En elektrisk kondensator er et af elementerne i det elektriske kredsløb i enhver elektronisk enhed. Dens hovedfunktion er at lagre energi og efterfølgende frigive den tilbage til kredsløbet. Industrien tilbyder et bredt udvalg af kondensatorer med forskellige typer, kapaciteter, størrelser og anvendelser.
Kondensatorprincip og egenskaber
En kondensator består af to metalplader, der er delt af et tyndt dielektrisk lag. Forholdet mellem størrelsen og placeringen af belægningerne og det dielektriske materiales egenskaber bestemmer kapacitansværdien.
Designet af enhver type kondensator har til formål at opnå den maksimale kapacitet i forhold til de mindste dimensioner for at spare plads på enhedens printplade. En af de mest populære former med hensyn til udseende er den tøndeformede kondensator, hvor metaldæksler er snoet sammen med dielektrikum mellem dem. Den første kondensator, der blev opfundet i Leiden, Holland, i 1745, blev kaldt "Leiden-krukken".
Komponentens princip er evnen til at oplade og aflade. Opladning er mulig ved at holde elektroderne i en kort afstand fra hinanden. De tætliggende ladninger, der er adskilt af dielektrisket, tiltrækkes af hinanden og fastholdes på klemmerne, og kondensatoren lagrer således energi. Når strømforsyningen er blevet slukket, er komponenten klar til at afgive energi til kredsløbet, til at aflade sig selv.
Parametre og egenskaber, der er afgørende for ydeevne, kvalitet og holdbarhed
- elektrisk kapacitans;
- specifik kapacitans;
- tolerance;
- elektrisk styrke;
- iboende induktans;
- dielektrisk absorption;
- tab;
- stabilitet;
- pålidelighed.
Evnen til at lagre en ladning bestemmer en kondensators elektriske kapacitet. Ved beregning af kapacitansen er det nødvendigt at kende
- arealet af viklingerne;
- afstanden mellem indsatserne;
- Det dielektriske materiales dielektriske konstant.
For at øge kapacitansen er det nødvendigt at øge arealet af viklingerne, reducere afstanden mellem dem og anvende et dielektrikum, hvis materiale har en høj dielektrisk konstant.
Måleenheden for kapacitans er Farad (F), opkaldt efter den engelske fysiker Michael Faraday. 1 Farad er dog en for stor værdi. F.eks. er kapacitansen af vores planet mindre end 1 Farad. Mindre værdier anvendes i radioelektronik: mikrofarad (µF, en milliontedel af en farad) og picofarad (pF, en milliontedel af en mikrofarad).
Den specifikke kapacitet beregnes ud fra forholdet mellem kapacitansen og den dielektriske masse (volumen). Dette påvirkes af de geometriske dimensioner, og en forøgelse af den specifikke kapacitet opnås ved at reducere det dielektriske volumen, men dette øger risikoen for nedbrydning.
Den tilladte afvigelse af den nominelle kapacitetsværdi fra den faktiske værdi er afgørende for nøjagtighedsklassen. Ifølge GOST er der 5 nøjagtighedsklasser, som bestemmer den fremtidige anvendelse. Komponenter i den højeste nøjagtighedsklasse anvendes i kredsløb med højt ansvar.
Elektrisk styrke er afgørende for evnen til at holde en opladning og bevare ydeevnen. De ladninger, der er lagret på viklingerne, har en tendens til at bevæge sig mod hinanden, når de virker på dielektret. Elektrisk styrke er en vigtig egenskab ved en kondensator, som er afgørende for dens brugstid. Forkert betjening vil resultere i dielektrisk nedbrydning og komponentfejl.
Den iboende induktans tages i betragtning i vekselstrømskredsløb med induktionsspoler. For jævnstrømskredsløb tages der ikke hensyn til den.
Dielektrisk absorption er den spænding, der opstår på spolerne under hurtig afladning. Der tages hensyn til absorptionsfænomenet for at sikre sikker drift af elektrisk højspændingsudstyr, fordi der er livsfare i tilfælde af kortslutning.
