstand med lav værdi i serie for at sprede energi og minimere RFI. Sådanne modstand-kondensatorkombinationer fås i en enkelt pakke.

Kondensatorer er også anvendes parallelt med afbryde enheder af en høj spænding afbryder til ligeligt at fordele spændingen mellem disse enheder. Disse kaldes "graderingskondensatorer".

I skematiske diagrammer tegnes en kondensator, der primært bruges til opladning af jævnstrøm, ofte lodret i kredsløbsdiagrammer med den nederste, mere negative, plade tegnet som en bue. Den lige plade angiver enhedens positive terminal, hvis den er polariseret (se elektrolytkondensator ).

Motorstartere

I enfasede egernburmotorer er den primære vikling i motorhuset ikke i stand til at starte en rotationsbevægelse på rotoren, men er i stand til at opretholde en. For at starte motoren har en sekundær "start" -vikling en serie ikke-polariseret startkondensator til at indføre en ledning i den sinusformede strøm. Når den sekundære (start) vikling placeres i en vinkel i forhold til den primære (løb) vikling, oprettes et roterende elektrisk felt. Rotationsfeltets kraft er ikke konstant, men er tilstrækkelig til at starte rotoren. Når rotoren kommer tæt på driftshastighed, afbryder en centrifugalkontakt (eller strømfølsom relæ i serie med hovedviklingen) kondensatoren. Startkondensatoren er typisk monteret på siden af ​​motorhuset. Disse kaldes kondensatorstartmotorer, der har et relativt højt startmoment. Typisk kan de have op til fire gange så meget startmoment end en splitfasemotor og bruges til applikationer såsom kompressorer, højtryksrensere og enhver lille enhed, der kræver høje startmomenter.

Kondensatorstyrede induktionsmotorer har en permanent tilsluttet faseskiftende kondensator i serie med en anden vikling. Motoren ligner meget en tofaset induktionsmotor.

Motorstartkondensatorer er typisk upolariserede elektrolytiske typer, mens kondensatorer er konventionelle dielektriske papir- eller plastfilmtyper.

Signalbehandling

Energien lagret i en kondensator kan bruges til at repræsentere information , enten i binær form, som i DRAM'er eller i analog form, som i analoge filtre og CCD'er . Kondensatorer kan bruges i analoge kredsløb som komponenter i integratorer eller mere komplekse filtre og i negativ feedback loop -stabilisering. Signalbehandlingskredsløb bruger også kondensatorer til at integrere et strømsignal.

Afstemte kredsløb

Kondensatorer og induktorer anvendes sammen i afstemte kredsløb for at vælge information i bestemte frekvensbånd. For eksempel er radiomodtagere afhængige af variable kondensatorer for at indstille stationsfrekvensen. Højttalere bruger passive analoge crossovers , og analoge equalizere bruger kondensatorer til at vælge forskellige lydbånd.

Den resonansfrekvens f af et afstemt kredsløb er en funktion af induktansen ( L ) og kapacitans ( C ) i serie, og er givet ved:

hvor L er i henries og C er i farads.

Sensing

De fleste kondensatorer er designet til at opretholde en fast fysisk struktur. Imidlertid kan forskellige faktorer ændre kondensatorens struktur, og den resulterende ændring i kapacitans kan bruges til at registrere disse faktorer.

Ændring af dielektrikum:

Virkningerne af at variere egenskaberne ved dielektrikumet kan bruges til detekteringsformål. Kondensatorer med et udsat og porøst dielektrikum kan bruges til at måle luftfugtighed. Kondensatorer bruges til nøjagtigt at måle brændstofniveauet i fly ; da brændstoffet dækker mere af et par plader, øges kredsløbets kapacitans. Klemning af dielektrikummet kan ændre en kondensator ved et par snes barstryk tilstrækkeligt til, at den kan bruges som en trykføler. En udvalgt, men ellers standard, polymer dielektrisk kondensator, når den er nedsænket i en kompatibel gas eller væske, kan fungere nyttig som en meget lav omkostningstryksensor op til mange hundrede bar.

Ændring af afstanden mellem pladerne:

Kondensatorer med en fleksibel plade kan bruges til at måle belastning eller tryk. Industrielle tryktransmittere, der bruges til processtyring, bruger trykfølende membraner, der danner en kondensatorplade i et oscillatorkredsløb. Kondensatorer bruges som sensor i kondensatormikrofoner , hvor den ene plade bevæges af lufttryk i forhold til den anden plades faste position. Nogle accelerometre bruger MEMS -kondensatorer ætset på en chip for at måle størrelsen og retningen af ​​accelerationsvektoren. De bruges til at registrere ændringer i acceleration, i hældningssensorer eller til at opdage frit fald, som sensorer, der udløser udløsning af airbag og i mange andre applikationer. Nogle fingeraftrykssensorer bruger kondensatorer. Derudover kan en bruger justere tonehøjden for et theremin -musikinstrument ved at bevæge hånden, da dette ændrer den effektive kapacitans mellem brugerens hånd og antennen.

Ændring af pladernes effektive areal:

Kapacitive berøringsafbrydere bruges nu på mange forbrugerelektroniske produkter.

Oscillatorer

Eksempel på en simpel oscillator med en kondensator

En kondensator kan besidde fjederlignende kvaliteter i et oscillatorkredsløb. I billedeksemplet virker en kondensator for at påvirke forspændingen ved npn -transistorens base. Modstandsværdierne for spændingsdelermodstandene og kondensatorens kapacitansværdi styrer tilsammen den oscillerende frekvens.

