Kondensaattori

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli käsittelee elektronista laitetta. Kondensaattori voi tarkoittaa myös kosteutta kondensoivaa laitetta.
Erilaisia kondensaattoreita

Kondensaattori on sähkötekninen komponentti. Sen keskeisin ominaisuus on kapasitanssi, eli kyky varastoida energiaa sähkökenttään.

Kun varausta siirretään kondensaattorin napoihin, muodostuu niiden välille jännite, joka on suoraan verrannollinen siirretyn varauksen suuruuteen ja kääntäen verrannollinen kondensaattorin kapasitanssiin.

Kondensaattoreita voidaan tämän kapasitanssin vuoksi käyttää elektronisissa piireissä jännitevaihteluiden tasaamisessa. Kondensaattorin kyky tasata jännitevaihtelua on suoraan verrannollinen sen kapasitanssiin.[1][2]

Erilaisten kondensaattoreiden piirrosmerkit vasemmalta oikealle: kondensaattori yleensä, elektrolyyttikondensaattori (polaarinen kondensaattori) ja säädettävä kondensaattori.

Historiaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ensimmäisen kondensaattorin keksi Ewald Georg von Kleist Camminissa Pommerissa 11. lokakuuta 1745, yrittäessään varastoida sähköä elohopeaa täynnä olevaan pulloon. Maailmalle tieto

uudesta keksinnöstä levisi kuitenkin Pieter van Musschenbroekin kautta. Hän teki kokeen vedellä täytetyllä astialla Leydenin (Leidenin) yliopistossa Hollannissa tammikuussa 1746. Tästä sai nimensä Leydenin pullo. [3]

Rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tyypillinen kondensaattori koostuu kahdesta elektrodista, joista kumpikin varastoi samansuuruisen mutta erimerkkisen sähkövarauksen. Elektrodit voivat olla esimerkiksi tasomaisia levyjä (levykondensaattori) tai sisäkkäisiä pallokuoria (pallokondensaattori). Elektrodit on eristetty toisistaan, ja kun kondensaattori kytketään jännitelähteeseen, ne saavat sähköisen varauksen ja niiden välille muodostuu sähkökenttä.

Kondensaattori varautuu myös, jos sen jompaakumpaa elektrodia kosketetaan varauksellisella kappaleella. Tällöin myös toinen elektrodi saa influenssi-ilmiön vaikutuksesta yhtä suuren, mutta vastakkaismerkkisen varauksen.[1]

Kondensaattorin sähkökenttä on käytännöllisesti katsoen kokonaan elektrodien välissä, sillä muualla elektrodien vastakkaismerkkisten varausten aiheuttamat sähkökentät kumoavat toisensa. Levykondensaattorissa tämä sähkökenttä on käytännössä homogeeninen eli kaikkialla levyjen välissä yhtä voimakas. Sähkökentän voimakkuus on:

\mathbf{E} = \frac{U}{d},
Kondensaattorin periaatekuva
jossa
  • U on levyjen välinen jännite ja
  • d on levyjen välinen etäisyys

Epäideaalisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Läpilyönti[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jos jännite ylittää eristeen kestokyvyn, tapahtuu läpilyönti, jolloin eriste muuttuu johtavaksi (ks. valokaari). Tätä jännitettä kutsutaan läpilyöntijännitteeksi

\mathbf{V} = \frac{E}{d},
jossa

Tämän estämiseksi valmistaja määrittelee kondensaattorin suurimman sallitun käyttöjännitteen.

Kondensaattorin sijaiskytkentä

Vuotovirta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kondensaattorin levyjen välille muodostunut sähkökenttä säilyy, vaikka jännitelähde irrotetaan, koska sähkökenttä pitää varaukset paikoillaan. Levyjen välissä olevalla eristeellä on kuitenkin johtavuutta, joka riippuu eristemateriaalista. Tämä johtavuus aiheuttaa pienen vuotovirran RLeak kondensaattorin napojen välillä, joten kondensaattori purkautuu ajan kuluessa itsekseen.

Ekvivalenttinen sarjaresistanssi ja sarjainduktanssi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kondensaattorin jalat aiheuttavat ekvivalenttisen sarjaresistanssin RESR ja ekvivalenttisen sarjainduktanssin LESL. Ekvivalenttinen sarjainduktanssi ja -resistanssi on otettava huomioon suuritaajuisia kytkentöjä suunnitellessa, sillä taajuuden kasvaessa kapasitiivinen impedanssi pienenee ja induktiivinen impedanssi kasvaa, jolloin sarjainduktanssi ja -resistanssi määräävät kondensaattorin impedanssin.

