Detaljert grunnleggende om kondensatorer

1. Definisjon

En kondensator er en elektrisk komponent som brukes til å lagre og frigjøre energi i et elektrisk felt. Når en spenning påføres over terminalene, etableres et elektrisk felt mellom lederne (platene), slik at kondensatoren kan lagre energi.

 

Enheten for kapasitans er farad (F). I praktiske applikasjoner er mindre enheter som mikrofarader (μF), nanofarader (nF) og picofarader (pF) mer vanlig brukt.

 

2. Arbeidsprinsipp

En kondensator består av to ledende plater atskilt av et isolasjonsmateriale kalt dielektrisk. Når en likespenning påføres over platene, samler elektroner seg på én plate, noe som gir den en negativ ladning, mens et likt antall elektroner fjernes fra den motsatte platen, noe som gjør den positivt ladet.

 

Denne separasjonen av ladning skaper et elektrisk felt i dielektrikumet. Kondensatoren lagrer energi i dette elektriske feltet og beholder ladningen så lenge spenningen tilføres og ingen utladningsbane er gitt. Når en ledende bane introduseres, frigjøres den lagrede energien når strømmen flyter gjennom den eksterne kretsen.

 

3.Kapasitans

Kapasitansen C til en kondensator avhenger av følgende faktorer:

 

PlateområdeA:Et større plateareal gir høyere kapasitans.

 

Plateavstandd:En mindre avstand mellom platene øker kapasitansen.

 

Permittivitetε:Typen dielektrisk materiale påvirker kapasitansen; materialer med høyere permittivitet gir høyere kapasitans.

 

Forholdet er gitt av:

 

 

hvor:

• Ε er permittiviteten til det dielektriske materialet

 

• A er det effektive arealet til platene

 

• d er avstanden mellom platene

 

4. Kapasitansenhet

 

Enheten for kapasitans er farad (F). Siden farad er en veldig stor enhet, er de fleste praktiske kondensatorer vurdert i mindre enheter som picofarads (pF), nanofarads (nF) og mikrofarads (μF).

Kapasitans indikerer hvor mye elektrisk ladning en kondensator kan lagre per spenningsenhet. Det er definert av forholdet:

hvor:

 

• Q er den lagrede ladningen,

 

• C er kapasitansen, og

 

• V er den påførte spenningen.

 

Dermed betyr en høyere kapasitans mer ladning kan lagres ved samme spenning.

 

Det er viktig å merke seg at kapasitans ikke representerer en absolutt ladekapasitet i seg selv; snarere beskriver den forholdet mellom ladning og spenning. For en gitt kapasitans tilsvarer en fast mengde ladning en proporsjonal endring i spenning.

 

Spenningen til en kondensator refererer til den maksimale spenningen den trygt tåler uten skade. Mengden lagret ladning øker med både kapasitans og påført spenning.

 

Generelt har større kondensatorer (med høyere kapasitansverdier) en tendens til å ha større fysiske størrelser og høyere kostnader.

 

5. Klassifisering av kondensatorer

Polariserte kondensatorer

Polariserte kondensatorer har klart definerte positive og negative terminaler. De må kobles med riktig polaritet; ellers kan omvendt tilkobling forårsake overoppheting, lekkasje eller til og med brudd og eksplosjon.

 

Væskeelektrolytiske kondensatorer

Væskeelektrolytiske kondensatorer er en type polarisert kondensator. De tilbyr relativt høy kapasitans og kan håndtere høyere spenningsnivåer, men de er vanligvis større i størrelse, har begrenset høyfrekvent ytelse og moderat levetid.

 

Disse kondensatorene er mye brukt i strømforsyningskretser for filtrering og spenningsutjevning.

 

Et vanlig eksempel er elektrolytisk kondensator av aluminium. Det er ofte installert i nærheten av strømforsyninger for å gi energilagring og stabilisere spenning.

 

Solid-elektrolytiske kondensatorer

 

Tantalkondensatorer er en type elektrolytisk kondensator som bruker tantalmetall som anode og en solid elektrolytt. De tilhører kategorien faststoff-elektrolytiske kondensatorer.

