Entdecken Sie die entscheidende Rolle von Kondensatoren in elektronischen Schaltkreisen: Erfahren Sie mehr über ihre Varianten, Anwendungen und Bedeutung im Energiemanagement.
Kondensator - Definitionen & Übersicht
Der Kondensator ist eines der wichtigsten passiven Geräte, das elektrische Energie speichern kann. Es ist ein Gerät mit zwei Anschlüssen. Kapazität ist als die Wirkung des Kondensators bekannt.
Alte Kondensatorformen wurden im Jahr 1704 innoviert. Ein europäisches Experiment entdeckte damals, dass elektrische Ladung in einem wassergefüllten Glas reserviert werden kann. Später im Jahr 1745 stellte Ewald Georg aus Deutschland fest, dass in Reihe geschaltete elektrostatische Hochspannungsgeneratoren die Menge speichern können. Bisher waren Kondensatoren als Kondensatoren oder Kondensatoren bekannt. Alessandro Volta prägte den Begriff 1782. Der Begriff Kondensator entstand 1926.
Es gibt viele Arten von Kondensatoren. Die Kondensatoren haben mindestens zwei Leiter in Form einer metallischen flachen Oberfläche, die durch dielektrische Materialien getrennt sind. Der Leiter kann ein Elektrolyt, eine Folie, ein Dünnfilm usw. sein. Der Nichtleiter ist die dielektrische Substanz, wodurch die Ladekapazität des Kondensators erhöht wird. Materialien wie Luft, Kunststofffolie, Papier, Glimmer, Keramik werden als Dielektrikum für den Kondensator verwendet.
Wenn an den Anschlüssen eines Kondensators eine externe Spannung angelegt wird, wird ein elektrisches Feld über dem dielektrischen Material erzeugt. Somit wird eine positive Ladung auf einer Platte gesammelt und eine negative Menge wird auf einer anderen Skala gesammelt. Kondensatoren werden in fast allen elektrischen und elektronischen Schaltkreisen verwendet. Der Unterschied zwischen einem Widerstand und einem Kondensator besteht darin, dass ein Widerstand Energie abführt, während ein idealer Kondensator dies nicht tut.
Theorie der Arbeitsweise
Wie bereits erwähnt, weist ein Kondensator zwei Leiter auf, die durch ein dielektrisches Medium getrennt sind. Ein Kondensator arbeitet nach dem Prinzip des Coulombschen Gesetzes. Coulombs Gesetz besagt, dass -
Somit erzeugt eine Ladung auf einem Leiter die Kraft auf den Träger des anderen Leiters, die Ladungen mit entgegengesetzter Polarität weiter anzieht und dieselbe Art von Ladungen kräuselt. Auf diese Weise wird eine Ladung entgegengesetzter Polarität auf der Oberfläche des anderen Leiters induziert.
Beide Leiter halten die gleiche Menge an Ladungen und das dielektrische Material entwickelt das elektrische Feld.
Kapazität und Kapazitätseinheiten:
Die Kapazität eines Standardkondensators ist definiert als das Verhältnis der Ladung zum Leiter zur Spannung der Leiter.
C = Q / V.
C ist die Kapazität, Q ist die Ladung auf der Oberfläche jedes Leiters und V ist die Spannung zwischen zwei Leitern.
Die SI-Kapazitätseinheit ist gegeben durch - Farad (F).
Eine Farad-Kapazität ist definiert als die Menge an Kapazität, die ein Kondensator erzeugen kann, wenn an jeden Leiter mit einem Volt Spannung ein Coulomb Ladung angelegt wird.
In praktischen Geräten ist die Kapazität gegeben durch –
C = dQ / dV
* Die meisten auf dem Markt erhältlichen Kondensatoren haben eine Kapazität von Mikrofarad.
Ein Kondensator kann sich zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedlich verhalten, wenn er in einen aktiven Stromkreis geschaltet wird. Sein Verhalten kann durch ein langes und ein kurzes Zeitlimit charakterisiert werden.