Producerer lys

En lysemitterende kondensator er fremstillet af et dielektrikum, der bruger phosphorescens til at producere lys. Hvis en af ​​de ledende plader er lavet med et gennemsigtigt materiale, er lyset synligt. Lysemitterende kondensatorer bruges til konstruktion af elektroluminescerende paneler til applikationer såsom baggrundsbelysning til bærbare computere. I dette tilfælde er hele panelet en kondensator, der bruges til at generere lys.

Farer og sikkerhed

Farerne ved en kondensator bestemmes normalt først og fremmest af mængden af ​​energi, der er lagret, hvilket er årsag til ting som elektriske forbrændinger eller hjerteflimmer . Faktorer som spænding og chassismateriale er af sekundær betydning, som mere er relateret til, hvor let et stød kan initieres frem for hvor meget skade der kan opstå. Under visse forhold, herunder overfladernes ledningsevne, allerede eksisterende medicinske tilstande, luftens fugtighed eller de veje, den tager gennem kroppen (dvs. stød, der bevæger sig over kroppens kerne og især hjertet er farligere end dem begrænset til ekstremiteterne), er det rapporteret om stød så lave som en joule at forårsage død, selvom de i de fleste tilfælde ikke engang efterlader en forbrænding. Stød over ti joule vil generelt skade huden og betragtes normalt som farligt. Enhver kondensator, der kan lagre 50 joule eller mere, bør betragtes som potentielt dødelig.

Kondensatorer kan beholde en ladning længe efter at strømmen er fjernet fra et kredsløb; denne opladning kan forårsage farlige eller endda potentielt dødelige stød eller beskadige tilsluttet udstyr. For eksempel har selv en tilsyneladende uskadelig enhed, såsom en engangskamera-flashenhed, drevet af et 1,5 volt AA-batteri , en kondensator, der kan indeholde over 15 joule energi og kan oplades til over 300 volt. Dette er let i stand til at levere et stød. Serviceprocedurer for elektroniske enheder inkluderer normalt instruktioner om afladning af store eller højspændte kondensatorer, f.eks. Ved hjælp af en Brinkley-stick . Kondensatorer kan også have indbyggede afladningsmodstande til at sprede lagret energi til et sikkert niveau inden for få sekunder efter, at strømmen er fjernet. Højspændingskondensatorer lagres med terminalerne kortsluttet , som beskyttelse mod potentielt farlige spændinger på grund af dielektrisk absorption eller fra forbigående spændinger kan kondensatoren opfange fra statiske ladninger eller forbigående vejrhændelser.

Nogle gamle, store oliefyldte papir- eller plastfilmkondensatorer indeholder polychlorerede biphenyler (PCB'er). Det vides, at PCB -affald kan lække i grundvand under lossepladser . Kondensatorer indeholdende PCB blev mærket som indeholdende "Askarel" og flere andre handelsnavne. PCB-fyldte papirkondensatorer findes i meget gamle (før 1975) lysstofrør- forkoblinger og andre applikationer.

Kondensatorer kan katastrofalt mislykkes, når de udsættes for spændinger eller strømme ud over deres rating, eller når de når deres normale levetid. Dielektriske eller metalforbindelsesfejl kan skabe lysbue, der fordamper den dielektriske væske, hvilket kan resultere i udbuling, brud eller endda en eksplosion . Kondensatorer, der bruges i RF eller vedvarende applikationer med høj strøm, kan overophedes, især i midten af ​​kondensatorrullerne. Kondensatorer, der bruges inden for højenergikondensatorbanker, kan eksplodere voldsomt, når en kort i en kondensator forårsager pludselig dumpning af energi, der er lagret i resten af ​​banken, i den fejlende enhed. Højspændingsvakuumkondensatorer kan generere bløde røntgenstråler selv under normal drift. Korrekt inddæmning, smeltning og forebyggende vedligeholdelse kan hjælpe med at minimere disse farer.

Højspændingskondensatorer kan have fordel af en forudopladning for at begrænse hastestrømme ved opstart af højspændings jævnstrøm (HVDC) kredsløb. Dette forlænger komponentens levetid og kan afbøde farer ved højspænding.

Se også

Referencer

Bibliografi

Yderligere læsning

  • Tantal- og niobiumbaserede kondensatorer-videnskab, teknologi og applikationer ; 1. udgave; Yuri Freeman; Springer; 120 sider; 2018; ISBN  978-3319678696 .
  • Kondensatorer ; 1. udgave; RPD eshpande; McGraw-Hill; 342 sider; 2014; ISBN  978-0071848565 .
  • Kondensatorhåndbogen ; 1. udgave; Cletus Kaiser; Van Nostrand Reinhold; 124 sider; 1993; ISBN  978-9401180924 .
  • Forståelse af kondensatorer og deres anvendelse ; 1. udgave; William Mullin; Sams Forlag; 96 sider; 1964. (arkiv)
  • Faste og variable kondensatorer ; 1. udgave; GWA Dummer og Harold Nordenberg; Maple Press; 288 sider; 1960. (arkiv)
  • Den elektrolytiske kondensator ; 1. udgave; Alexander Georgiev; Murray Hill bøger; 191 sider; 1945. (arkiv)

eksterne links