Kondensator (elektrisk)

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Prinsippskisse av en kondensator med et dielektrikum mellom elektrodene
Forskjellige typer eldre kondensatorer. 1, 2 og 4 er keramiske, 3, 5, 6 folier, 7 elektrolytt
Forskjellige typer kondensatorer. De store er elektrolytt-kondensatorer
Forskjellige typer SMD-kondensatorer til venstre (fire tantaltyper nederst), keramisk og elektrolytt til høyre

En kondensator er en elektrisk komponent som er fremstilt for å oppvise en elektrisk kapasitans. Kapasitans er en fysisk egenskap som gjør at elektrisk energi lagres i rommet mellom to elektriske ledere. Rommet mellom lederne sies da å oppvise et elektrisk felt. Feltet settes opp av den elektriske spenningen som ligger mellom lederne, og feltet inneholder energien. Feltet fører til at lederne tiltrekkes av hverandre med en kraft gitt av spenningen og geometrien. Vakuum kan inneholde et slikt felt; det er ikke avhengig av tilstedeværelse av stoff (atomer).

Enhver kapasitans karakteriseres av mengden ladning som må til for å danne en gitt spenning mellom lederne. Denne karakteriserende størrelsen kalles kapasitet. Kapasiteten C måles i Farad [F] (som er lik Q/U, Coulomb/Volt) i SI-systemet. Kapasiteten øker med ledernes felles areal og er omvendt proporsjonal med avstanden mellom dem. Eldre kondensatorer er merket med kapasiteten målt i avstanden cm, hvor 1 cm tilsvarer 1,113 pF. Målesystemet er da CGS.

Rommet mellom lederne kan bestå av luft, vakuum eller et isolerende fast stoff, i spesialtilfeller også væsker og gasser. Slike stoffer øker alltid kapasiteten i forhold til i vakuum. Endringen er en fysikalsk egenskap for stoffet som vi kaller permittivitet eller (tidligere) dielektrisitetskonstant. Stoffet selv kalles et dielektrikum og permittiviteten måles som faktoren av kapasitetens endring i forhold til i vakuum, med den samme geometrien.

Ordbruken synes ikke helt fastlagt på norsk. Her i artikkelen er kondensatorens egenskap kalt kapasitans og kapasitansens størrelse er kalt kapasitet. Begrepet kapasitans brukes ellers også for å beskrive størrelsen, her kapasiteten. På engelsk brukes capacitance og capacity om hverandre, svensk bruker kapacitans som mål og dansk bruker kapacitet.


Kapasitet og kapasitans for to plane, like store, nærliggende og ledende plater, og relasjoner til annen fysikk kan beskrives som følger:

\ C = \varepsilon_0 \cdot \varepsilon \cdot {A\over d} Kapasiteten


\ E = {U\over d} Feltstyrken


\ F = {A \cdot E^2\over 8 \pi} Kraften mellom elektrodene i N


\ I = {dU\over dt}\cdot C Dynamisk sammenheng mellom strøm og spenning


\ Q = C\cdot U ladningen i Ampèresekund [As], eller Coulomb [C]


\ W = {1\over 2} U^2C Lagret energi


\ X = {-j\over {2\pi f C}} = {-j\over {\omega C}} Reaktansen


\ \varepsilon_0 = 8.8452...\cdot 10^{-12}\;\mathrm{F/m}.


Hvor

Bildet viser strøm og spenning for en 1 µF kondensator med 1 V amplitude over seg, ved 1 kHz. Spenningen starter og ender på 0, strømskalaen er til høyre
  • C er kapasiteten i Farad [F]
  • \ \varepsilon_0 er permittiviteten for vakuum i Farad per meter [F/m]
  • \ \varepsilon er stoffets relative permittivitet [-]
  • A er arealet av lederne i \ m^2
  • d er avstanden mellom lederne i meter [m]
  • E er feltstyrken i dielektrikumet uttrykt i Volt per meter [V/m]
  • I er elektrisk strøm i Ampere [A]
  • Q er ladningen i Ampèresekund [As], eller Coulomb [C]
  • U er elektrisk spenning i volt [V]
  • W er elektrisk energi i Joule [J], eller Wattsekund [Ws]
  • X er reaktansen for vekselstrøm i Ohm [ \Omega ] (vekselstrømsmotstand)
  • f er frekvensen i Hertz [Hz]
  • j er den imaginære enheten
  • \ \omega er vinkelfrekvensen \ 2\pi f [rad/s]
  • \ {d\over {dt}} er en derivasjonsoperasjon over tid.

Maksimal spenning[rediger | rediger kilde]

Foruten kapasiteten karakteriseres en kondensator av maksimal tillatt spenning mellom polene eller platene. Når spenningen, og derved feltstyrken, blir stor nok vil dielektrikumet oppleve et såkalt overslag; en kanal som oppstår i dielektrikumet blir plutselig godt ledende og all energi fra kondensatoren tømmes over denne lederen. Alt etter lagret energi kan denne hendelsen være ganske dramatisk. Hendelsen er til vanlig destruktiv når det ikke skjer i vakuum eller i en gass. Et slikt overslag skjer også i vakuum når feltstyrken blir noe større enn 1000 V/mm.

Praktiske byggemåter[rediger | rediger kilde]

Det finnes en rekke materialer som kan brukes som dielektrikum. En gammel klassiker er glimmer. Oljet papir, porselen og glass er i bruk. Forskjellige kunststoffer brukes, såsom et rikt utvalg av klassiske og moderne keramiske stoffer. Kunststoffer er eksempelvis polyester, polykarbonat, polypropylen, polystyren og teflon (sistnevnte er sjeldent og dyrt, men best for de fleste parametrene)

Egenskaper som er forskjellige for forskjellige dielektrika er

  • permittiviteten
  • temperaturkonstans av permittiviteten
  • frekvensområde
  • ulinjær forvrengning (kapasitetens spenningsavhengighet)
  • fuktighetsinnflytelse
  • ledningsevne (lekkasje)
  • andre tap
  • levetid (aldringsinnflytelse på permittiviteten)
  • spenningstoleranse (feltstyrke som vil gi overslag)
  • polarisering (se nedenfor)
  • memory-effekt
  • og flere

Memory-effekten beskriver det faktum at en ladet kondensator som kort blir utladet til null spenning gjennom en strømvei, etter hvert vil bygge opp en liten ladning igjen, hvis strømveien fjernes slik at minst en pol er fri (utilkoplet).

For kunststoff-folier er de fleste kondensatorer viklet med to isolerende og to ledende lag som er litt forskjøvet i forhold til hverandre. For å unngå induktiviteter er endespiralene forbundet, ofte loddet. I moderne SMD-kondensatorer skapes det forholdsvis store arealer ved å stable masse tynne ledende lag (med dielektrium imellom) på hverandre og så forbinde endene på annenhver leder med hverandre.

Tidligere radiomottakere brukte mekanisk variable kondensatorer for avstemming, og trimmekondensatorer for intern finjustering. Fra halvlederverdenen kommer kapasitetsdioden som oppviser en kapasitans som varierer med sperrespenningen som tilføres den.

Dersom kapasiteten til en ladet kondensator skulle forandre seg, blir ladningen (og derfor energien) beholdt og spenningen endrer seg tilsvarende slik at U = Q/C. Dette utnyttes i såkalte kondensatormikrofoner. Slike mikrofoner blir lett linjære fordi den mekaniske konstruksjonen er så enkel og membranet så lett.

SMD-kondensatorer[rediger | rediger kilde]

Moderne kondensatorer fremstilles for å loddes direkte på printkortets overflate, de har altså ingen tilledninger. De lages så små som mulig. Materialet for ikke-elektrolytter er alltid keramisk og kondensatoren er bygd opp med masse tynne stablete sjikt. Elektrolyttkondensatorer baserer seg på transisjonsmetallet tantal, et grunnstoff. Kvaliteten på kondensatorene er delt i to hovedgrupper av EIA-spesifikasjoner, klasse 1 (gode) og klasse 2 (dårligere). For klasse 1 er spesifikasjonene NP0 og C0G i bruk. En typisk klasse 2 spesifikasjon er X7R, men det fins mange flere. Hovedsakelig er temperaturkoeffisienten spesifisert; den utgjør nullen i betegnelsen NP0 og C0G. Ellers er parametre som kapasitetsvariasjon med tilført spenning viktig fordi den sier noe om hvor mye forvrengning kondensatoren kan innføre. Frem til nylig (2008) var det ikke mulig å lage klasse 1 SMD kondensatorer med verdier over cirka 4.7 nF. Nylig er det imidlertid kommet små klasse 1 kondensatorer på markedet, med verdier opp til cirka 220 nF i 25 og 50 V utførelser. Typisk blir klasse 2 kondensatorer brukt til avkoplinger og andre ukritiske formål, mens klasse 1 brukes i signalveier og for stabil tidsstyring. Målene sett ovenfra ("footprint") er gitt i tusendels tommer som LengdeBredde. 0805 og 0603 er små verdier, 1210 en noe større.

Elektrolyttkondensatorer[rediger | rediger kilde]

For å oppnå store kapasitetsverdier på små volum er det tre veier å gå: 1) Å bruke et materiale med svært høy permittivitet (dielektrisitetskonstant). 2) Å få ned avstanden mellom platene. 3) Å få opp platenes arealer. Den første metoden brukes blant annet i små, moderne, overflatemonterte komponenter med høyperimittive keramiske stoffer. De er ikke elektrolyttkondensatorer. De to siste metodene er samtidig i bruk i såkalte elektrolyttkondensatorer. En elektrolytt er en løsning av et stoff som i vann spaltes i ioner, som en syre eller base, og som derfor leder elektrisk strøm godt. Man lar elektrolytten kjemisk danne et n-atomtykt ikke-ledende skikt på den ene kondensatorpolen og selv opptre som intern leder. (n er et lavt tall.) Flatene er gjort svært skrukkete, eller matte, ved etsing for å øke den effektive overflaten. Kondensatorer fremstilt på denne måten er polariserte; de tåler likespenning i kun en gitt retning. Feilpolarisering vil kunne skade komponenten permanent. Tilkoplingene er merket med + og -. Strøm gjennom kondensatoren kan gå i begge retninger.

Kvalitet[rediger | rediger kilde]

Kondensatorer er ganske gode komponenter; de har svært små tap og de følger de fundamentale fysikalske beskrivelsene ganske nøye. Elektrolyttkondensatorer er et unntak her; de har forholdsvis kort levetid og er ikke svært stabile i verdiene sine. De danner forholdsvis lett en kortslutning. Fysikalsk-teoretisk sett kan en kondensator ikke avgi noe varme. I praksis har den små tap, hovedsakelig dielektriske tap.

Praktisk bruk[rediger | rediger kilde]

Kondensatoren har mange bruksområder.

Glatting[rediger | rediger kilde]

Elektrolyttkondensatorer blir brukt i kraftforsyninger for å jevne ut den likerettede spenningen slik at likespenningen opprettholdes mellom hver halvperiode. Den brukes også til å minimere rippelspennning.

Fasekompensering[rediger | rediger kilde]

Kondensatorer blir koblet inn sammen med induktive laster som f.eks lysstoffrør eller elektriske motorer for å oppheve faseforskyvningen mellom strømmen og spenningen. I en induktiv last, vil det oppstå en induktiv strøm som ligger 90 grader før den resistive strømmen, mens i en kapasitiv last, vil den kapasitive strømmen ligge 90 grader etter den resistive strømmen. Ved å koble disse to kretsene sammen, opphever de faseforskyvningen til hverandre, slik at den resulterende strømmen vil ha mindre faseforskyvning fra spenningen og den resistive strømmen.

Koblingskondensator[rediger | rediger kilde]

Siden kondensatoren ikke har galvanisk forbindelse mellom platene blokkerer den for likestrøm. Frekvensavhengig leder den vekselstrøm. Kondensatoren blir derfor brukt til å separere ut et AC-signal som ligger på toppen av en likespenning, slik at man får et signal som varierer rundt null. Kondensatoren kan likeledes brukes til å legge et symmetrisk AC-signal på toppen av et knutepunkt som oppviser en likespenning. Det sistnevnte er typisk for en inngang, det førstnevnte for en utgang av et forsterkertrinn.

Tidsforsinkelse[rediger | rediger kilde]

I elektronikken blir kondensatoren brukt som en tidsforsinkelse ved å koble den i serie med en motstand. Ved å variere verdien på kondensatoren og/eller motstanden, kan man bestemme hvor lang tid det skal ta før kondensatoren har ladet seg opp til et visst spenningsnivå. Tiden det tar fra kondensatoren har ladet seg opp fra 0V til 63% av forsyningsspenningen kalles tidskonstanten og regnes ut ved t = R*C der R er motstandens resistans i Ohm og C er kondensatorens kapasitans i Farad. Etter 5 tidskonstanter sier man at kondensatoren er fulladet. Den samme formelen kan også brukes om utladningen av kondensatoren. Den vil da på et tidskonstant lade seg ut til 37 % av den opprinnelige spenningen, og etter 5 tidskonstanter vil den være helt utladet (0,67 %).

Filtre[rediger | rediger kilde]

Kondensatorer kapasitanser, spoler induktanser og motstander resistanser brukes til å bygge opp lavpass-, høypass-, bandpass- og bandstoppfiltre i aktive (forsterkende) kretser eller i passive, som ikke inneholder videre komponenttyper. Se pol.

Resulterende kapasitans i seriekobling[rediger | rediger kilde]

Capacitorsseries.png

\ {1\over {C_{tot}}} = {1\over {C1}} + {1\over {C2}} + ... + {1\over {Cn}}

Den resulterende kapasiteten blir alltid mindre enn den minste enkeltkapasiteten.

Resulterende kapasitans i parallellkobling[rediger | rediger kilde]

Capacitorsparallel.png

\ C_{tot} = C1 + C2 + ... + Cn

Den resulterende kapasiteten blir alltid større enn den største enkeltkapasiteten.