Tab skyldes den lave strømføringsevne i dielektrisk materiale. Når elektroniske komponenter anvendes under forskellige temperaturer og fugtighedsforhold, har tabenes kvalitetsfaktor en effekt. Den påvirkes også af driftsfrekvensen. Ved lave frekvenser påvirkes de dielektriske tab; ved højere frekvenser påvirkes metaltab.
Stabilitet er en kondensatorparameter, som også påvirkes af den omgivende temperatur. Dens virkninger er opdelt i reversible virkninger, der er karakteriseret ved en temperaturkoefficient, og irreversible virkninger, der er karakteriseret ved en temperaturinstabilitetskoefficient.
En kondensators driftssikkerhed afhænger først og fremmest af driftsbetingelserne. Fejlanalyser viser, at 80 % af alle fejl skyldes nedbrud.
Kondensatorerne har forskellige størrelser alt efter anvendelse, type og anvendelsesområde. De mindste, der varierer i størrelse fra et par millimeter til et par centimeter, anvendes i elektronikken, mens de største anvendes i industrien.
Formål
Egenskaben til at lagre og frigive energi har været afgørende for den brede anvendelse af kondensatorer i moderne elektronik. Ligesom modstande og transistorer er de rygraden i elektroteknikken. Der findes ikke en eneste moderne enhed, der ikke bruger dem i en eller anden form.
Deres evne til at oplade og aflade, sammen med induktans med de samme egenskaber, anvendes i vid udstrækning i radio- og tv-teknologi. Det svingende kredsløb af kondensator og induktans er grundlaget for transmission og modtagelse af signaler. Ved at ændre kondensatorens kapacitet kan man ændre frekvensen af det svingende kredsløb. Radiostationer kan f.eks. sende på deres frekvenser, og radioer kan oprette forbindelse til disse frekvenser.
En vigtig funktion er udjævning af vekselstrømsbølger. Enhver vekselstrømsdrevet elektronisk enhed har brug for filtrerende elektriske kondensatorer for at producere jævnstrøm af god kvalitet.
Opladnings- og afladningsmekanismen anvendes aktivt i fotografisk udstyr. Alle moderne kameraer bruger en blitz til at tage billeder, som er realiseret ved hjælp af den hurtige udladning. Batterier, som kan lagre energi, men som er langsomme til at aflade, er ikke fordelagtige på dette område. Kondensatorer frigiver derimod al den lagrede energi øjeblikkeligt, hvilket er tilstrækkeligt til at give et kraftigt lysglimt.
Kondensatorernes evne til at generere kraftige impulser anvendes i radiolokalisering og lasere.
Kondensatorer fungerer som gnistslukkende kontakter inden for telegrafi og telefoni samt inden for telemekanik og automatisering, hvor der skal kobles stærkt belastede relæer.
Spændingsregulering af lange transmissionslinjer er mulig ved hjælp af kompensationskondensatorer.
Moderne kondensatorer anvendes takket være deres egenskaber ikke kun inden for radioelektronik. De anvendes i metalforarbejdnings-, mine- og kulindustrien.
De vigtigste sorter
På grund af de mange forskellige anvendelser og driftsbetingelser for elektroniske enheder findes der en lang række komponenter, som er forskellige i typer og egenskaber. Hovedopdelingen er baseret på klasser og på den anvendte type dielektrikum.
Typer af kondensatorer opdelt efter klasse:
- med konstant kapacitans;
- med variabel kapacitans;
- justerbar.
Komponenter med konstant kapacitet anvendes i alle radioelektroniske enheder.
Variable kondensatorer bruges til at ændre kapacitansen og kredsløbsparametre, f.eks. frekvensen i oscillerende kredsløb. De har flere sektioner af bevægelige metalplader i deres konstruktion, hvilket sikrer deres lang levetid.
