Detaljeret grundlæggende om kondensatorer

1.Definition

En kondensator er en elektrisk komponent, der bruges til at lagre og frigive energi i et elektrisk felt. Når en spænding påføres over dens terminaler, etableres et elektrisk felt mellem lederne (pladerne), hvilket gør det muligt for kondensatoren at lagre energi.

 

Kapacitansenheden er farad (F). I praktiske applikationer bruges mindre enheder såsom mikrofarader (μF), nanofarader (nF) og picofarader (pF) mere almindeligt.

 

2. Arbejdsprincip

En kondensator består af to ledende plader adskilt af et isolerende materiale kaldet et dielektrisk. Når en jævnspænding påføres på tværs af pladerne, ophobes elektroner på én plade, hvilket giver den en negativ ladning, mens et lige antal elektroner fjernes fra den modsatte plade, hvilket gør den positivt ladet.

 

Denne adskillelse af ladning skaber et elektrisk felt i dielektrikumet. Kondensatoren lagrer energi i dette elektriske felt og bevarer ladningen, så længe spændingen er påført, og der ikke er tilvejebragt nogen afladningsvej. Når en ledende bane indføres, frigives den lagrede energi, når strømmen løber gennem det eksterne kredsløb.

 

3. Kapacitans

Kapacitansen C af en kondensator afhænger af følgende faktorer:

 

Plade områdeA:Et større pladeareal resulterer i højere kapacitans.

 

Pladeafstandd:En mindre afstand mellem pladerne øger kapacitansen.

 

Permittivitetε:Typen af ​​dielektrisk materiale påvirker kapacitansen; materialer med højere permittivitet giver højere kapacitans.

 

Forholdet er givet af:

 

 

hvor:

• Ε er permittiviteten af ​​det dielektriske materiale

 

• A er det effektive areal af pladerne

 

• d er afstanden mellem pladerne

 

4. Kapacitansenhed

 

Kapacitansenheden er farad (F). Da farad er en meget stor enhed, er de fleste praktiske kondensatorer bedømt i mindre enheder såsom picofarads (pF), nanofarads (nF) og mikrofarads (μF).

Kapacitans angiver, hvor meget elektrisk ladning en kondensator kan lagre pr. spændingsenhed. Det er defineret af forholdet:

hvor:

 

• Q er den lagrede ladning,

 

• C er kapacitansen, og

 

• V er den påførte spænding.

 

En højere kapacitans betyder således, at mere ladning kan lagres ved samme spænding.

 

Det er vigtigt at bemærke, at kapacitans ikke repræsenterer en absolut ladekapacitet i sig selv; den beskriver snarere forholdet mellem ladning og spænding. For en given kapacitans svarer en fast mængde ladning til en proportional ændring i spændingen.

 

Spændingsværdien for en kondensator refererer til den maksimale spænding, den sikkert kan modstå uden skader. Mængden af ​​lagret ladning stiger med både kapacitans og påført spænding.

 

Generelt har større kondensatorer (med højere kapacitansværdier) en tendens til at have større fysiske størrelser og højere omkostninger.

 

5.Klassificering af kondensatorer

Polariserede kondensatorer

Polariserede kondensatorer har klart definerede positive og negative terminaler. De skal forbindes med den korrekte polaritet; Ellers kan omvendt tilslutning forårsage overophedning, lækage eller endda brud og eksplosion.

 

Flydende elektrolytiske kondensatorer

Flydende elektrolytiske kondensatorer er en type polariseret kondensator. De tilbyder relativt høj kapacitans og kan håndtere højere spændingsniveauer, men de er typisk større i størrelse, har begrænset højfrekvent ydeevne og en moderat levetid.

 

Disse kondensatorer er meget udbredt i strømforsyningskredsløb til filtrering og spændingsudjævning.

 

Et almindeligt eksempel er aluminium elektrolytisk kondensator. Det er ofte installeret i nærheden af ​​strømforsyninger for at give energilagring og stabilisere spændingen.

 

Solid-elektrolytiske kondensatorer

 

Tantalkondensatorer er en type elektrolytisk kondensator, der bruger tantalmetal som anode og en fast elektrolyt. De tilhører kategorien af ​​faststof-elektrolytiske kondensatorer.

