Kondensator (Capacitor) und wie man ihn im Stromkreis verwendet

In den meisten Büchern über den Einsatz von Kondensatoren wird so geschrieben, dass der Kondensator elektrische Ladung in sich speichert und diese bei Bedarf entlädt. Was wir wissen müssen ist, wann die Kondensatoren geladen und wann entladen werden sollen und wie ist das möglich?

Daher müssen wir zunächst die Wirkung kennen, die Kondensatoren durch Anlegen des Stroms ausführen:

Angenommen, wir schließen einen Kondensator an eine Stromversorgung mit einem Lastwiderstand als Strombegrenzer an.

Vor dem Anschließen der Stromversorgung sind die Spannung des Kondensators (zwischen seinen Pins) und der Strom Null.

Zu Beginn der Verbindung der beiden Pins des Kondensators ist die Spannung Null und der Strom ist maximal. Mit anderen Worten: Der Kondensator verhält sich wie ein Draht.

Nach dem Durchlaufen jeder Stufe/Stufe (τ) steigt die Spannung des Kondensators auf 63,7 Prozent seines vorherigen Werts und er lässt 63,7 Prozent des Stroms nicht durch.

Nach 5 Schritten (5τ) ist der Kondensator fast vollständig geladen und lässt den Strom nicht mehr durch.

Daraus lässt sich schließen, dass Kondensatoren wie ein Schalter vor Gleichstrom wirken, der nach einiger Zeit keinen Strom mehr durchlässt.

Abhängig von der Kapazität der Kondensatoren und der Menge des durchfließenden Stroms kann diese Zeit sogar weniger als 0,001 Sekunden betragen.

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Arten von Kondensator und ihre Kapazität

Es gibt verschiedene Arten von Kondensatoren, wie zum Beispiel: Linsenkondensator, Elektrolytkondensator, Keramikkondensator, Glimmerkondensator usw.

Die Kapazitätseinheit ist Farad (F) und die Kondensatoren werden in den Schaltplänen mit C bezeichnet.

Bei geringerer Kapazität werden üblicherweise Linsenkondensatoren eingesetzt.

Elektrolytkondensatoren werden für hohe Kapazitäten verwendet, da sie zylindrisch sind und mehr parallele Platten haben.

Linsenkondensator:

Elektrolyte kondensator (polarisiert):

Bei der Verwendung polarisierter Kondensatoren muss der Pluspol an die höhere Spannung (Stromeingang) und der Minuspol an die niedrigere Spannung (Stromausgang/z. B. Masse) angeschlossen werden. Bei diesen Kondensatoren ist der negative Pin (kürzeres Bein) am Gehäuse mit dem Zeichen „-“ über dem Pin gekennzeichnet.

• In Schaltkreisen mit begrenztem Platzangebot, beispielsweise auf Platinen in Computern und Mobilgeräten, werden SMD-Kondensatoren, Dioden, Widerstände und Transistoren verwendet.
• Die Kapazität von SMD-Bauteilen ist auf dem Bauteil angegeben. Und zwar so, dass die letzte Ziffer die Anzahl der Nullen vor den ersten Ziffern angibt und ihre Einheit auch die kleinstmögliche Einheit ist; In einem Kondensator beträgt sie beispielsweise 1 Picofarad (pF).

Um die Kapazität zu berechnen, benötigen wir die Spannung und die Last.

Um die Ladung zu erhalten, sollten spezielle Formeln verwendet werden.

Normalerweise haben wir die Kapazität und Spannung und erhalten die im Kondensator gespeicherte Ladung durch die folgende Formel:

Der Standard der auf den Märkten verfügbaren Kapazitätswerte der Kondensatoren entspricht den Standards der Widerstände E12 und E24.

Berechnung der im Kondensator gespeicherten Energie

Es ist möglicherweise nicht sehr nützlich, die in Kondensatoren gespeicherte Energie zu berechnen, aber mithilfe der Beziehungen können andere Werte ermittelt werden.

Elektrische Energie wird mit U bezeichnet, ihre Einheit ist Joule (j) und sie wird mit den folgenden Beziehungen berechnet:

In den obigen Beziehungen bedeutet Δ Differenz, die elektrische Energiedifferenz ist ΔU und ΔV ist die Spannungs- oder elektrische Potenzialdifferenz zwischen den Pins oder zwischen den Momenten (V2-V1).