Trimmerkondensatorerne anvendes til en enkelt justering af apparatet. De fås i forskellige kapacitansværdier (fra et par picofarads til flere hundrede picofarads) og er beregnet til spændinger på op til 60 volt. Uden dem ville det ikke være muligt at finjustere udstyret.
Typer af kondensatorer, klassificeret efter typen af dielektrikum:
- keramisk dielektrikum;
- med et dielektrisk film;
- elektrolytisk;
- ionbyttere.
Keramiske kondensatorer er fremstillet i form af en lille plade af keramisk materiale, hvorpå metalterminaler er sprøjtet. Disse kondensatorer har forskellige egenskaber og anvendes til både høj- og lavspændingskredsløb.
Til lavspændingskredsløb anvendes der oftest små flerlagskomponenter i epoxy- eller plasthuse med en kapacitet på mellem ti picofarads og enheder af mikrofarads. De anvendes i højfrekvenskredsløb i radioelektronisk udstyr og kan fungere under barske klimatiske forhold.
Til højspændingskredsløb fås større keramiske kondensatorer med kapaciteter på mellem ti picofarads og tusindvis af picofarads. De anvendes i pulskredsløb og spændingsomformningsudstyr.
Dielektriske film findes i forskellige typer. Det mest almindelige er lavsan, som er meget holdbart. Mindre almindeligt er polypropylen dielektrikum, som har lavere tab og anvendes i højspændingskredsløb som f.eks. lydforstærkningskredsløb og mellemtone-kredsløb.
En anden type filmkondensator er startkondensatoren, som anvendes ved start af motorer og som på grund af sin høje kapacitans og sit særlige dielektriske materiale reducerer belastningen på elmotoren. De er kendetegnet ved høje driftsspændinger og høj elektrisk reaktiv effekt.
Elektrolytiske kondensatorer er fremstillet i et klassisk design. Kabinettet er fremstillet af aluminium, og de spiralformede metalskaller er anbragt indeni. Det ene dæksel er kemisk belagt med et metaloxid og det andet med en flydende eller fast elektrolyt for at danne et dielektrikum. På grund af denne konstruktion har elektrolytiske kondensatorer en høj kapacitet, men det særlige ved deres anvendelse over tid er ændringen over tid.
I modsætning til keramiske kondensatorer og filmkondensatorer har elektrolytiske kondensatorer polaritet. Disse er igen underopdelt i upolære, uden denne ulempe, radiale, miniature og aksiale. Deres anvendelsesområder er traditionelle computere og moderne mikrocomputerteknologi.
En særlig type, som er dukket op for relativt nylig, er ionbyttere. De er opbygget på samme måde som elektrolytkondensatorer, men har en høj kapacitet (op til flere Farads). Deres anvendelse er dog begrænset af en lille maksimal spænding på nogle få volt. Ionisatorer bruges til at lagre hukommelse: Hvis batteriet i en mobiltelefon eller en miniaturecomputer løber tør, vil de lagrede oplysninger ikke gå uigenkaldeligt tabt.
Ud over komponenter i pin-out-design, som har eksisteret længe og traditionelt anvendes, findes der moderne komponenter i SMD-design eller, som det også kaldes, til overflademontering. Keramiske kondensatorer kan f.eks. fremstilles i en række forskellige størrelser, fra de mindste (1 mm x 0,5 mm) til de største (5,7 mm x 5 mm), og med tilsvarende spændinger på mellem 10 volt og 100 volt.
Elektrolytiske kondensatorer kan også fremstilles i overflademonterede huse. Det kan være standard aluminiumselektrolytkondensatorer eller tantalkondensatorer, som ligner keramiske kondensatorer lidt, men som adskiller sig fra dem ved deres højere kapacitet og lavere tab. De fås i både blyfri og blyfri SMD-udførelse.
Tantalkondensatorer er kendetegnet ved lang levetid og minimale tab med en lidt lavere kapacitetsgrænse, men de er også meget dyre. De anvendes i kredsløb med højt ansvar, hvor der kræves høj kapacitet.
Relaterede artikler:
