Yksityiskohtaiset perusteet kondensaattoreista

1.Määritelmä

Kondensaattori on sähkökomponentti, jota käytetään varastoimaan ja vapauttamaan energiaa sähkökentässä. Kun sen liittimiin syötetään jännite, johtimien (levyjen) väliin muodostuu sähkökenttä, jolloin kondensaattori voi varastoida energiaa.

 

Kapasitanssin yksikkö on farad (F). Käytännön sovelluksissa käytetään yleisemmin pienempiä yksiköitä, kuten mikrofaradeja (μF), nanofaradeja (nF) ja pikofaradeja (pF).

 

2. Toimintaperiaate

Kondensaattori koostuu kahdesta johtavasta levystä, jotka on erotettu eristemateriaalilla, jota kutsutaan dielektriseksi. Kun tasajännite syötetään levyjen yli, elektronit kerääntyvät yhdelle levylle antaen sille negatiivisen varauksen, kun taas sama määrä elektroneja poistetaan vastakkaisesta levystä, jolloin se varautuu positiivisesti.

 

Tämä varauksen erottuminen luo sähkökentän eristeessä. Kondensaattori varastoi energiaa tähän sähkökenttään ja säilyttää varauksen niin kauan kuin jännite on päällä eikä purkausreittiä ole. Kun johtava polku avataan, varastoitu energia vapautuu, kun virta kulkee ulkoisen piirin läpi.

 

3. Kapasitanssi

Kondensaattorin kapasitanssi C riippuu seuraavista tekijöistä:

 

Levyn alueA:Suurempi levypinta-ala johtaa suurempaan kapasitanssiin.

 

Levyjen välid:Pienempi etäisyys levyjen välillä lisää kapasitanssia.

 

Permittiviteettiε:Dielektrisen materiaalin tyyppi vaikuttaa kapasitanssiin; materiaalit, joilla on suurempi permittiivisyys, antavat suuremman kapasiteetin.

 

Suhteen antaa:

 

 

jossa:

• Ε on dielektrisen materiaalin permittiivisyys

 

• A on levyjen tehollinen pinta-ala

 

• d on levyjen välinen etäisyys

 

4. Kapasitanssin yksikkö

 

Kapasitanssin yksikkö on farad (F). Koska farad on erittäin suuri yksikkö, useimmat käytännölliset kondensaattorit on mitoitettu pienemmiksi yksiköiksi, kuten picofarads (pF), nanofarads (nF) ja mikrofarads (μF).

Kapasitanssi ilmaisee, kuinka paljon sähkövarausta kondensaattori pystyy varastoimaan jänniteyksikköä kohti. Sen määrittelee suhde:

jossa:

 

• Q on tallennettu varaus,

 

• C on kapasitanssi ja

 

• V on käytetty jännite.

 

Siten suurempi kapasitanssi tarkoittaa, että enemmän varausta voidaan varastoida samalla jännitteellä.

 

On tärkeää huomata, että kapasitanssi ei itsessään edusta absoluuttista latauskapasiteettia; pikemminkin se kuvaa varauksen ja jännitteen välistä suhdetta. Tietyllä kapasitanssilla kiinteä varausmäärä vastaa suhteellista jännitteen muutosta.

 

Kondensaattorin nimellisjännite viittaa enimmäisjännitteeseen, jonka se voi turvallisesti kestää ilman vaurioita. Tallennetun varauksen määrä kasvaa sekä kapasitanssin että jännitteen myötä.

 

Yleensä suuremmilla kondensaattoreilla (suuremmilla kapasitanssiarvoilla) on yleensä suurempi fyysinen koko ja korkeammat kustannukset.

 

5. Kondensaattorien luokitus

Polarisoidut kondensaattorit

Polarisoiduissa kondensaattoreissa on selkeästi määritellyt positiiviset ja negatiiviset liittimet. Ne on kytkettävä oikealla napaisuudella; Muussa tapauksessa käänteinen kytkentä voi aiheuttaa ylikuumenemisen, vuotamisen tai jopa repeämisen ja räjähdyksen.

 

Nestemäiset elektrolyyttikondensaattorit

Nesteelektrolyyttikondensaattorit ovat eräänlainen polarisoitunut kondensaattori. Ne tarjoavat suhteellisen suuren kapasitanssin ja kestävät korkeampia jännitetasoja, mutta ne ovat tyypillisesti kooltaan suurempia, niillä on rajoitettu korkea{1}}taajuinen suorituskyky ja kohtuullinen käyttöikä.

 

Näitä kondensaattoreita käytetään laajalti tehonsyöttöpiireissä suodatukseen ja jännitteen tasoittamiseen.

 

Yleinen esimerkki on alumiininen elektrolyyttikondensaattori. Se asennetaan usein lähelle virtalähteitä energian varastoimiseksi ja jännitteen vakauttamiseksi.

 

Kiinteät{0}}johdeelektrolyyttikondensaattorit

 

Tantaalikondensaattorit ovat eräänlainen elektrolyyttikondensaattori, joka käyttää tantaalimetallia anodina ja kiinteänä elektrolyyttinä. Ne kuuluvat puolijohde--elektrolyyttikondensaattorien luokkaan.

