Inhoudsopgave De condensator

Transcriptie

1

2 Inhoudsopgave Inhoudsopgave...2 Inleiding...3 Capaciteit...3 Complexe impedantie...4 De condensator in serie of parallel schakeling...4 Parallelschakeling...4 Serieschakeling...4 Aflezen van de capaciteit...5 Opdruk...5 Normaal...5 Drie cijferig...5 Kleurcode...5 Bij uitvoering van herstellingen...5 Cyclisch laden en ontladen...6 Uitvoeringen...7 Begrippen...7 Doorslagspanning...7 Lekstroom...7 Verlieshoek De condensator

3 Inleiding Een condensator is een elektronische component die is opgebouwd uit twee geleiders met een relatief grote oppervlakte, die zich dicht bij elkaar bevinden en door een isolator, het diëlektricum, worden gescheiden. De elektronische tegenhanger van de condensator is de spoel. Waar een condensator een grote tot oneindige weerstand vormt voor gelijkstroom, en een geleider voor wisselstroom, heeft een spoel juist een grotere tot oneindige weerstand (impedantie) voor wisselstroom. Voor beide componenten is de impedantie bij wisselstroom afhankelijk van de frequentie. Men zegt dat een condensator energie opslaat. Bij aansluiten aan een gelijkstroom zullen doorheen de isolator, ladingen op de twee elementen elkaar aantrekken. Losmaken van de voeding belet de ladingen zich te verplaatsen: ze blijven daarom op de platen. Het gevolg is dus een spanning of lading die achterblijft. Let op de juiste aansluiting van de condensatoren wanneer deze gepolariseerd zijn!! Capaciteit Een condensator is in staat elektrische lading op te slaan. Dit vermogen wordt de capaciteit van de condensator genoemd en uitgedrukt in de eenheid farad (symbool F). Een condensator die een lading bevat van 1 coulomb en waarover een spanning van 1 volt staat, heeft een capaciteit van 1 farad. Q = C x U waarin Q in Coulomb, C in Farad en U in Volt De opgeslagen energie in een condensator wordt weergegeven als: Waain E wordt uitgedrukt in Volt De capaciteit van een condensator is afhankelijk van de oppervlakte (S) van de platen, de afstand tussen beide platen het diëlectricum (e) en de diëlectrische constante (e r ) C = e r x S/e De condensator

4 Complexe impedantie Een condensator met capaciteit C en spanning U heeft een lading Q = CU. Daaruit volgt voor de stroom I die vloeit door de condensator: Hierin is C uitgedrukt in farad, I in Ampère, U in Volt en Q in Coulomb Indien de aangelegde spanning een enkele sinusgolf met hoekfrequentie ω is, kan de spanning (complex) geschreven worden als: Hierin is e = 2,72, ω in radialen en t in seconden. Hoekfrequentie ω = 2 x π x f Hieruit volgt voor de stroom: Zodat Hierin is Z C de complexe impedantie (capacitantie) van de condensator. Door de factor j loopt de stroom I 90 in fase voor op de spanning U. Het complexe elektrisch vermogen (= UI) dat geleverd wordt is daarom nul. De condensator in serie of parallel schakeling Parallelschakeling Door condensatoren parallel te plaatsen doet men eigenlijk het zelfde als het vergroten van het oppervlak van de platen. Daarom moet men dus de waarde van de condensatoren optellen om het resultaat van de parallelschakeling te zien. C p = C 1 + C 2 = 10µF + 10µF = 20µF Serieschakeling Omgekeerd merkt men dat hier het totale diëlectricum dikker wordt. Uit de formule leidt men dan af dat de capaciteit kleiner moet zijn dan die van de samenstellende condensatoren. Voor 2 condensatoren wordt de formule dan zo uitgewerkt: C s = C 1 xc 2 / (C 1 +C 2 ) = 10µFx10µF / 20µF = 5µF De condensator

5 Aflezen van de capaciteit Opdruk Normaal Hierbij wordt de capaciteit vooledig op de behuizing van de condensator weergegeven eventueel de eenheid bijgeplaatst. Wanneer deze eenheid niet wordt vermeld gaat mer er van uit dat de weergegeven waarde is uitgedrukt in picofarad. Vb 330µF Drie cijferig Bij een opdruk met drie cijfers zonder expliciet aangegeven eenheid is het derde cijfer de vermenigvuldigingsfactor (macht van 10). Een keramische condensator met bijvoorbeeld opdruk 104 heeft een capaciteit van = = pf = 100 nf. Kleurcode Bij gebruik van de kleurcodering is het systeem bij de eerste drie banden (geteld vanaf de bovenkant/buitenkant van de condensator) analoog aan dat van de weerstand, dus de eerste band geeft de tientallen, de tweede band de eenheden en de derde band de vermenigvuldigingsfactor (macht van 10) weer, dit alles in picofarad. Een vierde band kan de tolerantie weergeven zoals bij weerstanden, en de vijfde band de maximaal toegelaten spanning. Bij uitvoering van herstellingen Condensatoren zijn de onderdelen bij uitstek die het in een elektronische schakeling begeven. Defecte toestellen vertonen zeer dikwijls één of andere defecte condensator of één die zodanig in waarde is verlopen dat de kring niet meer werkt zoals bedoeld. De oorzaak kan zijn: een lek door het diëlectricum (vooral bij elektrolytische condensatoren ) kortsluiting doorheen het elektrolyt. In het eerste geval zal door de lek de waarde zodanig kunnen veranderen dat de werkelijke waarde nog weinig met de beoogde waarde te maken heeft. De kring gedraagt zich dan niet meer volgens het concept. In het tweede geval zal door de tijd de condensator steeds meer gaan opwarmen en mogelijk zelfs ontploffen. Hij zal eerst wel opwarmen, wat al een aanwijzing kan zijn De condensator

