Ein Kondensator ist ein passives elektronisches Bauteil, das zur Speicherung elektrischer Energie verwendet wird. Seine Kernstruktur besteht aus zwei Leitern (in der Regel Metallplatten), die gegeneinander isoliert sind und nahe beieinander liegen. Wenn eine Gleichspannung an die Enden eines Kondensators angelegt wird, sammeln sich positive und negative Ladungen auf jeder der beiden Platten, wodurch ein elektrostatisches Feld zwischen ihnen entsteht. Dieser Prozess der Ladungstrennung und des Aufbaus eines elektrischen Feldes ermöglicht die Speicherung von elektrischer Energie, und die Kapazität des Kondensators bestimmt seine Energiespeicherkapazität. Kondensatoren können während des Ladens und Entladens schnell auf Spannungsänderungen reagieren, eine Eigenschaft, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen in elektronischen Schaltungen wertvoll macht.
Klassifizierung von Kondensatoren
1. universell einsetzbare Kondensatoren
Dazu gehören vor allem Keramikkondensatoren (z. B. Hochfrequenzschaltung im MLCC), Folienkondensatoren (z. B. Polyesterkondensatoren, Polystyrolkondensatoren usw.) mit guter Stabilität und geringem dielektrischem Verlust, die weithin in Kopplungs-, Bypass-, Oszillations- und anderen herkömmlichen Schaltungen verwendet werden.
2.Elektrolytkondensatoren
Aluminium-Elektrolytkondensatoren und Tantal-Elektrolytkondensatoren haben den Vorteil, dass sie eine große Kapazität und ein kleines Volumen haben. Sie werden hauptsächlich in Szenarien wie der Filterung von Stromversorgungen (z. B. am Ausgang eines Schaltnetzteils), der Energiespeicherung und der Kopplung von Niederfrequenzsignalen eingesetzt.
3.Einstellbare Kondensatoren
Durch mechanische Einstellung zur Änderung des Polplattenabstands oder der effektiven Fläche, um Änderungen des Kapazitätswerts zu erreichen, typischerweise verwendet in Radioabstimmkreisen (wie z. B. bei altmodischen Radioselektoren), Hochfrequenz-Impedanzanpassung und anderen Gelegenheiten, die eine präzise Einstellung erfordern.
4. Superkondensator (Doppelschichtkondensator)
Zwischen den traditionellen Kondensator- und Batterie-Energiespeichergeräten, mit sehr hoher Leistungsdichte und schnellen Lade- und Entladeeigenschaften, geeignet für neue Energiefahrzeuge’ Start-Stopp-System, Netz-Energiespeicher und andere Hochleistungsanwendungen.
5. sicherheitskondensatoren
Einschließlich X-Kondensatoren (über die Leitung zur Unterdrückung von Differentialstörungen) und Y-Kondensatoren (zwischen Leitung und Erde zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen), die speziell für die EMI-Filterung von Stromversorgungen verwendet werden, um sicherzustellen, dass die elektrischen Geräte den Normen für elektromagnetische Verträglichkeit entsprechen.
6. leistungskondensatoren
Leistungselektronik wie DC-Stützkondensatoren, AC-Filterkondensatoren usw., die vor allem in Frequenzumrichtern, Wechselrichtern und anderen Hochleistungs-Leistungsumwandlungsgeräten eingesetzt werden.
Die Rolle der Kondensatoren
1.Energiespeicherung und schnelles Laden und Entladen
Kondensatoren können elektrische Energie in Form eines elektrostatischen Feldes speichern und unterstützen schnelle Lade- und Entladevorgänge.Im Vergleich zu chemischen Batterien ist ihre Lade- und Entladegeschwindigkeit schneller (Millisekunden), und die Zykluslebensdauer kann mehr als zehntausend Mal erreicht werden, so dass sie einen einzigartigen Vorteil in der Szene haben, die einen sofortigen hohen Strom oder eine schnelle Energieumwandlung erfordert (wie z. B. Beschleunigung von Elektrofahrzeugen, Bremsenergierückgewinnung, Impulsstromsystem).