Kondensatoren miteinander verbinden

Kondensatoren können wie Widerstände auf drei Arten miteinander verbunden werden:

1- Parallel

2-Serie

3- Parallel und Serie

• Jede dieser Methoden wirkt sich neben der Gesamtkapazität auch auf die in Kondensatoren gespeicherte Spannung und Ladung aus.

Parallele Methode:

Bei dieser Methode ist die im gesamten Schaltkreis gespeicherte Ladung gleich der Summe der in jedem der Kondensatoren gespeicherten Ladungen und die Gesamtkapazität ist gleich der Summe der Kondensatorkapazitäten.

V=V₁=V₂=V₃

C=C₁+C₂+C₃

q=q₁+q₂+q₃

Serienmethode:

Bei dieser Methode ist die Potentialdifferenz im gesamten Stromkreis gleich der Summe von V in jedem der Kondensatoren und der Kehrwert der Gesamtkapazität ist gleich der Summe des Kehrwerts jeder Kondensatorkapazität.

q=q1=q2=q3

V=V1+V2+V3

Serien- und Parallelverfahren:

Bei dieser Methode vereinfachen wir wie bei Widerständen zunächst die Schaltung und erhalten dann mithilfe der Beziehungen die erforderlichen Werte.

• Vermeiden Sie eine Reihenschaltung der Kondensatoren und verwenden Sie nur einen Kondensator. Durch die Parallelschaltung der Kondensatoren lässt sich jedoch Stromrauschen vermeiden.

Berechnung der Kurzschluss- und Kondensatorladezeit

Wenn die beiden Pins des Kondensators durch einen Draht verbunden sind, entsteht ein Kurzschluss und es fließt Strom durch den Draht.

Ein Kurzschluss führt auch zur Entladung der Kondensatoren.

Die Zeit, die der Kondensator zum Aufladen benötigt, hängt von seiner Kapazität sowie vom Eingangsstrom (der pro Sekunde fließenden elektrischen Ladungsmenge) und der Spannung ab.

Wenn beispielsweise ein Kondensator, der eine Ladung von 0,001 Coulomb aufnehmen kann, in 0,001 Sekunden entladen wird, fließt 1 Ampere Strom durch ihn.

Abhängig vom Widerstand des Kurzschlussdrahtes wird die Entladezeit bestimmt.

Die Ladezeit der Kondensatoren kann (abhängig von der Ladequelle) länger sein als dieser Wert, aber ungefähr kann man sagen, dass dieser Wert korrekt ist. Mit modernen Laborgeräten kann eine genaue Zeitberechnung durchgeführt werden.

Wenn wir aufgrund der Kapazitätserhöhung mehrere Kondensatoren parallel verwenden, dauert der Ladevorgang länger, und wenn sie aufgrund der Kapazitätsreduzierung in Reihe geschaltet sind, dauert der Ladevorgang kürzer.

Wenn Sie möchten, dass der Strom nach dem Laden nicht vollständig abgeschaltet wird, benötigen Sie einen Parallelwiderstand zum Kondensator.

In diesem Fall fließt der Strom nach vollständiger Ladung des Kondensators nur noch durch den Widerstand.

Kondensatoren miteinander verbinden

Wenn Sie zwei Kondensatoren miteinander verbinden, ist ihre Spannung gleich und hängt von folgenden Faktoren ab:

1- Die Kapazität jedes Kondensators

2- So verbinden Sie die Pins der Kondensatoren

3- In jedem Kondensator gespeicherte Spannung

Die Kapazität der Kondensatoren ist bekannt und wir kennen die in jedem Kondensator gespeicherte Spannung; Die Pins können aber auf zwei Arten miteinander verbunden werden:

1- Anschlussstifte gleicher Pole:

In diesem Fall teilen wir zur Berechnung der Spannung die Summe der in den beiden Kondensatoren gespeicherten Ladungen durch die Summe der Kapazitäten der Kondensatoren:

2- Verbindungsstifte mit unterschiedlichen Polen:

In diesem Fall teilen wir den Absolutwert der Subtraktion elektrischer Ladungen durch die Gesamtkapazität der Kondensatoren:

• Mit dieser Funktion kann Ladung auf Kondensatoren übertragen werden.

Umwandlung eines Halbwellensignals in Gleichstrom mit einem Kondensator

Wie im Diodenartikel erwähnt, ändert sich der vom Transformator durch die Diode erzeugte Gleichstrom ständig von Null bis zur maximalen Spannung. Um diesen Strom zu fixieren, sollten Kondensatoren (normalerweise polarisiert) verwendet werden.

Der Grund für die Verwendung von Kondensatoren ist ihre Ladeleistung.