6 Cyclisch laden en ontladen In het blauw de blokspanning zoals deze uit de generator komt. In het rood de spanning op de klemmen van de condensator. het onderste oscilloscoopbeeld geeft het laden van de condensator met weerstand weer en het bovenste oscilloscoop zonder weerstand. We stellen een verschil in vorm vast. De weerstand beperkt enigszins het laden van de condensator. Omdat de laadstroom kleiner is, zal er meer tijd nodig zijn om het maximum te bereiken. Als de weerstand zeer groot is kan het zijn dat het maximum niet wordt bereikt (de rode lijn komt niet tot het horizontale blauwe deel). Keert de polariteit om, dan gaat de condensator zich op een gelijkaardige manier doorheen de generator ontladen. De inwendige weerstand van de generator tellen we op bij die in de schakeling. De spanning over de condensator kan bij opladen na een tijd "t" volgens deze formule berekend worden: U copgeladen = U bron x (1-e -t/rc ) Omgekeerd zal deze spanning bij ontladen volgens deze formule berekend worden: U Cresterend = U copgeladen x (e -t/rc ) Tijdsconstante RC wordt ook weergegeven als Tau ( ). 1 tijdsconstante is de tijd nodig om 63% van de maximum spanning te bekomen. Men zegt dat de condensator na 5 tijdsconstanten volledig geladen is. 1 Tau = 63,00% De tabel hiernaast geeft de procentuele lading weer van een 2 Tau = 80,01% condensator bij de tijdsconstante. 3 Tau = 92,60% 4 Tau = 97,26% 5 Tau = 98,98% na 5 Tau zal de condensator voor 98,98% opgeladen zijn 6 Tau = 99,62% 7 Tau = 99,86% na 7 Tau zal de condensator voor 99,86% opgeladen zijn 8 Tau = 99,94% Zoals men kan zien in de tabel zal de snelheid van het laden van de condensator verminderd worden naargelang hoe dichter men bij de maximumwaarde komt (logaritmisch). Het neperiaans logaritme (e) = 2, vaak afgekort naar 2, De condensator

7 Uitvoeringen De voornaamste karakteristieken die de keuze bepalen zijn: de capaciteit, de tolerantie, verlieshoek (kwaliteit van het diëlektricum), toegelaten temperatuur, stabiliteit en mechanische afmetingen. keramische (kleine capaciteit, hoge doorslagspanning) mica (kleine capaciteit, hoge doorslagspanning, geringe verliezen) elektrolytische condensator (hoge capaciteit mogelijk, relatief lage ohmse weerstand, vooral gebruikt voor spanningstabilisatie, kortweg elco genoemd) tantaal-elco (hoge capaciteit mogelijk bij kleine afmeting) variabele (trimmer, afstemcondensator of varicap gebruikt in radioontvangers) oliecondensatoren (voor hoge vermogens) supercondensatoren(supercaps, uitzonderlijk hoge capaciteit van 1 tot vele F maar met relatief hoge lekstroom ) Begrippen Doorslagspanning De elektrische spanning waarbij de condensator zijn isolerend vermogen verliest en geleidend wordt. De isolator wordt verbrand door de te hoge spanning. Lekstroom Elk isolatiemateriaal onder spanning laat wel iets van elektrische stroom door, de lekstroom Verlieshoek Een gewone condensator kan beschouwd worden als een ideale condensator C, parallel aan een ideale weerstand R. Een spanning U over de condensator zal dus aanleiding geven tot een gewenste stroom I C door de condensator en een ongewenste stroom I R door de weerstand. Bij een gelijkspanning over de condensator is I C = 0 maar de stroom door de weerstand zal er voor zorgen dat de condensator spanning "verliest". waarbij XC de reactantie van de condensator is, en ω de hoekfrequentie van een wisselspanningssignaal over de condensator. Hieruit kan eenvoudig de verlieshoek δ berekend worden. De formule hierboven is enkel geldig voor condensatoren in parallelle ketens, voor condensatoren in serieketens bekomt men het volgende: De condensator