2.Isolierung durch das Kreuz (Kopplung und Entkopplung)
Kondensatoren weisen eine hohe Impedanz gegenüber Gleichstrom auf und blockieren die Gleichstromkomponente, während sie Wechselstromsignale durchlassen.Aufgrund dieser Eigenschaft werden sie häufig in Kopplungsschaltungen (z. B. für die Übertragung von Audiosignalen im Isolationskondensator) und Entkopplungsschaltungen (zur Beseitigung von Störungen in der Stromversorgung) verwendet.
3.Filterung und Spannungsstabilisierung
In Stromversorgungsschaltungen können Kondensatoren die gleichgerichteten pulsierenden Komponenten wirksam herausfiltern, die Ausgabe einer glatten Gleichspannung (wie Elektrolytkondensatoren, die bei der Filterung von Stromversorgungen verwendet werden). Darüber hinaus können Kondensatoren in der Signalverarbeitung zusammen mit Widerständen oder Induktivitäten einen Tiefpass- oder Hochpassfilter bilden, um hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken und die Signalqualität zu verbessern.
4.Abstimmung und Resonanz (LC-Schaltung)
Kondensatoren und Induktivitäten können zu LC-Resonanzkreisen für Frequenzwahl, Abstimmung und andere Anwendungen kombiniert werden, z. B. in FM-Schaltungen von Rundfunkempfängern, Oszillatoren und HF-Anpassungsnetzwerken.
5. Motorstart und Phasenkompensation
In Einphasen-Wechselstrommotoren helfen Kondensatoren beim Anlassen des Motors (z. B. Anlaufkondensatoren), indem sie eine Phasendifferenz zur Bildung eines rotierenden Magnetfelds erzeugen. Darüber hinaus werden Kondensatoren in Stromnetzen zur Korrektur des Leistungsfaktors eingesetzt, um die Effizienz der Stromnutzung zu verbessern.
Aufgrund dieser Eigenschaften spielen Kondensatoren eine Schlüsselrolle in elektronischen Schaltungen, Energiesystemen, neuen Energietechnologien und Kommunikationsgeräten.
Prüfen von Kondensatoren auf Fehler
1.Erscheinungsbild
Das Gehäuse des Leistungskondensators ist intakt, es gibt keine offensichtlichen Ausdehnungen, Verformungen, Risse oder andere Phänomene.Wenn die oben genannte Situation auftritt, bedeutet dies, dass der Kondensator einen schweren Fehler hat, das heißt, er kann nicht weiter verwendet werden.
Ob die Klemmenverbindung des Kondensators fest ist, mit oder ohne Lose, Korrosion und anderen Problemen.Probleme mit den Anschlüssen können zu einem schlechten Kontakt führen und den normalen Betrieb des Kondensators beeinträchtigen.
2. Kapazitätstest
Messen Sie die Kapazität des Leistungskondensators, um festzustellen, ob die tatsächliche Kapazität des Kondensators mit der Nennkapazität übereinstimmt.Wenn die tatsächliche Kapazität zu sehr unter der Nennkapazität liegt, bedeutet dies, dass der Kondensator gealtert und ausgefallen ist.
3. die Prüfung des Isolationswiderstands
Messen Sie den Isolationswiderstand des Kondensators mit geeigneten Instrumenten.Unter normalen Umständen sollte der Isolationswiderstand größer als 10 Megohm sein. Liegt der Isolationswiderstand unter diesem Wert, bedeutet dies, dass die Isolationsleistung des Kondensators beschädigt sein kann und eine weitere Prüfung erforderlich ist.
4.Spannungs- und Stromprüfung
Messen Sie den Spannungswert des Leistungskondensators während des Betriebs.Wenn der Spannungswert stark schwankt, bedeutet dies, dass der Leistungskondensator möglicherweise Probleme hat.
Messen Sie den Stromwert des Kondensators bei der Nennspannung.Wenn der tatsächliche Stromwert den Stromwert im Leitfaden übersteigt, deutet dies darauf hin, dass der Kondensator möglicherweise überlastet ist.