Auf diese Weise speichert es, wenn die Spannung ihr Maximum erreicht, einen Teil des Stroms in sich und wenn der Strom sein Minimum, also Null, erreicht, entlädt es den Strom in diesem Intervall allmählich.

Die folgende Abbildung zeigt die resultierende Spannung bei einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannung von 10 Volt, die von einem 100-Mikrofarad-Kondensator erzeugt wird.

Dieser Graph wird mit einem Oszilloskop (oscilloscope) gezeichnet.

Um die Aktion der Stromfortführung durchzuführen, müssen wir den Kondensator parallel zum Eingang schalten.

Die folgende Abbildung zeigt diesen Vorgang.

• Handelt es sich um einen Elektrolytkondensator, müssen dessen Pole richtig angeschlossen sein.

Um den Wert des Kondensators zu bestimmen, wenn die Frequenz 50 Hz beträgt, können die folgenden Werte entsprechend dem Spannungsbedarf des Stromkreises verwendet werden. Auch diese Werte wurden mit Hilfe eines Oszilloskops ermittelt.

Von 2 auf 12 Volt sinkt die Spannung des 100-Mikrofarad-Kondensators um etwa 1 Volt und der Strom wird fast direkt.

Von 2 bis 12 Volt sinkt die Spannung um 10 Nanofarad um weniger als 0,5 Volt, und die maximale und minimale Stromdifferenz ist größer.

Aus diesen Werten lässt sich schließen, dass je höher die Kapazität, desto gleichförmiger der Strom und desto höher die Abfallspannung.

• Es wird empfohlen, sowohl eine hohe als auch eine niedrige Kapazität zu verwenden, um die Geräusche zu reduzieren.

Stromstabilisator (Current stabilizer)

Sie müssen eine Zenerdiode verwenden, um den Strom zu stabilisieren.

Wie bereits erwähnt, wirkt der Zener in seiner Sperrvorspannung wie ein Widerstand.

Wenn sich die Spannung ändert, ändert sich auch der Wert des Zenerwiderstands.

Um sicherzustellen, dass der Strom direkt ist, können Sie nach dem Zener einen Kondensator parallel zum Ausgangsstrom schalten.

Die folgende Abbildung zeigt die Verwendung der Zenerdiode:

• Wenn die Stromaufnahme Ihres Netzteils die Zener-Grenzwerte überschreitet, verwenden Sie einen Spannungsregler.
• Die Zenerdiode verringert die endgültige Ausgangsspannung. Beispielsweise sollte ein 9-V-Eingang durch eine Zenerdiode auf beispielsweise 8,2 V verringert werden.

Kondensator im Wechselstrom- und Filterkreis

Die Leistung und Eigenschaften der Kondensatoren in den Wechselstrom-Eingangskreisen unterscheiden sich von denen des Gleichstroms.

Der Kondensator kann Wechselstrom leiten, jedoch nur unter besonderen Bedingungen.

Die folgenden Beziehungen bestimmen das Verhältnis zwischen Eingangswiderstand und Durchgangsfrequenz:

In der obigen Beziehung ist R der Schaltungswiderstand, C die Kapazität des Filterkondensators und 2π die Pi-Zahl (2*3,1415) und F die maximale Frequenz (bei Verwendung des Parallelkondensators) oder die minimale Frequenz (bei Verwendung des Reihenkondensators). Kondensator verwendet wird).

In den ersten Momenten verursachen die positiven Ladungen, die sich hinter der ersten Platte des Kondensators ansammeln, einen negativen Wind auf der gegenüberliegenden Platte, und dann, mit der Phasenänderung der Wechselstrom-Eingangsleistung, wird die positive Ladung von der ersten Platte entladen und durch eine negative Ladung ersetzt, was dazu führt, dass die positive Ladung die negative Ladung auf der gegenüberliegenden Platte ersetzt.

Diese Änderungen führen dazu, dass Wechselstrom abfließt, allerdings mit einer Phasendifferenz von 90 Grad. Das heißt, wenn die Sinuswelle in der ersten Platte des Kondensators ansteigt, fällt sie in der zweiten Platte ab.

Allerdings begrenzt die Kapazität des Kondensators die Stromaufnahme, wodurch eine Art Widerstand im Kondensator entsteht. Bei diesem Widerstandstyp handelt es sich nicht um einen Wärmeableitungstyp. Die Leistung muss nicht berechnet werden, es muss jedoch eine begrenzte Spannungsfestigkeit zwischen den beiden Platten unter dem Kondensator liegen.