 

De tilbyr høy kapasitans per volumenhet (liten størrelse), god stabilitet, lav lekkasjestrøm og pålitelig ytelse over et bredt temperaturområde.

Imidlertid har de vanligvis lavere spenningsklassifisering sammenlignet med noen andre kondensatortyper og er følsomme for overspenning og omvendt polaritet.

 

Tantalkondensatorer er polariserte og må kobles til med riktig polaritet. De brukes ofte i kompakte-lavspente elektroniske enheter for strømforsyningsfiltrering, frakobling og lydapplikasjoner.

 

For eksempel er tantalkondensatorer mye brukt i mobiltelefoner og er også ofte funnet i datamaskiner.

 

Ikke-polariserte kondensatorer

 

Keramiske kondensatorer

Keramiske kondensatorer (også kjent som keramiske platekondensatorer) er ikke-polariserte komponenter, noe som betyr at de ikke har noen positive eller negative terminaler og kan kobles til i begge retninger.

 

De er preget av små kapasitansverdier, høye spenningsklasser, kompakt størrelse og utmerket høyfrekvent ytelse. På grunn av disse egenskapene er keramiske kondensatorer mye brukt i applikasjoner som frakobling, filtrering og signalkobling i elektroniske kretser.

 

6. Dimensjoner Toleranse

 

Kondensatorer har generelt relativt store toleranser sammenlignet med andre elektroniske komponenter.

 

For keramiske kondensatorer inkluderer vanlige toleransegrader:

 

±5% (J)– strammere toleranse

 

±10% (K)– ofte brukt

 

±20% (M)– mye brukt

 

+80% / −20% (Z)– veldig løs toleranse

 

I praksis:

 

pF-nivåkondensatorerbruker ofte ±5 % toleranse

 

nF-nivå kondensatorerbruker vanligvis ±10 % toleranse

 

μF-nivå kondensatorerbruker vanligvis ±20 % toleranse

 

Elektrolytiske kondensatorerer vanligvis vurdert til ±20 % eller bredere

 

Kondensatorer med høy-presisjon er mindre vanlig fordi mange kondensatorapplikasjoner-som strømforsyningsfiltrering og spenningsutjevning-ikke krever svært nøyaktige kapasitansverdier. Små avvik har vanligvis minimal innvirkning på kretsytelsen.

 

I applikasjoner som RF-tilpasning og filternettverk kan det imidlertid være nødvendig med strengere toleranser (f.eks. ±5%) for å sikre stabile frekvenskarakteristikk. Selv i disse tilfellene er ekstremt høy presisjon ofte unødvendig, da standardtoleranser er tilstrekkelige for å opprettholde riktig drift.

 

7. Kondensator dimensjoner

 

For keramiske og tantalkondensatorer følger pakningsstørrelsen samme standard som brukes for motstander. Mindre overflatemonterte-komponenter bruker imperiale koder som 0201, 0402, 0603 og 0805, mens større pakker også kan uttrykkes i metriske koder som 2520, 3525 osv.

 

For sylindriske elektrolytiske kondensatorer er dimensjonene typisk spesifisert som diameter × høyde (f.eks. 6 mm × 11 mm).

 

I maskinvaredesign anbefales det generelt å reservere et litt større fotavtrykk for kondensatorer når det er mulig. For eksempel, hvis et 6 × 11 mm fotavtrykk er tildelt, kan den maksimale typiske spesifikasjonen være rundt 100 μF, 25 V. Selv om det er enkelt å erstatte en mindre kondensator for kostnadsreduksjon, er det vanligvis ikke mulig å oppgradere til en betydelig høyere kapasitans innenfor samme størrelse. For eksempel kan en 470 μF, 25 V kondensator vanligvis ikke produseres i en 6 × 11 mm pakke.

 

Det samme hensynet gjelder keramiske kondensatorer. For eksempel, med en 0805-pakke er den maksimale vanlig tilgjengelige spesifikasjonen rundt 22 μF, 6,3 V. Kondensatorer med høyere kapasitans eller høyere spenningsklassifisering er vanskelig å oppnå i denne pakkestørrelsen.