5. Temperaturprüfung
Prüfen Sie, ob die Betriebstemperatur des Leistungskondensators innerhalb des angegebenen Bereichs liegt.Normalerweise sollte der Kondensator unter geeigneten Temperaturbedingungen betrieben werden. Wenn die Temperatur zu hoch ist, beweist dies, dass der Kondensator möglicherweise eine Art von Fehler aufweist und sofort außer Betrieb genommen werden muss.
Auf diese Weise lässt sich feststellen, ob der Leistungskondensator defekt ist. Im realen Betrieb sollten Leistungskondensatoren regelmäßig überprüft werden, und wenn Anomalien festgestellt werden, sollten sie rechtzeitig abgeschaltet werden, um die Auslösung von Sicherheitsgefahren zu vermeiden.
Methoden zur Prüfung von Kondensatoren
1.Prüfverfahren mit dem Digitalmultimeter
Arbeitsablauf:
Sicherstellen, dass der Kondensator vollständig entladen ist
Stellen Sie das Multimeter auf Widerstand ein (es wird empfohlen, ×1k oder höher zu wählen)
Schließen Sie die Prüfstifte an beide Enden des Kondensators an.
Beobachten Sie die Veränderung der Anzeige:
Normale Leistung: der Messwert wird kurz angezeigt und kehrt dann schnell in den Zustand "OL" (offener Stromkreis) zurück
Ausfallverhalten: Kontinuierliche Anzeige eines festen Widerstandswertes oder eines Nullwiderstandes.
Vorsicht!
Stellen Sie sicher, dass der Test vollständig entladen ist, bevor Sie ihn durchführen.
10 Sekunden oder mehr zwischen den einzelnen Tests
Wiederholen Sie den Test 3 Mal, um die Konsistenz der Ergebnisse zu bestätigen.
2.Prüfverfahren mit Analogmultimetern
Erkennungsprozess:
Wählen Sie den geeigneten Widerstandswert (empfohlen ×100 oder ×1k)
Schließen Sie den Teststift an und beobachten Sie die Bewegung des Zeigers:
Gute Kapazität: Der Zeiger schwingt stark nach rechts und dann langsam zurück auf ∞!
Kurzschlussfehler: der Zeiger bleibt in der niederohmigen Position stehen
Unterbrechung des Stromkreises: der Zeiger bewegt sich überhaupt nicht
Technische Punkte:
Bei Elektrolytkondensatoren muss auf die Polarität geachtet werden (schwarzer Stift an den Pluspol)
Großkapazitätskondensatoren (>10μF) Zeigerschwingung deutlicher
Nach dem Test muss gewartet werden, bis der Zeiger wieder die volle Position erreicht hat.
3.Direktes Messverfahren für Kapazitätsgetriebe
Setzen Sie die Spezifikation um:
Wählen Sie ein Digitalmultimeter mit Kapazitätsmessfunktion.
Auswahl des Messbereichs:
Kleine Kapazität (pF-Niveau): Verwenden Sie die spezielle Prüfklemme.
Große Kapazität (μF-Niveau): Direktanschlussprüfung
Ergebnis Beurteilungskriterien:
Bestanden: Messwert innerhalb von ±20% des Nennwertes.
Hinweis: Elektrolytkondensatoren erlauben +50%/-20% Abweichung.
Störung: Anzeige "0" oder weit unter dem unteren Nenngrenzwert
4.Spannungsprüfverfahren
Professionelle Anleitung für den Betrieb:
Bauen Sie die Testschaltung auf:
Versorgungsspannung ≤ Nennspannung des Kondensators
Serienstrombegrenzungswiderstand (1-10kΩ)
Messverfahren:
Zu Beginn des Ladevorgangs: Die Spannung sollte schnell ansteigen.
Nach der Stabilisierung: Die Spannung sollte nahe an der Versorgungsspannung liegen.