Diese Funktion kann auch für Filter verwendet werden.

Wenn wir den Ausgang des Kondensators mit dem Verbraucher verbinden und die Eingangsfrequenz des Kondensators niedriger als die Grenzfrequenz ist, wird der Drainstrom durch Verringern der Frequenz schwächer, bis er Null erreicht. Dies wird als Hochpassfilter bezeichnet.

Wenn ein Pin des Kondensators mit dem Eingang des Verbrauchers verbunden ist und der andere mit dem Minus verbunden ist, wird bei der Grenzfrequenz verhindert, dass Strom in den Verbraucher (z. B. einen Parallelwiderstand) und die Eingangsfrequenz gelangt niedriger als die Grenzfrequenz ist, wird weniger Strom entladen, bis der minimale Widerstand erreicht ist. Dies wird als Tiefpassfilter bezeichnet.

In den nächsten Artikeln erfahren wir auch etwas über Klangfilter (Equalizer).

Die folgende Abbildung zeigt zwei Arten von Filtern.

Sie können diese interessante Eigenschaft von Kondensatoren beliebig als Filter nutzen.

Filter werden auch als Nichtpassfilter (zwei parallele Filter) und Mittelpassfilter (zwei sequentielle Filter) verwendet.

Kapazitiver Stabilisator

Einige Teile benötigen eine Sättigungsspannung, oder damit der Wechselstrom vollständig fließt, benötigen sie eine Spannung und einen Strom, die die negativen Halbwellen positiv machen (insbesondere nach dem Durchgang durch den Kondensator), wie beispielsweise ein Transistor, der ein Beispiel dafür ist Anwendung bei der Verstärkung von Audiofrequenzen, daher muss der Eingang der Komponente mithilfe eines Widerstands mit Strom versorgt werden.

Allgemeine Schwingungen können zu Problemen beim Betrieb der Schaltung führen. Daher können diese zusätzlichen Schwingungen durch einen Kondensator parallel zum Widerstand vermieden werden.

Ein Beispiel für diesen Vorgang ist die folgende Schaltung (R3 ist der Verbraucher):

Das folgende Diagramm zeigt, wie die obige Schaltung gegen Schwingungen wirkt:

Im A-Signal werden Kondensatoren verwendet, während im B-Signal keine Stabilisatorkappe vorhanden ist. Wie Sie sehen können, steigt die Spannung zu Beginn aufgrund der Aufladung der Kondensatoren an und dann schwankt die Spannung von A weniger stark als die von B.

Praktischer Einsatz von Kondensatoren

Einzel-LED-Blinkschaltung:

Erforderliche Ausrüstung: 12-V-Stromversorgung, Schalter, LED, 180- und 470-Ohm-Widerstand, 1-Millifarad-Kondensator, 5-V-Relais, etwas Kabel.

Wenn Sie die obige Schaltung gemäß dem Schaltplan montieren, werden Sie sehen, dass nach dem Anschließen des Schalters die LED anfängt, ein- und auszugehen.

Schaltungsanalyse:

Der Strom fließt vom Pluspol der Stromversorgung in den Stromkreis, dann in den Draht, der vor dem Kondensator angeschlossen ist, und erreicht den NC-Pin des Relais, und der Strom durch ihn gelangt hinter den 180-Ohm-Widerstand.

Nachdem der Strom durch den Widerstand geflossen ist, fließt er in die Pins der Relaisspule und das Relais wird aktiviert, wodurch der NO-Pin des Relais den Strom ableitet und das Licht angeht.

Hier beginnt der Kondensator aufzuladen.

Nachdem der Kondensator aufgeladen ist, wird das Relais getrennt und auch das Licht ausgeschaltet. Gleichzeitig werden die beiden Kondensatorstifte durch den NC-Stift des Relais miteinander verbunden und es entsteht ein Kurzschluss (Sie können einen verwenden). zusätzlicher Widerstand, z.B. 22 Ohm zur Verkürzung der Entladezeit).

Nach dem Entladen des Kondensators beginnt dieser Vorgang erneut.

• Die obige Schaltung ist nur für den Zuggebrauch bestimmt und kann bei längerem Gebrauch den Kondensator und das Relais beschädigen.

Herstellung eines AC-DC-Adapters mit einem Wechselstromgenerator:

In diesem Bild bedeutet VG Wechselstromgenerator.

Sie können diesem Schaltkreis eine Batterie hinzufügen und diese entsprechend dem, was Sie bisher gelernt haben, laden.