Kondensaator

Allikas: Vikipeedia
Disambig gray.svg  See artikkel on kondensaatorist elektroonikas; soojusvaheti kohta, milles aur või vedelik kondenseerub, vaata artiklit Kondensaator (soojustehnika).

Kondensaator on passiivne elektri- ja elektroonikakomponent, mille põhiomadus on mahtuvus, s.o võime salvestada (mahutada ja säilitada) elektrilaengut ning seega ühtlasi energiat.

1745. aastal valmistasid E. J. von Kleist ja P. van Musschenbroek teineteisest sõltumatult esimese kondensaatori, mida tuntakse kui leideni purki või kleisti pudelit.

Kondensaatorite tingmärgid
1cm Püsikondensaator
1cm Polaarne kondensaator
(elektrolüütkondensaator)
1cm Seadekondensaator

Kondensaatori ehitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mitmekihilise kondensaatori ehitus:
dielektrik on sinine, hallide kontaktpindadega ühendatud plaadirühmad tume- ja helehallid

Kondensaator koosneb kahest lähestikku paiknevast elektroodist, nn plaadist ja neid eraldavast dielektrikukihist. Elektroodide küljest lähtuvad kaks ühendusviiku või kontaktpinda (pindliitekondensaatoreil). Plaatideks on õhukestest metall-lehtedest (fooliumist) ribad või metallitamise teel dielektrikule kantud juhtivad pinnad. Elektroodipaarid on kokku rullitud või kokku volditud; plaadid võivad paikneda ka vaheldumisi, moodustades kaks plaadirühma (nagu kõrvaloleval pildil).

Kondensaatori struktuuri skeem
On näha laengute polariseerumine dielektrikus välise elektrivälja mõjul; tulemusena väli nõrgeneb ja mahtuvus suureneb

Kondensaatori mahtuvus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kondensaatori mahtuvus on seda suurem, mida suurem on kummagi plaadi pindala A ja mida väiksem on plaatide vahekaugus d:

C = \varepsilon \frac{A}{d},

kus ε on dielektriku dielektriline läbitavus.

Next.svg Pikemalt artiklis Mahtuvus

Kondensaator elektriahelas[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kondensaatori ühendamisel elektriahelasse tekib plaatide vahel elektriväli ja elektroodidele kogunevad elektrilaengud, mille tulemusena üks elektrood saab positiivse laengu +Q ja teine negatiivse laengu ‒Q. Sel puhul öeldakse, et kondensaator salvestab elektroodidele kogunenud laengu.

Salvestatav laeng Q on võrdeline kondensaatorile rakendatud pingega U:

Q = C\,U

kus võrdeteguriks C on kondensaatori mahtuvus.

Kondensaatori laadimis- ja tühjenduskõverad
τ = RC on ajakonstant (R ‒ laadimisahela takistus)

Pingestamise hetkel hakkab pinge kondensaatoril tõusma nullist, kuni saavutab toitepingega määratud väärtuse. Pinge muutumise kiirus sõltub kondensaatori mahtuvusest: mida suurem see on, seda rohkem laenguid on vaja selleks, et ületada plaatidevahelise välja põhjustatud vastumõju pinge muutumisele (samalaadselt aeglustab pooli induktiivsus voolu muutumist). Täiendavat vastumõju avaldavad elektriväljas polariseerunud (ühesuunaliselt nihkunud) dielektriku positiivsed ja negatiivsed elektrilaengud; see vastumõju on võrdeline dielektriku dielektrilise läbitavusega.

Laadimisel pannakse niisiis pingeallika laengud liikuma kondensaatori sisemise elektrilise jõu vastu. Selle jõu ületamiseks tehtav töö salvestub kondensaatoris elektrivälja energiana:

W = \frac{1}{2}\,C\, U^2.

Valemis on W energia džaulides (J), C mahtuvus faradites (F) ja U pinge voltides (V).

Alalisvooluahelas laadub kondensaatorit sisselülitamise järel kiiresti: esimese ajakonstandi jooksul kasvab pinge kondensaatoril väärtuseni 0,632Umax, vastavalt väheneb laadimisvool, kuni muutub nulliks.