Kapasitanssi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Kapasitanssi

Kondensaattorin kapasitanssi (symboli C) on suure, joka kuvaa varauksen (Q) suuruutta suhteessa elektrodien väliseen potentiaalieroon (U). Näin ollen

C = \frac{Q}{U}.

Kapasitanssin SI-järjestelmän mukainen yksikkö on faradi [F], joka vastaa yhden coulombin varausta yhden voltin jännitteellä.

Faradi on hyvin suuri yksikkö käytännön sovellutuksiin, joten yleensä käytetään etuliiteyksiköitä pikofaradi (pF), nanofaradi (nF), mikrofaradi (μF) ja millifaradi (mF). [2]

Kapasitanssin laskeminen kondensaattorikytkennöissä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rinnakkain kytkettyjen kondensaattorien C1, C2,... Cn kapasitanssi on kapasitanssien summa

Kondensaattoreiden rinnankytkentä
C_\mathrm{eq}= C_1 + C_2 + \cdots + C_n

Kun rinnakkain kytketyt kondensaattorit kytketään jännitteeseen V, on kaikkien kondensaattoreiden jännite sama.

Sarjaan kytkettyjen kondensaattorien C1, C2,... Cn kapasitanssi on

Kondensaattoreiden sarjaankytkentä
\frac{1}{C_\mathrm{eq}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \cdots + \frac{1}{C_n}

Kun sarjaan kytketyt kondensaattorit kytketään jännitteeseen V, saavat kaikki kondensaattorit samansuuruisen varauksen Q. Kokonaisjännite V on kondensaattoreiden jännitteiden summa.

V = V_1 + V_2 + \cdots + V_n


Tasavirta ei kulje kondensaattorin läpi, koska sen levyjen välissä on eriste. Mutta jos se kytketään muuttuvaan jännitteeseen, myös levyjen varaus muuttuu, ja kondensaattorin latautuessa tai purkautuessa jännitelähteestä levyihin tai päinvastoin kulkee virta, jonka suuruus on \scriptstyle i=C\frac{{\rm d}U}{{\rm d}t}, jossa C on kapasitanssi, U jännite ja t aika.[2]

Kapasitanssi voidaan määrittää siis kondensaattorin virran i suhteena jännitteen U muutosnopeuteen dU/dt yhtälöllä

C = \frac{i}{(\frac{d U}{d t})}.

Kondensaattorin elektrodit ovat yleensä metallilevyjä tai -kalvoja. Kahdesta yhtä suuresta samansuuntaisesta levyelektrodista koostuvan levykondensaattorin kapasitanssi on

C = \epsilon_0 \epsilon_{\rm r} \frac{A}{d},

missä

  • A on elektrodin pinta-ala,
  • d on levyjen välinen etäisyys,
  • ε0 on tyhjiön permittiivisyys ja
  • εr on levyjen välissä olevan eristeen suhteellinen permittiivisyys.

Levyjen koon kasvaessa varauksen määrä kasvaa. Myös levyjen välisen etäisyyden pienentyessä varauskyvyn määrä kasvaa, mutta samalla pienenee jännitteen sietokyky eristeen ohi-/läpilyönnin vuoksi.[2]

Kondensaattoriin varautunut energia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kondensaattoriin varautunut energia on yhtä suuri kuin se työ, joka tehtiin kun kondensaattoria varattiin.

Olkoon kondensaattorin kapasitanssi C, ja siihen varautunut varaus Q. Kun pieni varaus dQ siirretään elektrodilta toiselle, siis potentiaalieron U = Q / C läpi, tehdään työ dW:

{\rm d}W = \frac{Q}{C} \, {\rm d}q.

Kondensaattorin kokonaisenergia saadaan siten integroimalla tämä infinitesimaalisen pieni siirto koko varauksen Q yli:

 W = \int_{0}^{Q} \frac{q}{C} \, {\rm d}q = \frac{1}{2}\frac{Q^2}{C} = \frac{1}{2}CU^2 = E.