Die Langzeitäquivalenz eines Kondensators wirkt wie eine Leerlaufkonfiguration (kein Strom fließt).
Das Kurzzeitäquivalent von Kondensatoren wirkt wie eine Kurzschlusskonfiguration.
V (t) = Q (t) / C = (1 / C) * [∫t0t I (τ) dτ] + V (t0)
Wenn wir die Derivate nehmen, erhalten wir -
I (t) = dQ (t) / dt = C * [dV (t) / dt]
Symbol des Kondensators
Es gibt verschiedene Arten von Kondensatoren. Es gibt auch verschiedene Arten von Symbolen, um sie darzustellen. Einige von ihnen sind unten anhand der Diagramme dargestellt. Sie sind sehr nützlich, um die Schaltung zu beschreiben.
Ein Kondensator in einem Gleichstromkreis
Lassen Sie uns einen Gleichstromkreis diskutieren, bei dem ein Kondensator und ein Widerstand mit einer Konstantspannungsquelle - V0 - in Reihe gehalten werden.
Nehmen wir an, der Kondensator war zuvor ungeladen und der geöffnete Schalter ist zum Zeitpunkt t0 geschlossen.
Aus Kirchhoffs Spannungsgesetz können wir schreiben -
Vo = V.R (t) + V.C (T)
VR (t) ist die Spannung am Widerstand 'R' zum Zeitpunkt 't' und V.C (t) ist die gemessene Spannung über dem Kondensator der Schaltung zum Zeitpunkt t.
Vo = i (t) * R + (1 / C) * [∫t0 t I (τ) dτ]
Wenn wir auf beiden Seiten ein Derivat nehmen, erhalten wir -
RC * [di (t) / dt] + i (t) = 0
Zum Zeitpunkt t sei tis Null. Die Spannung des Widerstands ist Vo und des Kondensators ist Null.
Zu diesem Zeitpunkt wäre der Strom - Io = Vo / R. Lösen Sie nun die Differentialgleichungen -
I (t) = (Vo / R) * e (-t / τ0)
V (t) = Vo (1 - e (-t / τ0))
τ0 = RC.
Es wird als "Zeitkonstante" der Schaltung bezeichnet.
Ein Kondensator in einem Wechselstromkreis
In einem Wechselstromkreis erzeugt der Kondensator eine Impedanz, die die Vektorsumme aus Widerstand und Reaktanz ist. Die Impedanzen und Reaktanzen des Kondensators werden durch die folgenden Ausdrücke angegeben.
Reaktanz = X = - 1 / ωC = - 1 / 2πfC
Impedanz = Z = 1 / jωC = - j / ωC = -j / 2πfC
Hier ist ω die Winkelfrequenz; j ist die imaginäre Einheit.
Die Impedanz hängt umgekehrt von der Kapazität ab. Das Erhöhen der Kapazität und Frequenz führt zu einer Verringerung der Impedanz und umgekehrt.
Q-Faktor:
Q Faktor oder Qualitätsfaktor eines Kondensators ist definiert als das Verhältnis der Reaktanz zu seinem Widerstand. Der q-Faktor ist ein Maß für die Effizienz. Die Formel kann geschrieben werden als -
Q = X.c / R = 1 / CR
ω ist die Winkelfrequenz, C ist die Kapazität des Kondensators, Xc ist die Reaktanz und R ist der äquivalente Widerstand.
Kondensator in Reihe
Das Diagramm zeigt die Kondensatoren in der Reihenschaltung. Es zeigt, dass der Abstand anstelle des Plattenbereichs addiert wird. Die Reihe der Kapazität wirkt als Kondensator weniger als jede ihrer Komponenten.
Die äquivalente Kapazität der gegebenen Verbindung beträgt -
1 / Ceq = ∑ 1 / C.i = 1 / C.1 + 1 / C.2 +… + 1 / C.n
Kondensatoren parallel
Das Diagramm zeigt die Kondensatoren in Parallelschaltung. An jeden Kondensator wird die gleiche Spannung angelegt. Hier werden die Kapazitäten der Kondensatoren addiert. Der Anschluss der Kapazität wirkt als Addierer.
