Elektrikondensaator on mis tahes elektroonikaseadme elektriahela üks elemente, mille põhiülesanne on salvestada energiat ja seejärel vabastada see ahelasse tagasi. Tööstus pakub laias valikus kondensaatoreid, mis erinevad tüübi, võimsuse, suuruse ja rakenduse poolest.
Kondensaatori põhimõte ja omadused
Kondensaator koosneb kahest metallist kestast, mis on eraldatud õhukese dielektrilise kihiga. Kaante suuruse ja paigutuse ning dielektrilise materjali karakteristikute suhe määrab mahtuvuse väärtuse.
Mis tahes tüüpi kondensaatorite konstruktsiooni eesmärk on saavutada maksimaalne mahtuvus minimaalse suuruse suhtes, et säästa ruumi seadme trükkplaadil. Välimuselt üks populaarsemaid vorme on vaadikujuline, mille vahel on dielektrikuga kokku keeratud metallkaaned. Esimest kondensaatorit, mis leiutati 1745. aastal Hollandis Leidenis, nimetati "Leideni purgiks".
Komponendi põhimõte on laadimis- ja tühjendusvõime. Laadimine on võimalik tänu sellele, et elektroodid hoitakse üksteisest väikesel kaugusel. Dielektrikuga eraldatud tihedalt asetsevad laengud tõmbuvad üksteise poole ja jäävad klemmidele kinni ning kondensaator ise salvestab seega energiat.Kui toide on välja lülitatud, on komponent valmis energiat ahelasse vabastama, tühjenema.
Toimivuse, kvaliteedi ja töö pikaealisuse määravad parameetrid ja omadused:
- elektriline mahtuvus;
- erimahtuvus;
- sallivus;
- elektriline tugevus;
- sisemine induktiivsus;
- dielektriline neeldumine;
- kahjud;
- stabiilsus;
- usaldusväärsus.
Laengu salvestamise võime määrab kondensaatori elektrilise mahtuvuse. Mahtuvuse arvutamisel peate teadma:
- mähiste pindala;
- tahkude vaheline kaugus;
- dielektrilise materjali dielektriline läbilaskvus.
Mahtuvuse suurendamiseks peate suurendama katete pindala, vähendama nendevahelist kaugust ja kasutama suure dielektrilise konstandiga dielektrilist materjali.
Mahtuvuse mõõtühikuks on Farad (F), mis sai nime inglise füüsiku Michael Faraday järgi. 1 Farad on aga liiga suur väärtus. Näiteks meie planeedi mahtuvus on väiksem kui 1 Farad. Raadioelektroonikas kasutatakse väiksemaid väärtusi: mikrofaradi (µF, üks miljondik Faradist) ja pikofarade (pF, üks miljondik mikrofaradist).
Erimahtuvus arvutatakse mahtuvuse ja dielektrilise massi (mahu) suhte põhjal. Seda näitajat mõjutavad geomeetrilised mõõtmed ja erimahtuvuse suurendamine saavutatakse dielektrilise ruumala vähendamisega, kuid see suurendab rikke ohtu.
Nimesildi mahtuvuse väärtuse lubatud kõrvalekalle tegelikust mahtuvuse väärtusest määrab täpsusklassi. GOST-i järgi on 5 täpsusklassi, mis määravad tulevase kasutamise. Kõrgeima täpsusklassi komponente kasutatakse kõrge vastutustundlikkusega ahelates.
Elektriline tugevus määrab võime hoida laengut ja säilitada jõudlusomadusi. Mähistele jäänud laengud kalduvad üksteise poole, mõjutades dielektrikuid.Elektriline tugevus on kondensaatori oluline omadus, mis määrab, kui kaua see kestab. Ebaõige kasutamine põhjustab dielektriku purunemise ja komponendi rikke.
Induktiivpoolidega vahelduvvooluahelates võetakse arvesse sisemist induktiivsust. Alalisvooluahelate puhul seda arvesse ei võeta.
Dielektriline neeldumine - pinge ilmumine mähistele kiire tühjenemise ajal. Kõrgepinge elektriseadmete ohutuks tööks võetakse arvesse neeldumisnähtust, sest lühise korral on oht elule.
