Sähkökondensaattori on yksi elektronisen laitteen sähköpiirin elementeistä. Sen päätehtävänä on varastoida energiaa ja vapauttaa se myöhemmin takaisin virtapiiriin. Teollisuudessa on tarjolla laaja valikoima erilaisia kondensaattoreita, joiden tyypit, kapasiteetit, koot ja sovellukset vaihtelevat.
Kondensaattorin periaate ja ominaisuudet
Kondensaattori koostuu kahdesta metallikiekosta, jotka on erotettu toisistaan ohuella dielektrisellä kerroksella. Kapasitanssiarvo määräytyy pinnoitteiden koon ja järjestyksen sekä dielektrisen materiaalin ominaisuuksien suhteen perusteella.
Minkä tahansa kondensaattorityypin suunnittelussa pyritään saamaan mahdollisimman suuri kapasitanssi mahdollisimman pieniin mittoihin nähden, jotta laitteen piirilevyllä voitaisiin säästää tilaa. Yksi ulkonäöltään suosituimmista muodoista on tynnyrimuoto, jossa metallikannet on kierretty yhteen ja niiden välissä on dielektrinen sähkö. Alankomaiden Leidenissä vuonna 1745 keksitty ensimmäinen kondensaattori oli nimeltään "Leidenin purkki".
Komponentin periaatteena on kyky latautua ja purkautua. Lataus on mahdollista pitämällä elektrodit lyhyen etäisyyden päässä toisistaan. Dielektrisen aineen erottamat lähekkäin olevat varaukset vetävät toisiaan puoleensa ja jäävät kiinni napoihin, jolloin kondensaattori itsessään varastoi energiaa. Kun virtalähde on kytketty pois päältä, komponentti on valmis luovuttamaan energiaa piiriin, purkautumaan.
Suorituskyvyn, laadun ja kestävyyden määrittävät parametrit ja ominaisuudet.
- sähköinen kapasitanssi;
- ominaiskapasitanssi;
- suvaitsevaisuus;
- sähköinen lujuus;
- itseisinduktanssi;
- dielektrinen absorptio;
- tappiot;
- vakaus;
- luotettavuus.
Kyky varastoida varausta määrittää kondensaattorin sähkökapasitanssin. Kapasitanssin laskemisessa on tiedettävä, että
- käämien pinta-ala;
- inserttien välinen etäisyys;
- Dielektrisen materiaalin dielektrisyysvakio.
Kapasitanssin lisäämiseksi on tarpeen lisätä käämien pinta-alaa, pienentää niiden välistä etäisyyttä ja käyttää dielektristä materiaalia, jonka dielektrisyysvakio on suuri.
Kapasitanssin mittayksikkö on Farad (F), joka on nimetty englantilaisen fyysikon Michael Faradayn mukaan. 1 Farad on kuitenkin liian suuri arvo. Esimerkiksi planeettamme kapasitanssi on alle 1 Farad. Radioelektroniikassa käytetään pienempiä arvoja: mikrofaradeja (µF, yksi miljoonasosa faradista) ja pikofaradeja (pF, yksi miljoonasosa mikrofaradista).
Ominaiskapasitanssi lasketaan kapasitanssin ja dielektrisen massan (tilavuuden) suhteesta. Tähän vaikuttavat geometriset mitat, ja ominaiskapasitanssia voidaan kasvattaa pienentämällä dielektrisen tilavuutta, mutta tämä lisää läpilyöntiriskiä.
Nimikilven kapasitanssiarvon sallittu poikkeama todellisesta arvosta määrittää tarkkuusluokan. GOSTin mukaan on olemassa 5 tarkkuusluokkaa, jotka määrittävät tulevan käytön. Korkeimpaan tarkkuusluokkaan kuuluvia komponentteja käytetään korkean vastuun piireissä.
Sähköinen lujuus määrittää kyvyn pitää lataus ja säilyttää suorituskyky. Käämeihin varastoituneet varaukset pyrkivät liikkumaan toisiaan kohti, kun ne vaikuttavat dielektriseen aineeseen. Sähköinen lujuus on kondensaattorin tärkeä ominaisuus, joka määrittää sen käyttöiän. Vääränlainen käyttö johtaa dielektriseen rikkoutumiseen ja komponenttien vikaantumiseen.
Itseisinduktanssi otetaan huomioon vaihtovirtapiireissä, joissa on induktanssikelat. Tasavirtapiireissä sitä ei oteta huomioon.
Dielektrinen absorptio on jännitteen näkyminen keloissa nopean purkautumisen aikana. Absorptioilmiö otetaan huomioon suurjännitteisten sähkölaitteiden turvallisen toiminnan kannalta, koska oikosulun sattuessa on hengenvaara.