Störungsmerkmale:
Spannung steigt langsam an: Kapazitätsabfall
Spannung kann nicht gehalten werden: zu hoher Ableitstrom
Nullspannung: vollständiger Ausfall
5. Messungen der Zeitkonstante
Programm für Präzisionsmessungen:
Standard-Testschaltung:
Bekannter Präzisionswiderstand R (1kΩ-10kΩ empfohlen)
Oszilloskop zur Überwachung der Ladekurve
Berechnungsmethode:
Messzeit bis 63,2% Versorgungsspannung (τ)
Berechnen Sie die Kapazität: C = τ/R
Bewerbungstipps für Ingenieure:
Geeignet für einen Leistungsbereich von 1μF-1000μF
Der Einfluss des Innenwiderstands des Multimeters muss berücksichtigt werden.
Es wird empfohlen, eine Rechtecksignalquelle zu verwenden, um die Genauigkeit zu verbessern.
Umfassende Testvorschläge:
Vorrangige Verwendung der direkten Messung der Kapazität
Schwierige Fehler mit mehreren Methoden der Querverifizierung
Hochspannungskondensatoren müssen mit speziellen Geräten geprüft werden.
Erstellung von Prüfprotokollen zur Verfolgung des Verschlechterungstrends
Hinweis: Alle Prüfungen müssen den elektrischen Sicherheitsvorschriften entsprechen, Hochspannungskondensatoren müssen vor der Prüfung vollständig entladen sein!
Kondensatoren in PCBs
Kopplung Funktion
Kondensatoren fungieren als Kopplungskomponenten in Schaltungen, die niederfrequente Signale wirksam übertragen und eine Signalverstärkung ermöglichen, während sie die Gleichstrom-Arbeitspunkte benachbarter Schaltungsstufen isolieren, um gegenseitige Störungen zu vermeiden.Um eine effiziente Übertragung von Niederfrequenzsignalkomponenten zu gewährleisten, werden in der Konstruktion üblicherweise Elektrolytkondensatoren mit großer Kapazität (typischerweise im μF-Bereich) als Koppelkondensatoren verwendet.
Filterfunktion
In Stromversorgungsschaltungen filtern Kondensatoren hochfrequentes Rauschen aus Wechselstromsignalen heraus und sorgen für einen gleichmäßigen Gleichstromausgang.Insbesondere große Elektrolytkondensatoren stabilisieren pulsierende Gleichspannungen durch Lade-Entladevorgänge. Um die Stabilität der Stromversorgung zu verbessern, werden Elektrolytkondensatoren mit einigen zehn bis hundert Mikrofarad am Leistungsausgang und am Lasteingang oft parallel geschaltet, um durch Lastschwankungen verursachte Spannungsschwankungen zu unterdrücken.
Energiespeicherfunktion
Kondensatoren dienen als Energiespeicherkomponenten, indem sie Ladung speichern und bei Bedarf schnell wieder abgeben, um sofortigen Hochstrom zu liefern oder als Reservestromquelle zu dienen.Darüber hinaus können Kondensatoren mit Widerständen RC-Zeitschaltungen bilden, um präzise Zeitverzögerungen oder Zeitfunktionen zu erreichen, die in sequenziellen Steuerschaltungen weit verbreitet sind.
Nutzung und Optimierung der parasitären Kapazität
Bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten kann die parasitäre Kapazität strategisch genutzt werden, um die Leistung der Schaltung zu verbessern. Zum Beispiel:
Anpassung von Leiterbahnlayouts zur Nutzung parasitärer Kapazitäten für die Impedanzanpassung.
Die Parallel-Platten-Struktur, die durch die Stromversorgungs-Ebenen gebildet wird, erzeugt eine verteilte Kapazität, die eine niederohmige Ladungsspeicherung für Hochgeschwindigkeitskomponenten bietet, um sofortige Hochstromanforderungen zu erfüllen.
Schlussfolgerung
Kondensatoren haben beim Leiterplattendesign eine multifunktionale Aufgabe. Ihre Auswahl und Platzierung muss auf der Grundlage spezifischer Schaltungsanforderungen (z. B. Frequenzcharakteristik, Energiespeicherbedarf, Rauschunterdrückung) optimiert werden, um eine optimale Leistung zu erzielen.