Kaod on põhjustatud dielektriku madalast voolukandevõimest. Kui elektroonikakomponente kasutatakse erinevatel temperatuuridel ja niiskustingimustel, mõjutab kadude kvaliteeditegur. Seda mõjutab ka töösagedus. Madalatel sagedustel mõjutavad dielektrilised kadud, kõrgetel sagedustel metallikadusid.
Stabiilsus on kondensaatori parameeter, mida mõjutab ka ümbritsev temperatuur. Selle mõjud jagunevad pöörduvateks, mida iseloomustab temperatuuri koefitsient, ja pöördumatuteks, mida iseloomustab temperatuuri ebastabiilsuse koefitsient.
Kondensaatori töökindlus sõltub eelkõige töötingimustest. Rikkeanalüüs näitab, et 80% juhtudest on rikke põhjuseks.
Olenevalt eesmärgist, tüübist ja rakendusest on ka kondensaatorid erineva suurusega. Kõige väiksemaid ja pisimaid, mõõtmetega mõnest millimeetrist mõne sentimeetrini, kasutatakse elektroonikas, suurimaid aga tööstuses.
Eesmärk
Energia salvestamise ja vabastamise omadus on määranud kondensaatorite laialdase kasutamise kaasaegses elektroonikas. Koos takistite ja transistoridega on need elektrotehnika selgroog. Pole ainsatki kaasaegset seadet, kus neid mingis mahus ei kasutataks.
Nende laadimis- ja tühjendusvõimet koos induktiivsusega, millel on samad omadused, kasutatakse aktiivselt raadio- ja televisioonitehnoloogias. Kondensaatori ja induktiivsuse võnkeahel on signaalide edastamise ja vastuvõtmise aluseks. Kondensaatori mahtuvuse muutmine võimaldab muuta võnkeahela sagedust. Näiteks saavad raadiojaamad edastada oma sagedustel ja raadiod saavad nende sagedustega ühenduse luua.
Oluline funktsioon on vahelduvvoolu pulsatsioonide tasandamine. Iga vahelduvvoolutoitega elektroonikaseade vajab kvaliteetse alalisvoolu tootmiseks filtreerivaid elektrikondensaatoreid.
Laadimis- ja tühjendusmehhanismi kasutatakse aktiivselt fotoseadmetes. Kõik kaasaegsed kaamerad kasutavad pildistamiseks välku, mis realiseerub kiire tühjenemise omaduse kaudu. Selles piirkonnas on kahjumlik kasutada patareisid, mis suudavad energiat hästi salvestada, kuid annavad seda aeglaselt. Kondensaatorid aga annavad hetkega ära kogu salvestatud energia, millest piisab eredaks välguks.
Kondensaatorite võimet genereerida suure võimsusega impulsse kasutatakse raadiolokatsioonis ja laserite loomisel.
Kondensaatorid täidavad sädemekustutuskontaktide rolli telegraafis ja telefonis, samuti telemehaanikas ja automaatikas, kus on vaja ümber lülitada suure koormusega releed.
Pikkade ülekandeliinide pinge reguleerimine toimub kompensatsioonikondensaatorite abil.
Kaasaegseid kondensaatoreid kasutatakse nende võimaluste tõttu mitte ainult raadioelektroonika valdkonnas. Neid kasutatakse metallitöötlemisel, kaevandamisel, söetööstuses.
Peamised sordid
Elektroonikaseadmete rakenduste ja töötingimuste mitmekesisuse tõttu on olemas suur valik komponente, mis erinevad tüübi ja omaduste poolest. Peamine jaotus toimub klasside ja kasutatava dielektriku tüübi järgi.
Kondensaatorite tüübid klasside kaupa:
- Pideva mahtuvusega;
- muutuva mahtuvusega;
- trimmerid.
Konstantse mahtuvusega komponente kasutatakse igas raadioelektroonilises seadmes.
Muutuva kondensaatoreid kasutatakse mahtuvuse ja ahela parameetrite, näiteks võnkeahelate sageduse muutmiseks. Nende konstruktsioonis on mitu metallist liikuvat plaati, mis tagab nende pikaealisuse.
Häälestuskondensaatoreid kasutatakse seadmete ühekordseks reguleerimiseks. Neid on saadaval erineva mahtuvusastmega (mõnest pikofaraadist mitmesaja pikofaradini) ja need on mõeldud kuni 60-voldise pinge jaoks. Ilma nende kasutamiseta on seadmete peenhäälestus võimatu.