Vahelduvvooluahelas toimub kondensaatori perioodiline ümberlaadimine ja ahelat läbib pidevalt vool. Kondensaator avaldab vahelduvvoolule mahtuvuslikku reaktiivtakistust

X_C = -\frac1{\omega C} = -\frac1{2 \pi f C},

kus  \omega = 2 \pi f on nurksagedus (radiaani sekundis) ja  f ‒ sagedus (hertsides).

Kondensaatori plaatide vahele moodustunud elektriväli ja seega ka elektrilaeng jääb püsima ka pingeallika lahutamise järel, kuid hakkab pikkamööda vähenema läbi dielektriku; ka parimat dielektrikut läbib teatav lekkevool.

Liigitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Eristatakse püsikondensaatoreid, mille mahtuvus on teatud kindla väärtusega, ja muutkondensaatoreid, mille mahtuvust saab etteantud piires sujuvalt muuta.

Mitmesuguseid püsikondensaatoreid
Ülemises reas radiaalviikudega keraamika-, metallpaber, plastkile- ja elektrolüütkondensaatorid.
Keskmises reas aksiaalviikudega polüpropüleen-, polüstürool-, keraamiline läbiviik- ja bipolaarne kondensaator.
Alumises reas viikudeta keraamika-, plastkile- ja elektrolüütkondensaatorid pindmontaažiks

Valdav enamik kondensaatoreid on püsikondensaatorid. Neid liigitatakse elektroode eraldava dielektrikukihi järgi; levinuimad on keraamika-, plastkile- ja elektrolüütkondensaatorid. Dielektrikuna on olnud kasutusel ka immutatud paber, vilk, klaas jm. Kondensaatorite eriliigi moodustavad superkondensaatorid, mida kasutatakse peamiselt elektrilaengu akumuleerimiseks.

Keraamika- ja plastkilekondensaatorite mahtuvuse suurusjärk ulatub 1 pikofaradist kuni 100 mikrofaradini, elektrolüütkondensaatoritel 1 mikrofaradist kuni 1 faradini ja superkondensaatoritel kilofaraditeni.

Kondensaatorite dielektriku põhiparameetrid
Kondensaatori liik Dielektriku materjal Suhteline dielektriline läbitavus Dielektriline tugevus
V/µm
Vähim paksus
µm
Keraamikakondensaatorid, klass 1 Paraelektrik 12–40 < 100 1
Keraamikakondensaatorid, klass 2 Ferroelektrik
(senjettdielektrik)
200–14 000 < 35 0,5
Plastkilekondensaatorid Polüpropüleen ( PP) 2,2 650/450 1,9–3,0
Plastkilekondensaatorid Polüester (PET) 3,3 580/280 0,7–0,9
Plastkilekondensaatorid Polüfenüleensulfiid (PPS) 3,0 470/220 1,2
Plastkilekondensaatorid Polüetüleennaftalaat (PEN) 3,0 500/300 0,9–1,4
Plastkilekondensaatorid Polütetrafluoroetüleen (PTFE) 2,0 450/250 5,5
Paberkondensaatorid Paber 3,5–5,5 60 5–10
Vilkkondensaator Vilgukivi 5–8 118 4–50
Alumiinium-elektrolüütkondensaatorid] Alumiiniumoksiid (Al2O3) 9,6 710 < 0,01 (6,3 V)
< 0,8 (450 V)
Tantaal-elektrolüütkonensaatorid Tantaalpentoksiid (Ta2O5) 26 625 < 0,01 (6,3 V)
< 0,08 (40 V)
Nioobium-elektrolüütkondensaatorid Nioobiumpentoksiid (Nb2O5) 42 455 < 0.01 (6,3 V)
< 0,10 (40 V)
Superkondensaatorid Helmholtzi kaksikkiht - 5000 < 0,001 (2,7 V)

Keraamikakondensaatorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Keraamikakondensaatorid jagunevad dielektriku omaduste järgi esimest liiki ja teist liiki kondensaatoreiks:

  • esimest liiki (klass 1) kondensaatorite dielektrik on väikese läbitavusega (kuni 100) kõrgsageduskeraamikast; neil on väikesed kaod kõrgete sagedusteni ja nõrk mahtuvuse temperatuurisõltuvus;
  • teist liiki (klass 2) kondensaatorite senjettkeraamikast dielektriku läbitavus võib ulatuda 14 000-ni, nii et väikeste mõõtmete juures on võimalik saada suuri mahtuvusi, kuid suur on ka energiakadu ning mahtuvus sõltub tugevasti ja mittelineaarselt temperatuurist.

Traatviikudega ketta-, tableti- ja liistakukujulisi kondensaatoreil on plaatideks 0,1...1 mm paksuse keraamilise aluse mõlemale küljele sadestatud hõbedakiht, mille külge on joodetud viigud ja mis on kaetud emailikihiga. Esimest liiki keraamikast valmistatakse tugi- ja läbiviikkondensaatoreid sagedustele üle 30 MHz; nende üks viik joodetakse šassii külge.

Kilekondensaatorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kilekondensaatori dielektrikuks on õhuke sünteeskile (kasutatavad materjalid on tabelis). Elektroodid võivad olla fooliumist (õhukesest metall-lehest) või kilele pihustatud metallikihist.

Elektrolüütkondensaatorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektrolüütkondensaatoris ehk oksiidkondensaatoris toimib dielektrikuna oksiidikiht, mis on elektrokeemiliselt formeeritud alumiiniumist või tantaalist (harvemini nioobiumist) elektroodile. Kondensaatori teise elektroodi moodustab oksiidikihiga kokkupuutuv elektrolüüt. Oksiidikiht püsib vajaliku paksusega selle hapniku arvel, mis eraldub elektrolüüdist kondensaatorit läbiva lekkevoolu mõjul.

Elektrolüütkondensaator on polaarne seadis: anoodiks on metallelektrood ja katoodiks elektrolüüt; sellest tuleneb, et niisugune kondensaator on mõeldud kasutamiseks alalis- (ja pulseer-) voolu ahelais, kusjuures anood tuleb ühendada toite plussiga.

Alumiinium-elektrolüütkondensaatoris asetseb oksiidikiht alumiiniumfooliumist lindil; see on anoodplaat. Katoodiks on vedel või sültjas elektrolüüt, millega on immutatud dielektriku vastu surutud kiudainest lint. Katoodiga loob kontakti teine, oksüdeerimata fooliumlint. Rulli keeratud sektsioon paikneb alumiiniumkestas.. Mittepolaarseil kondensaatoreil on oksüdeeritud ka teine fooliumlint; nende mahtuvus on poole väiksem niisama suure polaarse kondensaatori mahtuvusest.

Paremate omadustega ja väiksemad on söövitatud alumiiniumfooliumist mahtpoorse katoodiga elektrolüütkondensaatorid, samuti kokkupressitud oksüdeeritud tantaaliterakestest anoodiga kondensaatorid. Elektrolüüt on sõltuvalt tüübist märg või kuiv.

Superkondensaatorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Parima energia mahutamise võimega on super- ehk kaksikkihtkondensaator ‒ kahekihilise ioondielektrikuga kondensaator-akumulaator, mille mahtuvust mõõdetakse faradites ja kilofaradites.

Superkondensaatoris moodustab elektrolüüt juhtiva ühendustee kahe elektroodi vahel. Sellega erineb ta elektrolüütkondensaatorist, milles elektrolüüt on ise üheks elektroodiks (negatiivseks „plaadiks“). Samas on superkondensaator nagu elektrolüütkondensaatorgi polaarne komponent.

Ühe elemendi pinge jääb enamasti vahemikku 2‒3 V, sisetakistus 0,2‒20 mΩ. Elementide jadaühendusega saadakse kondensaatormooduli vajalik tööpinge ja mitme jadaahela rööbiti ühendamise teel vajalik võimsus. Energiatihedus (kondensaatori massi 1 kg kohta) võib ulatuda väärtuseni 100 Wh/kg.

Superkondensaatorid konkureerivad ühelt poolt elektrolüütkondensaatoritega ja teiselt poolt liitiumioonakudega. Toodetakse ka hübriidkondensaatorid, milles on lisaks kaksikkihile Li-ioon-struktuuriga redokselektrood. Võrdlustabelist on näha, et energiatiheduse poolest jäävad ka parimad superkodensaatorid akudest kaugele maha, ent on võimelised andma lühiajaliselt palju tugevamat voolu.

Elektrolüütkondensaatorite, superkondensaatorite ja liitiumioonakude võrdlus
Parameetrid Elektrolüüt-
kondensaatorid
Superkondensaatorid Hübriidkondensaatorid
(liitiumioon-kondensaatorid)
Liitiumioon-
akud
Talitlustemperatuur (°C) −40…+125 −20…+70 −20…+70 −20…+60
Elemendi nimipinge (V) 4...550 1,2…3,3 2,2…3,8 2,5…4,2
Laadimistsüklite arv piiramatu 105…106 2 • 104…105 500…104
Mahtuvus (F) ≤ 1 0,1…470*
100…12000**
300…2200
Energiatihedus (Wh/kg) 0,01…0.3 1,5…9 10…25 100…265
Võimsustihedus (kW/kg) > 100 2…10 3…6 0,3…1,5
Isetühjenemine kiire
(päevades)
keskmine
(nädalates)
keskmine
(nädalates)
pikk
(kuudes)
Kasutegur (%) 99 95 90 90
Kasutusiga (aastates) > 20 5…10 5…10 3…5
*Kasutamiseks varutoiteallikana (mäluseadmes RAM, SRAM vm).
**Kasutamiseks suure hetkvõimsusega energiaallikana.

Muutkondensaatorid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Muutkondensaatoreina on kasutusel seadekondensaatorid lülituse esmareguleerimiseks ja häälestuskondensaatorid võnkeringide häälestamiseks; viimased on olnud kasutusel põhiliselt raadioaparatuuris.

Seadekondensaator ehk trimmerkondensaator koosneb paigalseisvast ja pööratavast osast, vastavalt staatorist ja rootorist. Põhiliselt kasutatakse keraamilise dielektrikuga seadekondensaatoreid, mille plaatideks on staatori ja rootori pinnale sadestatud hõbedasektorid. Rootori pööramisel muutub sektorite omavaheline asend ning seega ka mahtuvus. Kondensaatori mahtuvuse alg- ja lõppväärtuste nimiväärtused on näiteks 1,5/5, 2/7, 3/10, 4/27 pF.

Häälestuskondensaatori ehk pöördkondensaatori staatori ja rootori plaadipakkide paar moodustab sektsiooni. Levinuimad on kahesektsioonilised kondensaatorid. Tänapäeva elektroonikalülitustes kasutatakse muudetavate mahtuvustena peamiselt liikumatute osadeta pooljuhtseadiseid ‒ mahtuvusdioode.