Koska toisaalta kondensaattorin kapasitanssi saadaan yhtälöstä

C = \epsilon_0 \epsilon_r \frac{A}{d}

ja sen jännitteen ja sähkökentän välillä vallitsee yhteys

U = \mathbf{E} \cdot \mathbf{d},

saadaan tästä kondensaattorin sähkökentän energian tiheydelle lauseke

\frac{E}{V} = \frac{1}{2} \epsilon_o \epsilon_r \frac{A}{d} \mathbf{E}^2 \mathbf{d}^2 \frac{1}{Ad} = \frac {1}{2} \epsilon_0 \epsilon_r \mathbf{E}^2.

Voidaan osoittaa, että tämä energiantiheyden lauseke pätee yleisestikin kaikille sähkökentille, ei vain kondensaattoreissa.

Kondensaattori sähköisissä piireissä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kondensaattori ei läpäise sähkövirtaa, sillä elektrodit on eristetty toisistaan. Kuitenkin lyhyen aikaa kytkemisen jälkeen kondensaattorin elektrodeihin kulkee sähkövirta, joka aiheuttaa sähkökentän elektrodien välille. Kun varautunut kondensaattori kytketään kuormaan, sähkökenttään varastoitunut energia muuttuu takaisin sähkövirraksi. Virta kulkee, kunnes kondensaattorin varaus on purkautunut, eli sähkökenttä on poistunut.

Vaihtovirtapiireissä kondensaattorin varaus latautuu ja purkautuu sitä useammin, mitä suurempi taajuus on. Tästä seuraa, että kondensaattorin keskimääräinen lataus- ja purkausvirta kasvavat taajuuden kasvaessa. Kondensaattorin vastus vaihtovirralle on siis kääntäen verrannollinen taajuuteen. Tätä vastustavaa ominaisuutta vaihtovirtapiireissä kutsutaan kapasitiiviseksi reaktanssiksi (XC, yksikkö ohmi), joka määritellään yhtälöllä

X_C = \frac{1}{2 \pi f  C},

missä

Vaihtovirtapiireissä kondensaattorin jännitteellä ja virralla on 90° vaihe-ero virran ollessa jännitettä edellä.

Vaihesiirron takia kondensaattoripiirien laskennassa voidaan käyttää kompleksilukulaskentaa. Esimerkiksi kapasitiivinen reaktanssi voidaan tulkita piirin impedanssin imaginääriseksi komponentiksi.

Tunnistaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kondensaattorin arvotiedot merkitään yleisesti numeroin, vinoviivoin ja kirjaimin seuraavassa muodossa: kapasitanssi / toleranssi / jännitteenkesto. Kirjaimen ollessa numeroiden välissä tai edessä tulkitaan kirjain samalla desimaalipilkuksi.

Merkinnöissä perusyksikkönä on yleensä pikofaradi (pF).

  • Kirjain M merkitsee mikrofaradia (µF) (eli miljoona pF, M = ’mega’).
  • Kirjain K merkitsee nanofaradia (nF) (eli tuhat pF, K = ’kilo’).
  • Kirjain E merkitsee pikofaradia (pF).

Esimerkiksi

  • 4M7 / 10 / 100 tulkitaan 4,7 µF, 10 % toleranssilla ja 100 V jännitteenkestolla.
  • 44K / 10 / 100 tulkitaan 44 nF, 10 % toleranssilla ja 100 V jännitteenkestolla.
  • 3E3 / 10 / 400 tulkitaan 3,3 pF, 10 % toleranssilla ja 400 V jännitteenkestolla.

Toinen merkintätapa on kirjoittaa vain kapasitanssiarvo pikofaradeina siten, että viimeinen numero tarkoittaa lopussa olevien nollien määrää. Esimerkki: 473 tarkoittaa lukua jossa on 47 ja kolme nollaa eli 47 000 pF = 47 nF.

Kondensaattorityypit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Muovieristeiset kondensaattorit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Muovikalvokondensaattori on kulutuselektroniikassa yleisin kondensaattori, joka valetaan epoksiin ja niitä valmistetaan radiaali- sekä aksiaalirakenteisina. Suosio johtuu suuresta C * U -tulosta tilavuusyksikköön nähden, pienistä häviöistä, suuresta pulssinsietokyvystä ja kohtalaisesta lämpötilavakaudesta.

Polyesterikondensaattorit (KT, KS) ovat hyvin tavallisia, koska ne ovat halpoja, mutta ominaisuuksiltaan aika heikkoja. Eristeenä käytetään polyesterikalvoa ja levyinä metallifolioliuskoja, jotka ovat yleensä alumiinia. KT-lyhenne tulee saksan sanoista 'Kunststoff, Teraftalat'.