Die äquivalente Kapazität beträgt -
Ceq = ∑ C.i = C1 + C2 +… + C.n
Kondensatortypen
Es gibt eine enorme Anzahl von Kondensatortypen, die auf dem Markt verfügbar sind und auf zahlreichen Klassifizierungsparametern basieren. Die Art des dielektrischen Materials, die Geräteverpackung und die Plattenstruktur sind einige der bestimmenden Faktoren für die Klassifizierung der Kondensatortypen.
Dielektrisches Material
Fast alle Kondensatortypen haben eine dielektrische Substanz. Dielektrische Substanzen sind zwischen zwei Leitern angeordnet, die Ladekapazität kann erhöht werden. Es ist am besten, ein Material mit hoher Permittivität oder eine hohe Durchbruchspannung als dielektrische Substanz zu haben.
Es gibt verschiedene dielektrische Materialien wie Papier, Kunststoff, Glimmer, Keramik, Glas, Luft usw.
Basierend auf dielektrischen Materialien sind einige Kondensatortypen -
Es gibt auch andere Typen, einige Kondensatortypen sind –
- Spannungsabhängiger Kondensator
- Frequenzabhängiger Kondensator
- Parallelplattenkondensator
- Kondensator entkoppeln
Anwendungen von Kondensatoren
Kondensatoren sind eines der wesentlichen Geräte, die für fast jeden Stromkreis benötigt werden. Es hat zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Einige der wichtigsten sind -
ENERGIESPEICHER
Ein Kondensator hat die Eigenschaft zu laden und zu entladen. Es kann Energie speichern, wenn es von der Ladequelle getrennt wird. Mit dieser Eigenschaft können Kondensatoren als Batterie oder wiederaufladbare Batterie verwendet werden.
Superkondensatoren können Ladungen schneller als typische Batterien annehmen und liefern und tolerieren eine größere Anzahl von Lade- und Entladezyklen als herkömmliche wiederaufladbare Batterien. Aber es ist umfangreicher.
Die in der dielektrischen Schicht gespeicherte Ladungsmenge ist gleich oder größer als die in einer Kondensatorplatte gelagerte Ladung.
Gepulste Leistung
Kondensatoren werden in gepulsten Leistungsanwendungen verwendet. Hier werden hauptsächlich Gruppen von großen, hauptsächlich konstruierten Kondensatoren mit hoher Spannung und niedriger Induktivität verwendet.
Kondensatorbänke werden auch in Stromversorgungen verwendet, um gleichmäßige Ausgänge in Halbwellen- oder Vollwellengleichrichtern zu erzeugen. Reservoirkondensatoren können zum Aufladen von Pumpenkreisen verwendet werden.
Industrielle Nutzung
Dies hilft, Stromschwankungen von der Primärquelle fernzuhalten und zu verbergen, um eine saubere Stromversorgung für die Steuerkreise sicherzustellen. Audio-Schaltkreise verwenden auch mehrere Kondensatoren.
Signalkopplung und -entkopplung
Kondensatoren leiten das Wechselstromsignal weiter, blockieren jedoch die Gleichstromsignale. Aus diesem Grund werden Kondensatoren zur Trennung von Wechselstromkreisen verwendet. Der Prozess wird als - Wechselstromkopplung oder "kapazitive Kopplung" erkannt.
Ein Entkopplungskondensator schützt einen Bereich der Schaltung von einem anderen. Sie werden in der Stromversorgung verwendet. Diese werden auch als Bypass-Kondensator bezeichnet. Entkopplungskondensatoren finden Anwendung beim Vorspannen von Transistoren.
Memory
Dynamische digitale Speicher für Binärcomputer können unter Verwendung von Kondensatoren hergestellt werden.
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