Kondensaatorite tüübid, mis on jagatud dielektrilise tüübi järgi:
- Keraamilise dielektrikuga;
- kile dielektrikuga;
- elektrolüütiline;
- ionistorid.
Keraamilised kondensaatorid on valmistatud väikese keraamilise materjali plaadi kujul, millele pihustatakse metalljuhtmeid. Sellistel kondensaatoritel on erinevad omadused ja neid kasutatakse nii kõrgepinge- kui ka madalpingeahelates.
Madalpingeahelate jaoks kasutatakse kõige sagedamini epoksiid- või plastkorpuses mitmekihilisi väikeseid komponente mahutavusega kümnetest pikofaradest kuni mikrofarade ühikuteni. Neid kasutatakse raadioelektroonikaseadmete kõrgsageduslikes ahelates ja need võivad töötada karmides ilmastikutingimustes.
Kõrgepingeahelate jaoks valmistatakse suuremate mõõtmete ja mahtuvusega keraamilisi kondensaatoreid kümnetest pikofaraadidest tuhandete pikofaradeni. Neid kasutatakse impulssahelates ja pinge muundamisseadmetes.
Kile dielektrikuid on erinevat tüüpi. Kõige tavalisem on lavsan, mis on väga vastupidav. Vähem levinud on polüpropüleendielektrik, millel on väiksemad kaod ja mida kasutatakse kõrgepingeahelates, näiteks helivõimendus- ja kesksagedusahelates.
Eraldi kilekondensaatorite liik on käivituskondensaatorid, mida kasutatakse mootorite käivitamisel ja mis tänu oma suurele mahtuvusele ja spetsiaalsele dielektrilisele materjalile vähendavad elektrimootori koormust.Neid iseloomustab kõrge tööpinge ja elektriline reaktiivvõimsus.
Elektrolüütkondensaatorid on valmistatud klassikalise disainiga. Korpus on alumiiniumist ja sees on keritud metallkatted. Üks katetest on keemiliselt kaetud metalloksiidiga ja teine on kaetud vedela või tahke elektrolüüdiga, et moodustada dielektrik. Tänu sellele konstruktsioonile on elektrolüütkondensaatoritel suur mahtuvus, kuid nende kasutamise eripära ajas on selle muutumine.
Erinevalt keraamilistest ja kilekondensaatoritest on elektrolüütkondensaatoritel polaarsus. Need omakorda jagunevad mittepolaarseteks, millel see puudus puudub, radiaalseteks, miniatuurseteks, aksiaalseteks. Nende kasutusvaldkond on traditsiooniline arvuti ja kaasaegne mikroarvutitehnoloogia.
Eritüüp, mis ilmus suhteliselt hiljuti, on ionistorid. Nende struktuur sarnaneb elektrolüütkondensaatoritega, kuid neil on suur võimsus (kuni mitu Faradit). Nende kasutamist piirab aga väike, mõnevoldine maksimumpinge. Mälu salvestamiseks kasutatakse ionistoreid: kui mobiiltelefoni või miniatuurse arvuti aku saab tühjaks, ei lähe salvestatud teave pöördumatult kaotsi.
Lisaks ammu ilmunud ja traditsiooniliselt kasutusel olnud tihvt-tüüpi komponentidele on SMD-disainis või, nagu seda ka nimetatakse, pindpaigalduses moodsad komponendid. Näiteks keraamilised kondensaatorid võivad olla saadaval erinevates suurustes, alates väikseimast (1 mm x 0,5 mm) kuni suurimani (5,7 mm x 5 mm) ja vastavate pingetega kümnetest voltidest kuni sadade voltideni.
Elektrolüütkondensaatoreid saab toota ka pindmontaažipakettides. Need võivad olla tavalised alumiiniumist elektrolüütkondensaatorid või tantaalkondensaatorid, mis meenutavad pisut keraamilisi kondensaatoreid, kuid erinevad neist suurema mahtuvuse ja väiksemate kadude poolest. Need on saadaval nii pliivaba kui ka pliivaba SMD-kujundusega.
Tantaalkondensaatoreid iseloomustavad pikk eluiga ja minimaalsed kaod veidi madalama võimsuspiiriga, kuid need on ka väga kallid. Neid kasutatakse suure vastutustundlikkusega ahelates, kus on vaja suurt mahtuvust.
Seotud artiklid:
