Der Ladungsspeicherprozess von
Kondensatoren
Dabei handelt es sich um Polarisationsphänomene innerhalb des Dielektrikums auf Mikroebene. Wenn an die beiden Platten eines Kondensators eine Spannung angelegt wird, erfahren Atome oder Moleküle im Dielektrikum eine Verschiebungspolarisation oder Orientierungspolarisation.
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Verschiebungspolarisation
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In Dielektrika, die aus unpolaren Molekülen wie Wasserstoff, Methan usw. bestehen, verschieben sich unter Einwirkung eines externen elektrischen Feldes die Zentren positiver und negativer Ladungen in den Molekülen relativ zueinander und bilden elektrische Dipole. Diese Dipole sind in Richtung des äußeren elektrischen Feldes angeordnet und auf der Oberfläche des Dielektrikums entstehen Polarisationsladungen.
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Orientierungspolarisierung
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Bei Dielektrika, die aus polaren Molekülen bestehen, wie z. B. Wasser, organisches Glas usw., haben die Moleküle zwar ein inhärentes elektrisches Dipolmoment, doch in Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes ist aufgrund der thermischen Bewegung der Moleküle die Orientierung des elektrischen Dipolmoments unterschiedlich Das Dipolmoment ist ungeordnet und das Dielektrikum als Ganzes ist elektrisch neutral. Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, dreht sich das elektrische Dipolmoment polarer Moleküle in die Richtung des externen elektrischen Feldes, was zu einem makroskopischen Polarisationsphänomen führt.
Ausgehend vom Gaußschen Gesetz des elektrischen Feldes ergibt sich die Formel für die Kapazität eines Parallelplattenkondensators kann abgeleitet werden, wo ist die Vakuumpermittivität, ist die relative Permittivität des Dielektrikums, ist die Plattenfläche und ist der Plattenabstand. Diese Formel spiegelt die Beziehung zwischen der Kapazität und den Struktur- und Materialparametern des Kondensators wider.
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Niederfrequenzeigenschaften
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Bei niedrigen Frequenzen bleibt der Kapazitätswert des Kondensators grundsätzlich unverändert und kann entsprechend dem statischen Kapazitätswert Ladungen speichern und abgeben.
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Hochfrequenzeigenschaften
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Wenn die Frequenz aufgrund des Einflusses der parasitären Parameter des Kondensators (wie Leitungsinduktivität, Zwischenplattenkapazität usw.) zunimmt, ändert sich sein äquivalenter Kapazitätswert. Bei Kondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante, wie etwa einigen Keramikkondensatoren, treten bei hohen Frequenzen dielektrische Verluste auf, die zu einer Verringerung des Kapazitätswerts führen.
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Energieverlust
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ESR verursacht Joulesche Wärme während des Lade- und Entladevorgangs des Kondensators und den Leistungsverlust , Wo ist der Strom, der durch den Kondensator fließt. In Anwendungen mit hohem Lade- und Entladestrom, wie beispielsweise dem Energiemanagementsystem von Elektrofahrzeugen, erzeugen Kondensatoren mit hohem ESR eine große Wärmemenge, die die Effizienz und Stabilität des Systems beeinträchtigt.
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Auswirkungen auf die Schaltungsleistung
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In einigen Schaltkreisen mit hohen Anforderungen an die Signalintegrität, wie z. B. digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen und Hochfrequenzschaltkreisen, beeinflusst ESR die Wellenform und Übertragungsqualität von Signalen. Kondensatoren mit niedrigem ESR können die Welligkeiten in der Stromversorgung besser herausfiltern und die Reinheit des Signals aufrechterhalten.
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Elektrischer Doppelschichtkondensator (EDLC)
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Sein Prinzip basiert auf der Doppelschicht, die an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt gebildet wird. An der Oberfläche der Elektrode werden Ionen im Elektrolyten elektrostatisch angezogen und bilden Ladungsschichten ähnlich wie Kondensatorplatten, und der Abstand zwischen den beiden Ladungsschichten ist extrem klein (normalerweise im Nanobereich), sodass ein großer Kapazitätswert in einem kleinen Zustand erhalten werden kann Volumen.
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Elektrische Doppelschichtkondensatoren zeichnen sich durch Eigenschaften wie hohe Leistungsdichte und lange Zyklenlebensdauer aus und können bei schnellen Lade- und Entladevorgängen eingesetzt werden, beispielsweise beim Start- und Bremsenergierückgewinnungssystem von Elektrobussen.
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Pseudokondensator
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Der Ladungsspeichermechanismus von Pseudokondensatoren beinhaltet schnelle reversible Redoxreaktionen auf der Oberfläche der Elektrode. Wenn beispielsweise Übergangsmetalloxide (wie Rutheniumdioxid) oder leitfähige Polymere (wie Polyanilin) als Elektrodenmaterialien verwendet werden, kommt es während des Lade- und Entladevorgangs zu Redoxreaktionen zur Speicherung und Abgabe von Ladungen.
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Pseudokondensatoren haben eine höhere Energiedichte als elektrische Doppelschichtkondensatoren, ihre Zyklenlebensdauer ist jedoch relativ kurz. Derzeit werden sie in Bereichen wie kraftunterstützten Systemen von Hybridfahrzeugen eingesetzt.
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Strukturelle Merkmale
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MLCC besteht aus mehreren Schichten keramischer Dielektrika und metallischer Innenelektroden, die abwechselnd gestapelt und gesintert sind. Diese Struktur kann einen großen Kapazitätswert in einem kleinen Volumen erreichen und weist gute Hochfrequenzeigenschaften auf.
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Technische Herausforderungen und Anwendungen
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Mit der Miniaturisierung und Hochleistung elektronischer Geräte muss sich MLCC in Richtung höherer Kapazität und höherer Spannungsfestigkeit entwickeln. In der Ausrüstung von 5G-Kommunikationsbasisstationen wird MLCC in Hochfrequenzschaltungen verwendet, was extrem hohe Anforderungen an seine Leistungsstabilität und Zuverlässigkeit stellt.
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Elektrofahrzeuge
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Kondensatoren spielen in Elektrofahrzeugen eine entscheidende Rolle. Zusätzlich zu den oben genannten Superkondensatoren zur Energierückgewinnung und Hilfsenergie werden im Batteriemanagementsystem (BMS) von Elektrofahrzeugen Folienkondensatoren verwendet, um den Stromkreis zu schützen und Schäden an elektronischen Bauteilen durch die beim Überladen der Batterie entstehende Hochspannung zu verhindern. Aufladung und Tiefentladung.
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Speicher für erneuerbare Energien
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In den Speichersystemen erneuerbarer Energien wie Solarenergie und Windenergie können Kondensatoren mit Batterien und Superkondensatoren ein hybrides Energiespeichersystem bilden. Kondensatoren können schnell auf Änderungen der Lastleistung reagieren und in kurzer Zeit eine große Menge elektrischer Energie bereitstellen oder absorbieren, während die Batterie zur langfristigen Energiespeicherung verwendet wird, wodurch die Leistung und Effizienz des gesamten Energiespeichersystems verbessert wird.
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Kontrolle und Kopplung von Quantenbits
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In einigen Quantencomputersystemen, beispielsweise Quantenbitsystemen, die auf supraleitenden Josephson-Übergängen basieren, ist eine präzise Steuerung und Kopplung von Quantenbits erforderlich. Kondensatoren können eine wichtige Komponente in supraleitenden Quantenbit-Schaltkreisen sein, die zur Speicherung und Regulierung von Ladung sowie zur Steuerung und Funktionsweise des Quantenbit-Zustands verwendet werden.
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Unterdrückung der Dekohärenz von Quantenschaltungen
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Die Dekohärenz von Quantensystemen ist ein zentrales Thema für die Zuverlässigkeit des Quantencomputings. Durch den rationalen Entwurf von Quantenschaltungen mit Kondensatoren kann die Wechselwirkung zwischen Quantenbits und der Umgebung bis zu einem gewissen Grad unterdrückt werden, wodurch die Kohärenzzeit von Quantenbits verlängert und die Genauigkeit und Stabilität des Quantencomputings verbessert werden.