Metalloitu Polyesterikondensaattorit (MKT, MKS) ovat hyvin pitkälti samanlaisia kuin polyesterikondensaattorit, mutta niissä ei ole erillistä metallikalvoa, vaan muovikalvonpintaan on höyrystetty ohut metallikalvo toiselle puolelle. Nämä kondensaattorit ovat sikäli hyviä, että ne voivat itse korjaantua läpilyönnistä, koska metallikalvo höyrystyy ja läpilyöntikohta poistuu, koska metallit eivät kosketa toisiaan. Lisäksi MKT:t ovat pienempiä kuin KT:t, mutta eivät kestä suuria taajuuksia.

Polykarbonaattikondensaattorit ovat ominaisuuksiltaan hieman parempia kuin polyesterikondensaattorit. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi kytkentäkondensaattoreina.

Polystyreenikondensaattorit soveltuvat melkoisen vaativiin käyttötarkoituksiin, kuten aikavakiopiireihin ja suurtaajuuskäyttöön.

Harvemmin käytettyjä muovieristeisiä kondensaattoreita ovat polypropyleeni- ja polytetrafuorieteenikondensaattorit.

Keraamiset kondensaattorit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Keraamisia kondensaattoreita käytetään pääasiassa suurtaajuuskytkennöissä ja pienikokoisissa laitteissa. Yleisesti saatavana on keraamisia kondensaattoreita kapasitanssiltaan 1 pF – 1 μF ja jännitekestoisuudeltaan 16 – 15 000 volttia. Keraamisen kondensaattorin hallitseva ominaisuus voi olla pieni toleranssi, pienet häviöt, hyvä stabiilisuus tai pieni koko. Kaikkia ei kuitenkaan saa samassa paketissa.

Keraamiset kondensaattorit murtuvat helposti, joten niitä on käsiteltävä varovasti. Pienikin murtuma saattaa johtaa siihen, että kondensaattorin sisäosat altistuvat ilman kosteudelle ja kondensaattori tuhoutuu ajan kuluessa.

Keraamiset kondensaattorit jaetaan usein eri luokkiin tai ryhmiin suhteellisen permittiivisyyden mukaan. Suurempi permittiivisyys tarkoittaa suurempaa häviökerrointa, mutta samalla se mahdollistaa kondensaattorin koon pienentämisen todella pieneksi.

Elektrolyyttikondensaattorit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Elektrolyyttikondensaattorissa kondensaattorilevyjen välisenä eristeenä toimii metallioksidikerros, joka syntyy, kun sopivasta metallista (tantaali tai alumiini) valmistetut kondensaattorin levyt upotetaan elektrolyyttinesteeseen ja niiden välille tuodaan tasajännite. Paksuuteensa nähden oksidikerros kestää erittäin suuren jännitteen. Siten on mahdollista saada suuri kapasitanssi todella pieneen tilaan. Mikäli elektrolyyttikondensaattori kytketään napaisuudeltaan väärin päin tai vaihtojännitteeseen, se saattaa tuhoutua, koska oksidikerrosta ei muodostu kunnolla ja levyt menevät oikosulkuun.

Alumiinielektrolyyttikondensaattorit tarjoavat suuren kapasitanssin pienessä koossa. Niitä käytetään pääasiassa jännitelähteissä suotokondensaattoreina, mutta ne soveltuvat myös muihin tarkoituksiin, missä tarvitaan kapasitanssiltaan millifaradeista mikrofaradeihin suuruisia kondensaattoreita. Tämän kondensaattorityypin stabiilius on kuitenkin heikko, joten tarkkuutta vaativiin sovelluksiin ne eivät käy. Myöskään suurtaajuuskytkentöihin elektrolyyttikondensaattorit eivät käy suurten häviöiden vuoksi. Ne usein ikääntyvät laitteen muita komponentteja nopeammin ja pakkasen kestävyys on heikohko.