 

De tilbyder høj kapacitans pr. volumenenhed (lille størrelse), god stabilitet, lav lækstrøm og pålidelig ydeevne over et bredt temperaturområde.

De har dog typisk lavere spændingsværdier sammenlignet med nogle andre kondensatortyper og er følsomme over for overspænding og omvendt polaritet.

 

Tantalkondensatorer er polariserede og skal tilsluttes med korrekt polaritet. De bruges almindeligvis i kompakte elektroniske enheder med lav-spænding til strømforsyningsfiltrering, afkobling og lydapplikationer.

 

For eksempel er tantalkondensatorer meget brugt i mobiltelefoner og er også almindeligt forekommende i computere.

 

Ikke-polariserede kondensatorer

 

Keramiske kondensatorer

Keramiske kondensatorer (også kendt som keramiske diskkondensatorer) er ikke-polariserede komponenter, hvilket betyder, at de ikke har nogen positive eller negative terminaler og kan tilsluttes i begge retninger.

 

De er kendetegnet ved små kapacitansværdier, høje spændingsværdier, kompakt størrelse og fremragende højfrekvent ydeevne. På grund af disse egenskaber er keramiske kondensatorer meget brugt i applikationer som afkobling, filtrering og signalkobling i elektroniske kredsløb.

 

6. Dimensioner Tolerance

 

Kondensatorer har generelt relativt brede tolerancer sammenlignet med andre elektroniske komponenter.

 

For keramiske kondensatorer omfatter almindelige tolerancegrader:

 

±5% (J)– skærpet tolerance

 

±10% (K)– almindeligt anvendt

 

±20% (M)– meget brugt

 

+80% / −20% (Z)– meget løs tolerance

 

I praksis:

 

pF-niveau kondensatorerbruger ofte ±5% tolerance

 

nF-niveau kondensatorerbruger typisk ±10% tolerance

 

μF-niveau kondensatoreralmindeligvis bruger ±20% tolerance

 

Elektrolytiske kondensatorerer normalt vurderet til ±20 % eller bredere

 

Høj-præcisionskondensatorer er mindre almindeligt anvendt, fordi mange kondensatorapplikationer-såsom strømforsyningsfiltrering og spændingsudjævning-ikke kræver meget nøjagtige kapacitansværdier. Små afvigelser har normalt minimal indflydelse på kredsløbets ydeevne.

 

I applikationer som RF-tilpasning og filternetværk kan det dog være nødvendigt med snævrere tolerancer (f.eks. ±5%) for at sikre stabile frekvenskarakteristika. Selv i disse tilfælde er ekstrem høj præcision ofte unødvendig, da standardtolerancer er tilstrækkelige til at opretholde korrekt drift.

 

7. Kondensator Dimensioner

 

For keramiske og tantalkondensatorer følger pakningsstørrelsen den samme standard, der bruges til modstande. Mindre overflade-monteringskomponenter bruger britiske koder som 0201, 0402, 0603 og 0805, mens større pakker også kan udtrykkes i metriske koder som 2520, 3525 osv.

 

For cylindriske elektrolytiske kondensatorer er dimensionerne typisk angivet som diameter × højde (f.eks. 6 mm × 11 mm).

 

I hardwaredesign anbefales det generelt at reservere et lidt større fodaftryk til kondensatorer, når det er muligt. For eksempel, hvis et 6 × 11 mm fodaftryk er allokeret, kan den maksimale typiske specifikation være omkring 100 μF, 25 V. Selvom det er nemt at erstatte en mindre kondensator for at reducere omkostningerne, er det normalt ikke muligt at opgradere til en væsentligt højere kapacitans inden for samme størrelse. For eksempel kan en 470 μF, 25 V kondensator typisk ikke fremstilles i en 6 × 11 mm pakke.

 

Det samme gælder for keramiske kondensatorer. For eksempel med en 0805-pakke er den maksimale almindeligt tilgængelige specifikation omkring 22 μF, 6,3 V. Kondensatorer med højere kapacitans eller højere spændingsmærker er svære at opnå i denne pakkestørrelse.