Tunnussuurused[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Nimimahtuvus vastab enamasti E-eelisarvurea E6, E12 või E24 väärtustele, peamiselt kõrgsageduskondensaatoreid toodetakse ka ridade E48, E96 ja E192 järgi.
  • Tolerants ehk mahtuvushälve näitab, mitu protsenti võib kondensaatori tegelik väärtus olla suurem või väiksem nimiväärtusest. Tolerants on enamasti +/‒ 20, 10 või 5 %, kõrgsageduskondensaatoreil ka 2, 1 või 0,5 %. Kuni 10-pikofaradiste kondensaatorite tolerants antakse absoluutväärtustes: +/‒ 0,1, 0,25, 0,5, 1 ja 2 pF. Elektrolüütkondensaatoreil võivad hälbed olla vahemikus ‒20 % kuni +100 %.
  • Nimipinge on suurim alalispinge, millega kondensaator võib kestvalt töötada.
  • Mahtuvuse temperatuuritegur näitab mahtuvuse suhtelist muutust temperatuuri muutumisel 1 K (kraadi) võrra. Kui mahtuvus temperatuuri tõustes suureneb, on see tegur positiivne, vastasel juhul negatiivne. Temperatuuritegur on normitud esimest liiki dielektrikuga keraamikakondensaatoreil. Teist liiki dielektrikuga kondensaatorite mahtuvus sõltub temperatuurist suures ulatuses.
  • Isolatsioonitakistus on kondensaatori alalisvoolutakistus etteantud pingel. Isolatsioonitakistus on teist liiki keraamika- ja paberkondensaatoreil vähemalt 100 MΩ, esimest liiki keraamikakondensaatoreil 1 GΩ ja kilekondensaatoreil 10 GΩ. Isolatsioonitakistus on seda väiksem, mida suurem on kondensaatori elektroodide pindala; seepärast iseloomustatakse suurema, mikrofaradites esitatava ninimahtuvuse korral dielektriku kvaliteeti isolatsioonitakistuse ja mahtuvuse korrutisega (MΩ×µF), s.o. ajakonstandiga sekundites.
  • Lekkevool on kondensaatorit nimipingel läbiv juhtivusvool; seda mõõdetakse mõni minut pärast pingestamist, et stabiilne vool jõuaks välja kujuneda. Lekkevooluga iseloomustatakse eelkõige elektrolüütkondensaatoreid.
  • Kaonurga δ tangens iseloomustab kondensaatori dielektrikus tekkivat energiakadu. Aktiivenergia kadu
P = Q tg δ, kus Q on reaktiivvõimsus.

Markeering kondensaatoril[muuda | redigeeri lähteteksti]

Nimimahtuvus esitatakse suuremail kondensaatoreil koos ühikutähisega, näiteks elektrolüütkondensaatoril 4700 µF . Väiksematel seadistel väljendatakse ühikut ühe tähega: p pikofarad, n nanofarad ja µ mikrofarad. See täht paikneb nimimahtuvust väljendava arvu järel, kui see on täisarv (nt. 47p tähendab 47 pF), koma asemel (5n6 tähendab 5,6 nF) või asendab nulli ja koma (µ68 tähendab 0,68 µF).

Väikestel kondensaatoritel võib mahtuvus olla märgitud kolme numbriga: kaks esimest väljendavad mahtuvusväärtust pikofaradites ja kolmas 10 astendajat, nt 394 = 39 × 104 = 390 000 pF = 390 nF.

Kondensaatorite rööp- ja jadaühendus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kondensaatorite rööpühendus
Kondensaatorite jadaühendus

Rööpühenduses ehk paralleelühenduses kondensaatoritele rakendub ühesuurune pinge. Sel juhul võrdub kogumahtuvus rööbiti ühendatud kondensaatorite mahtuvuste summaga:

 C_{\rm tot} = C_1 + C_2 + \cdots + C_n \,\!.

Koos mahtuvusega suureneb ka vahelduvvoolukoormus. Koguvool Itot jaguneb kondensaatorite vahel võrdeliselt nende mahtuvusele:

 I_k=\frac{C_k}{C_{\rm tot}}\cdot I_{\rm tot}.

Jadaühenduses ehk järjestikühenduses kondensaatoreid läbib ühesuurune vool. Niisuguse ühenduse korral on kogumahtuvuse pöördväärtus võrdne erinevate kondensaatorite mahtuvuste pöördväärtuste summaga:

 \frac{1}{C_\mathrm{tot}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \cdots + \frac{1}{C_n}.

Siit näiteks kahe jadaühenduses kondensaatori C1 ja C2 kogumahtuvus

 C_\text{tot} = {{C_1\cdot C_2}\over{C_1+C_2}}.

Vahelduvpinge jaguneb jadamisi ühendatud kondensaatorite vahel pöördvõrdeliselt nende mahtuvusele. Jadaühendust kasutatakse mahtuvuslikus pingejaguris (näiteks kõrgepinge mõõtmisel).

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]