Alumiinielektrolyyttikondensaattorin levyt ovat ohuet alumiinifoliot, joiden väliin on laitettu glykolipohjaisella elektrolyytillä kostutettu paperi. Nämä kerrokset on pyöritetty rullaksi ja suljettu elektrolyytillä täytettyyn koteloon. Kun kondensaattori kytketään tasajännitteeseen, anodin eli positiivisen levyn pintaan muodostuu eristävä alumiinioksidikalvo (Al2O3). Tämän kerroksen paksuus riippuu osittain jännitteestä, joten kapasitanssin toleranssikin on suuri. Katodina toimii elektrolyyttineste, joka on sähköisessä yhteydessä toiseen alumiinifolioon. Kapasitanssia voidaan valmistusvaiheessa kasvattaa karhentamalla anodilevyn pintaa.

Pitkään käyttämättömänä ollut alumiinielektrolyyttikondensaattori saattaa menettää oksidikerroksensa, jolloin se on korjattava syöttämällä kondensaattorille tasajännitettä muutaman kilo-ohmin vastuksen läpi. Mikäli vastusta ei käytetä, virta voi kasvaa ennen oksidikerroksen muodostumista niin suureksi, että kondensaattori tuhoutuu samalla tavalla kuin väärin päin tai vaihtojännitteeseen kytketty alumiinielektrolyyttikondensaattori.

Tantaalikondensaattorin toimintaperiaate on likimain sama, eli anodina toimivan tantaalipalan pintaan tehdään elektrolyyttisesti tantaalioksidikalvo (Ta2O5), joka siis toimii eristeenä. Sen päälle muodostetaan katodi hopeoidusta grafiittikerroksesta.

Käyttämättömänä olleen tantaalikondensaattorin oksidikerros ei vaadi korjausta.

Säädettävät kondensaattorit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Säädettäviä kondensaattoreita käytetään oskillaattoreiden ja resonanssipiirien värähtelytaajuuden säätämiseen. Säädettävät kondensaattorit jaetaan kahteen ryhmään: jatkuvasäätöisiin säätökondensaattoreihin ja työkalusäätöisiin trimmerikondensaattoreihin. Rakenteeltaan kaikki säädettävät kondensaattorit ovat lähes samanlaisia, eli koostuvat kahdesta levypakasta, joista kiinteä on nimeltään staattori ja liikkuva on roottori. Kapasitanssi määräytyy sen mukaan, kuinka paljon levyt ovat toistensa kanssa limittäin. Eristeenä säädettävissä kondensaattoreissa käytetään ilmaa, kiillettä tai muovia. Niitä käytetään yleensä suurtaajuuspiireissä.

Muut kondensaattorityypit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Edellä mainittujen kondensaattorityyppien lisäksi on olemassa mm. paperi-, metallipaperi-, kiille-, lasi- ja kuivia alumiinielektrolyyttikondensaattoreita. 1970-luvulle saakka käytettiin suurissa kondensaattoreissa eristeaineena yleisesti polykloorattuja bifenyylejä (PCB), joista kuitenkin on luovuttu niiden myrkyllisyyden ja ympäristöhaittojen vuoksi.

Nykyään on olemassa myös ns. superkondensaattoreita. Superkondensaattorin kapasitanssi voi olla tuhansia faradeita, mutta jännitekesto on hyvin alhainen.

Kondensaattorien käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kondensaattoreita käytetään mm. seuraaviin tarkoituksiin:

  • Suodattimet (RC ja LC)
  • Resonanssipiirit (LC-piirit)
  • Lyhytaikaiset sähkövarastot (esim. reaaliaikakellopiirien varaenergialähde)
  • Piirien käyttöjännitteen tukeminen (bypass capacitor)
  • Loistehon kompensointi sähköverkoissa
  • DRAM-muistipiireissä käytetään kondensaattoreita bittien tilan varastointiin tietokoneen päälläolon ajaksi jatkuvasti virkistettynä
  • Flash-muistipiireissä tallennetaan tieto vuosiksi muistialkioiden kapasitanssien varauksina
  • Ottomoottorin sytytysjärjestelmässä katkojan kärkien rinnalla.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b Satu Hassi, Jukka Hatakka, Heimo Saarikko, Jukka Valjakka: Lukion fysiikka , Sähkö ja magnetismi 1, s. 66. Porvoo: WSOY, 1998. ISBN 951-0-20143-X.
  2. a b c d Pöyhönen, Otso. Sähkötekniikan käsikirja I. Tammi, 1975, s. 24
  3. Ismo Lindell: Sähkötekniikan historia. Otatieto Oy, 1994. ISBN 951-672-188-5.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Kondensaattori.