Kondensaattori

Wikipedia

Loikkaa: valikkoon, hakuun

Joskus kondensaattori tarkoittaa myös kosteutta kondensoivaa laitetta.

Erilaisia kondensaattoreita

Kondensaattori (puhek. "konkka") on sähkötekninen laite, joka varastoi energiaa muodostamaansa, sisällään olevaan sähkökenttään. Sähkövaraukset (+ ja -) laitteen sisällä kompensoivat jännitteen, joka kondensaattorin navoissa on. Kondensaattori reagoi jännitteen muutokseen johtamalla heti lävitseen virran, joka muuttaa varauksia (ja siis vastajännitettä) niin, että virta menee nollaan. Kondensaattori ei näin ollen läpäise tasavirtaa.

[muokkaa] Rakenne

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, mutta elektrodien välille muodostuu sähkökenttä. Kondensaattorin sähkökenttä on käytännöllisesti katsoen kokonaan elektrodien välissä, sillä muualla elektrodien vastakkaismerkkisten varausten aiheuttamat sähkökentät kumoavat toisensa.

Kun kondensaattori kytketään jännitelähteeseen, siirtyvät negatiiviset varaukset positiivisen puolen levyyn (ja edelleen virtalähteeseen). Kondensaattorin levyjen välille muodostunut sähkökenttä jää olemaan, vaikka jännitelähde irrotetaan, koska sähkökenttä pitää varaukset paikoillaan. Sähkökenttä säilyttää varauksen pitkään. Varauksen säilyminen riippuu eristeen laadusta. Parhaankin eristeen läpi tulee pieni vuotovirta, joka purkaa varauksen vähitellen.

Jos jännite ylittää eristeen kestokyvyn, tapahtuu läpilyönti (ks. valokaari). Tämän estämiseksi valmistaja määrittelee kondensaattorin suurimman sallitun käyttöjännitteen.

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

[muokkaa] Historiaa

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. ^[1]

[muokkaa] Kapasitanssi

Pääartikkeli: Kapasitanssi

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

$C = \frac{Q}{U}$

Mitä suurempi kapasitanssi kondensaattorilla on, sitä suurempi varaus siihen muodostuu tietyllä jännitteellä. Kapasitanssin SI-järjestelmän mukainen yksikkö on faradi, 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).

Rinnakkain kytkettyjen kondensaattorien kapasitanssi on osakapasitanssien summa. Sarjaan kytkettyjen kondensaattorien C1, C2,.. Ci kapasitanssi on $C=\frac{1}{1/C1+1/C2+...+1/Ci}$

Kondensaattorin läpi kulkeva virta $i=C\frac{du}{dt}$ , jossa C on kapasitanssi, u jännite ja t aika.

Kapasitanssi voidaan määrittää siis kondensaattorin virran i ja jännitteen muutosnopeuden Δu/Δt suhteesta:

C = i/(Δu/Δt)

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

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

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

[muokkaa] Kondensaattoriin varautunut energia

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:

$dW = \frac{Q}{C} \, dq$ .

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

$W = \int_{0}^{Q} \frac{q}{C} \, dq = \frac{1}{2}\frac{Q^2}{C} = \frac{1}{2}CU^2 = E$

.

[muokkaa] Kondensaattori sähköisissä piireissä

Kondensaattori ei periaatteessa päästä läpi tasavirtaa, sillä elektrodit on eristetty toisistaan. Kuitenkin lyhyen aikaa kytkemisen jälkeen kondensaattorin elektrodeihin kulkee sähkövirta, joka muuttuu sähkökentäksi elektrodien välille. Kun varautunut kondensaattori kytketään kuormaan, sähkökenttään varastoitunut energia muuttuu takaisin sähkövirraksi. Virta kulkee, kunnes kondensaattorin varaus on purkautunut, eli sähkökenttä on poistunut. Kondensaattorin läpi kulkee hyvin pieni vuotovirta, joka voidaan kuitenkin useimmissa käytännön sovelluksissa jättää huomiotta.

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 (X_C; yksikkö ohmi), joka määritellään:

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

missä f on vaihtovirran taajuus ja C kondensaattorin kapasitanssi. Kondensaattorin lataus- ja purkausvirran vaihe on 90° edellä kondensaattorin yli vaikuttavan jännitteen vaihetta.

[muokkaa] Tunnistaminen

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

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).

 Esimerkit
 
 4M7 / 10 / 100 tulkitaan 4,7 mikrofaradia, 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 47 ja 3 nollaa perään eli 47000pF = 47nF.

[muokkaa] Kondensaattorityypit

[muokkaa] Muovieristeiset kondensaattorit

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.

[muokkaa] Keraamiset kondensaattorit

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.

[muokkaa] Elektrolyyttikondensaattorit

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 $(A l 2 O 3)$ . 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 $(T a 2 O 5)$ , joka siis toimii eristeenä. Sen päälle muodostetaan katodi hopeoidusta grafiittikerroksesta.

Käyttämättömänä olleen tantaalikondensaattorin oksidikerros ei vaadi korjausta.

[muokkaa] Säädettävät kondensaattorit

Säädettäviä kondensaattoreita käytetään oskillaattoreiden ja resonanssipiirien värähtelytaajuuden säätämiseen. Säädettävät kondensaattorit jaetaan kahteen ryhmään: jatkuvasäätöisiin säätökondensaattoreihin ja työkalusäätöisiin trimmerikondensaattoreihin. Rakenteeltaan kaikki säädettävät kondensaattorit ova 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.

[muokkaa] Muut kondensaattorityypit

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.

[muokkaa] Lähteet

↑ Ismo Lindell: Sähkötekniikan historia. Otatieto Oy, 1994. ISBN 951-672-188-5.

[muokkaa] Katso myös

Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Kondensaattori.

[0] Ismo Lindell: Sähkötekniikan historia. Otatieto Oy, 1994. ISBN 951-672-188-5.

[1]