Häviöt johtuvat dielektrisen materiaalin alhaisesta virransietokyvystä. Kun elektroniikkakomponentteja käytetään eri lämpötiloissa ja kosteusolosuhteissa, häviöiden laatutekijä vaikuttaa. Siihen vaikuttaa myös toimintataajuus. Matalilla taajuuksilla tämä vaikuttaa dielektrisiin häviöihin, korkeammilla taajuuksilla taas metallisiin häviöihin.
Vakaus on kondensaattorin parametri, johon vaikuttaa myös ympäristön lämpötila. Sen vaikutukset jaetaan palautuviin, joille on ominaista lämpötilakerroin, ja palautumattomiin, joille on ominaista lämpötilan epävakauskerroin.
Kondensaattorin toimintavarmuus riippuu ensisijaisesti käyttöolosuhteista. Vika-analyysi osoittaa, että vikaantumiset aiheuttavat 80 prosenttia kaikista vioista.
Kondensaattorit mitoitetaan eri tavoin sovelluksesta, tyypistä ja käyttöalueesta riippuen. Pienimpiä, joiden koko vaihtelee muutamasta millimetristä muutamaan senttimetriin, käytetään elektroniikassa, kun taas suurimpia käytetään teollisuudessa.
Käyttötarkoitus
Kondensaattoreiden laaja käyttö nykyaikaisessa elektroniikassa on perustunut niiden ominaisuuteen varastoida ja vapauttaa energiaa. Aivan kuten vastukset ja transistorit, ne ovat sähkötekniikan selkäranka. Ei ole yhtään nykyaikaista laitetta, jossa niitä ei käytettäisi jossakin muodossa.
Niiden kykyä latautua ja purkautua sekä induktanssia, jolla on samat ominaisuudet, käytetään laajasti radio- ja televisiotekniikassa. Kondensaattorin ja induktanssin värähtelypiiri on signaalien lähetyksen ja vastaanoton perusta. Kondensaattorin kapasiteetin muuttaminen mahdollistaa värähtelypiirin taajuuden muuttamisen. Esimerkiksi radioasemat voivat lähettää omilla taajuuksillaan, ja radiot voivat muodostaa yhteyden näille taajuuksille.
Tärkeä tehtävä on tasoittaa vaihtovirran aaltoilua. Kaikki vaihtovirtakäyttöiset elektroniset laitteet tarvitsevat suodattavia sähkökondensaattoreita tuottaakseen laadukasta tasavirtaa.
Lataus- ja purkumekanismia käytetään aktiivisesti valokuvauslaitteissa. Kaikki nykyaikaiset kamerat käyttävät salamaa kuvien ottamiseen, ja salaman ominaisuutena on nopea purkautuminen. Akut, jotka pystyvät varastoimaan energiaa mutta purkautuvat hitaasti, eivät ole tällä alalla eduksi. Kondensaattorit sen sijaan vapauttavat kaiken varastoidun energian välittömästi, mikä riittää kirkkaaseen välähdykseen.
Kondensaattoreiden kykyä tuottaa suuritehoisia pulsseja käytetään radiopaikannuksessa ja lasereissa.
Kondensaattorit toimivat kipinänsammutuskoskettimina lennätin- ja puhelinliikenteessä sekä telemekaniikassa ja automaatiossa, joissa on kytkettävä voimakkaasti kuormitettuja releitä.
Pitkien siirtojohtojen jännitteensäätö on mahdollista kompensointikondensaattoreiden avulla.
Nykyaikaisia kondensaattoreita ei niiden ominaisuuksien ansiosta käytetä ainoastaan radioelektroniikan alalla. Niitä käytetään metallinjalostuksessa, kaivosteollisuudessa ja hiiliteollisuudessa.
Tärkeimmät lajikkeet
Elektronisten laitteiden sovellusten ja käyttöolosuhteiden moninaisuuden vuoksi on olemassa suuri valikoima komponentteja, jotka eroavat toisistaan tyypiltään ja ominaisuuksiltaan. Tärkein jako perustuu luokkiin ja käytettyyn dielektriseen aineeseen.
Kondensaattorityypit jaettuna luokan mukaan:
- vakiokapasitanssilla;
- muuttuvalla kapasitanssilla;
- säädettävissä.
Vakiokapasitanssikomponentteja käytetään kaikissa radioelektronisissa laitteissa.
Muuttuvia kondensaattoreita käytetään kapasitanssin ja piirin parametrien, esimerkiksi taajuuden muuttamiseen värähtelevissä piireissä. Niiden rakenteessa on useita liikkuvia metallilevyjä, mikä takaa niiden pitkäikäisyyden.
Trimmerikondensaattoreita käytetään laitteen yksittäiseen säätöön. Niitä on saatavana eri kapasitanssiluokituksina (muutamasta pikofaradista useisiin satoihin pikofaradeihin), ja ne on suunniteltu enintään 60 voltin jännitteille. Ilman niitä laitteiden hienosäätö ei olisi mahdollista.