 

Ne tarjoavat korkean kapasitanssin tilavuusyksikköä kohti (pieni koko), hyvän vakauden, alhaisen vuotovirran ja luotettavan suorituskyvyn laajalla lämpötila-alueella.

Niillä on kuitenkin tyypillisesti alhaisemmat jännitearvot verrattuna joihinkin muihin kondensaattorityyppeihin, ja ne ovat herkkiä ylijännitteelle ja käänteiselle polariteetille.

 

Tantaalikondensaattorit ovat polarisoituja ja ne on kytkettävä oikealla napaisuudella. Niitä käytetään yleisesti pieni-jännitteisissä, pienikokoisissa elektronisissa laitteissa virtalähteen suodatukseen, irrotukseen ja äänisovelluksiin.

 

Esimerkiksi tantaalikondensaattoreita käytetään laajalti matkapuhelimissa ja niitä löytyy yleisesti myös tietokoneista.

 

Ei--polarisoidut kondensaattorit

 

Keraamiset kondensaattorit

Keraamiset kondensaattorit (tunnetaan myös nimellä keraamiset levykondensaattorit) ovat polarisoimattomia komponentteja, eli niissä ei ole positiivisia tai negatiivisia napoja ja ne voidaan kytkeä kumpaankin suuntaan.

 

Niille on ominaista pienet kapasitanssiarvot, korkeat jännitearvot, kompakti koko ja erinomainen korkean{0}}taajuuden suorituskyky. Näiden ominaisuuksien vuoksi keraamisia kondensaattoreita käytetään laajalti sovelluksissa, kuten irrotuksessa, suodatuksessa ja signaalin kytkemisessä elektronisissa piireissä.

 

6. Mitat Toleranssi

 

Kondensaattorien toleranssit ovat yleensä suhteellisen suuret verrattuna muihin elektronisiin komponentteihin.

 

Keraamisille kondensaattoreille yleisiä toleranssiluokkia ovat:

 

±5% (J)– tiukempi toleranssi

 

±10% (K)– yleisesti käytetty

 

±20% (M)- laajalti käytetty

 

+80% / −20% (Z)– erittäin löysä toleranssi

 

Käytännössä:

 

pF{0}}tason kondensaattoritKäytä usein ±5 % toleranssia

 

nF{0}}tason kondensaattoritKäytä yleensä ±10 % toleranssia

 

μF{0}}tasokondensaattoritkäytetään yleensä ±20 % toleranssia

 

Elektrolyyttikondensaattoritovat yleensä ±20 % tai leveämpiä

 

Tarkkoja{0}kondensaattoreita käytetään harvemmin, koska monet kondensaattorisovellukset-kuten virtalähteen suodatus ja jännitteen tasoitus-eivät vaadi erittäin tarkkoja kapasitanssiarvoja. Pienillä poikkeamilla on yleensä minimaalinen vaikutus piirin suorituskykyyn.

 

Kuitenkin sovelluksissa, kuten RF-sovitus- ja suodatinverkot, tiukempia toleransseja (esim. ±5 %) voidaan tarvita vakaan taajuusominaisuuksien varmistamiseksi. Näissäkin tapauksissa äärimmäisen suuri tarkkuus on usein tarpeetonta, koska vakiotoleranssit riittävät pitämään oikean toiminnan.

 

7. Kondensaattorin mitat

 

Keraamisten ja tantaalikondensaattorien pakkauskoot noudattavat samaa standardia kuin vastukset. Pienemmät pinta{1}}asennuskomponentit käyttävät imperial-koodeja, kuten 0201, 0402, 0603 ja 0805, kun taas suuremmat paketit voidaan ilmaista myös metrikoodeilla, kuten 2520, 3525 jne.

 

Sylinterimäisten elektrolyyttikondensaattorien mitat ilmoitetaan tyypillisesti halkaisija × korkeus (esim. 6 mm × 11 mm).

 

Laitesuunnittelussa on yleensä suositeltavaa varata kondensaattoreille hieman suurempi jalanjälki aina kun mahdollista. Jos esimerkiksi varataan 6 × 11 mm:n jalanjälki, suurin tyypillinen määritys voi olla noin 100 μF, 25 V. Vaikka on helppo korvata pienempi kondensaattori kustannusten alentamiseksi, päivittäminen merkittävästi suurempaan kapasitanssiin saman koon sisällä ei yleensä ole mahdollista. Esimerkiksi 470 μF, 25 V:n kondensaattoria ei tyypillisesti voida valmistaa 6 × 11 mm:n pakkauksessa.

 

Sama huomio koskee keraamisia kondensaattoreita. Esimerkiksi paketissa 0805 suurin yleisesti saatavilla oleva määritys on noin 22 μF, 6,3 V. Kondensaattoreita, joilla on suurempi kapasitanssi tai korkeampi jännite, on vaikea saada tässä pakkauskoossa.