Kondensaattorityypit, jotka luokitellaan dielektrisen aineen tyypin mukaan:
- keraaminen dielektrinen;
- kalvodielektrisellä kalvolla;
- elektrolyyttinen;
- ioninvaihtimet.
Keraamiset kondensaattorit on valmistettu pienestä keraamisesta materiaalista valmistetusta levystä, johon on ruiskutettu metallipäätteet. Näillä kondensaattoreilla on erilaiset ominaisuudet, ja niitä käytetään sekä suurjännite- että pienjännitepiireissä.
Pienjännitepiireissä käytetään yleisimmin epoksi- tai muovikoteloissa olevia monikerroksisia pieniä komponentteja, joiden kapasiteetti vaihtelee kymmenistä pikofaradeista mikrofaradeihin. Niitä käytetään radioelektronisten laitteiden suurtaajuuspiireissä, ja ne voivat toimia vaikeissa ilmasto-olosuhteissa.
Korkeajännitepiirejä varten on saatavilla suurempia keraamisia kondensaattoreita, joiden kapasiteetti vaihtelee kymmenistä pikofaradeista tuhansiin pikofaradeihin. Niitä käytetään pulssipiireissä ja jännitteen muuntolaitteissa.
Kalvodielektrikoita on erityyppisiä. Yleisin on lavsan, joka on erittäin kestävä. Harvinaisempi on polypropyleenidielektrinen, jonka häviöt ovat pienemmät ja jota käytetään korkeajännitepiireissä, kuten äänenvahvistinpiireissä ja keskiäänipiireissä.
Erillinen kalvokondensaattorityyppi on käynnistyskondensaattori, jota käytetään moottoreita käynnistettäessä ja joka suuren kapasitanssinsa ja erityisen dielektrisen materiaalinsa ansiosta vähentää sähkömoottorin kuormitusta. Niille on ominaista korkea käyttöjännite ja korkea sähköinen reaktiivinen teho.
Elektrolyyttikondensaattorit on valmistettu klassisella mallilla. Kotelo on valmistettu alumiinista, ja sen sisään on sijoitettu kelatut metallikuoret. Toinen päällysteistä on päällystetty kemiallisesti metallioksidilla ja toinen nestemäisellä tai kiinteällä elektrolyytillä dielektrisen aineen muodostamiseksi. Tämän rakenteen ansiosta elektrolyyttikondensaattoreilla on suuri kapasitanssi, mutta niiden käytön erityispiirre on sen muuttuminen ajan myötä.
Toisin kuin keraamiset ja kalvokondensaattorit, elektrolyyttikondensaattoreilla on napaisuus. Nämä puolestaan jaetaan poolittomiin, ilman tätä haittaa oleviin, säteittäisiin, pienikokoisiin ja aksiaalisiin. Niiden sovellusalueet ovat perinteinen tietokone ja nykyaikainen mikrotietokonetekniikka.
Erikoistyyppi, joka on ilmestynyt suhteellisen hiljattain, ovat ioninvaihtimet. Ne ovat rakenteeltaan samanlaisia kuin elektrolyyttikondensaattorit, mutta niiden kapasitanssi on suuri (jopa useita faradeja). Niiden käyttöä rajoittaa kuitenkin pieni, muutaman voltin enimmäisjännite. Ionisaattoreita käytetään muistin tallentamiseen: jos matkapuhelimen tai pienoistietokoneen akku loppuu, tallennetut tiedot eivät katoa peruuttamattomasti.
Pitkään käytössä olleiden ja perinteisesti käytettyjen nastatyyppisten komponenttien lisäksi nykyaikaisia komponentteja on saatavana myös SMD- eli pinta-asennettuina. Esimerkiksi keraamisia kondensaattoreita voidaan valmistaa erikokoisina pienimmästä (1 mm x 0,5 mm) suurimpaan (5,7 mm x 5 mm), ja niiden jännitteet vaihtelevat kymmenistä volteista satoihin volteihin.
Elektrolyyttikondensaattoreita voidaan valmistaa myös pinta-asennettaviin koteloihin. Ne voivat olla tavallisia alumiinielektrolyyttikondensaattoreita tai tantaalikondensaattoreita, jotka näyttävät hieman keraamisilta kondensaattoreilta, mutta eroavat niistä suuremman kapasitanssin ja pienempien häviöiden ansiosta. Niitä on saatavana sekä lyijyttöminä että lyijyttöminä SMD-malleina.
Tantaalikondensaattoreille on ominaista pitkä käyttöikä ja minimaaliset häviöt, ja niiden kapasiteettiraja on hieman alhaisempi, mutta ne ovat myös erittäin kalliita. Niitä käytetään korkean vastuun piireissä, joissa tarvitaan suurta kapasitanssia.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
