Een elektrische condensator is een van de elementen in het elektrische circuit van een elektronisch apparaat. Zijn belangrijkste functie is energie op te slaan en deze vervolgens weer aan het circuit af te geven. De industrie biedt een grote verscheidenheid aan condensatoren met verschillende types, capaciteiten, afmetingen en toepassingen.
Principe en kenmerken van condensatoren
Een condensator bestaat uit twee metalen wafers die door een dunne diëlektrische laag van elkaar gescheiden zijn. De verhouding tussen de grootte en de plaatsing van de facings en de eigenschappen van het diëlektrisch materiaal bepaalt de capaciteitswaarde.
Het ontwerp van elk type condensator is gericht op het verkrijgen van de maximale capaciteit in verhouding tot de minimale afmetingen om ruimte te besparen op de printplaat van het apparaat. Een van de meest populaire vormen qua uiterlijk is de tonvorm, waarbij metalen deksels in elkaar zijn gedraaid met diëlektricum ertussen. De eerste condensator, uitgevonden in Leiden, Nederland, in 1745, werd de "Leidse pot" genoemd.
Het principe van de component is het vermogen om op te laden en te ontladen. Het opladen wordt mogelijk gemaakt door de elektroden op korte afstand van elkaar te houden. De dicht bij elkaar liggende ladingen, gescheiden door het diëlektricum, worden tot elkaar aangetrokken en opgesloten op de terminals, en de condensator zelf slaat dus energie op. Nadat de voeding is uitgeschakeld, is de component klaar om energie af te geven aan het circuit, om te ontladen.
Parameters en eigenschappen die bepalend zijn voor prestaties, kwaliteit en duurzaamheid
- elektrische capaciteit;
- specifieke capaciteit;
- verdraagzaamheid;
- elektrische sterkte;
- intrinsieke inductantie;
- diëlektrische absorptie;
- verliezen;
- stabiliteit;
- betrouwbaarheid.
Het vermogen om een lading op te slaan bepaalt de elektrische capaciteit van een condensator. Voor de berekening van de capaciteit is het nodig te weten
- de oppervlakte van de wikkelingen;
- de afstand tussen de inzetstukken;
- De diëlektrische constante van het diëlektrische materiaal.
Om de capaciteit te verhogen is het noodzakelijk het oppervlak van de wikkelingen te vergroten, de afstand tussen de wikkelingen te verkleinen en een diëlektricum te gebruiken waarvan het materiaal een hoge diëlektrische constante heeft.
De meeteenheid voor capaciteit is de Farad (F), genoemd naar de Engelse natuurkundige Michael Faraday. Maar 1 Farad is een te grote waarde. Bijvoorbeeld, de capaciteit van onze planeet is minder dan 1 Farad. Kleinere waarden worden gebruikt in de radio-elektronica: microfarads (µF, één-miljoenste van een Farad) en picofarads (pF, één-miljoenste van een microfarad).
De specifieke capaciteit wordt berekend uit de verhouding tussen de capaciteit en de diëlektrische massa (volume). Dit wordt beïnvloed door geometrische afmetingen, en een verhoging van de specifieke capaciteit wordt bereikt door het diëlektrische volume te verkleinen, maar dit verhoogt het risico van defecten.
De toelaatbare afwijking van de nominale capaciteitswaarde ten opzichte van de werkelijke waarde bepaalt de nauwkeurigheidsklasse. Volgens GOST zijn er 5 nauwkeurigheidsklassen die bepalend zijn voor het toekomstig gebruik. Componenten van de hoogste nauwkeurigheidsklasse worden gebruikt in circuits met een hoge verantwoordelijkheid.
De elektrische sterkte bepaalt het vermogen om een lading vast te houden en de prestaties te behouden. De op de wikkelingen opgeslagen ladingen hebben de neiging naar elkaar toe te bewegen wanneer zij op het diëlektricum inwerken. De elektrische sterkte is een belangrijke eigenschap van een condensator die bepalend is voor de gebruiksduur ervan. Onjuiste bediening leidt tot diëlektrische storing en defecte onderdelen.
In wisselstroomkringen met inductiespoelen wordt rekening gehouden met de intrinsieke inductie. Voor gelijkstroomcircuits wordt er geen rekening mee gehouden.
Diëlektrische absorptie is het verschijnen van spanning op de spoelen tijdens snelle ontlading. Het absorptieverschijnsel wordt in aanmerking genomen voor de veilige werking van elektrische hoogspanningsapparatuur omdat er bestaat levensgevaar bij kortsluiting.
De verliezen zijn te wijten aan de lage stroomvoerende capaciteit van het diëlektricum. Wanneer elektronische componenten onder verschillende temperaturen en vochtigheidsomstandigheden worden gebruikt, heeft dit gevolgen voor de kwaliteitsfactor van de verliezen. Het wordt ook beïnvloed door de werkfrequentie. Bij lage frequenties zijn de diëlektrische verliezen van invloed; bij hogere frequenties zijn de metaalverliezen van invloed.
Stabiliteit is een condensatorparameter, die ook wordt beïnvloed door de omgevingstemperatuur. De effecten worden onderverdeeld in omkeerbaar, gekenmerkt door een temperatuurcoëfficiënt, en onomkeerbaar, gekenmerkt door een temperatuurinstabiliteitscoëfficiënt.
De betrouwbaarheid van de werking van een condensator hangt in de eerste plaats af van de bedrijfsomstandigheden. Uit storingsanalyse blijkt dat storingen verantwoordelijk zijn voor 80% van alle storingen.
Afhankelijk van de toepassing, het type en het toepassingsgebied hebben de condensatoren verschillende afmetingen. De kleinste, in grootte variërend van enkele millimeters tot enkele centimeters, worden gebruikt in de elektronica, terwijl de grootste in de industrie worden gebruikt.
Doel
De eigenschap om energie op te slaan en af te geven heeft het ruime gebruik van condensatoren in de moderne elektronica bepaald. Net als weerstanden en transistors vormen zij de ruggengraat van de elektrotechniek. Er is geen enkel modern toestel dat ze niet op een of andere manier gebruikt.
Hun vermogen om op te laden en te ontladen, samen met inductantie met dezelfde eigenschappen, wordt op grote schaal gebruikt in de radio- en televisietechnologie. De oscillerende kring van condensator en inductantie vormt de basis voor de transmissie en ontvangst van signalen. Door de capaciteit van de condensator te veranderen, kan de frequentie van de oscillerende kring worden gewijzigd. Radiozenders kunnen bijvoorbeeld uitzenden op hun frequenties en radio's kunnen verbinding maken met deze frequenties.
Een belangrijke functie is het afvlakken van wisselstroomrimpels. Elk elektronisch apparaat dat op wisselstroom werkt, heeft filterende elektrische condensatoren nodig om gelijkstroom van goede kwaliteit te produceren.
Het laad- en ontlaadmechanisme wordt actief gebruikt in fotografische apparatuur. Alle moderne camera's maken gebruik van een flitser om foto's te nemen, die wordt gerealiseerd door de eigenschap van snelle ontlading. Batterijen, die energie kunnen opslaan maar traag ontladen, zijn op dit gebied niet voordelig. Condensatoren daarentegen geven alle opgeslagen energie onmiddellijk vrij, wat voldoende is voor een heldere flits.
Het vermogen van de condensatoren om impulsen met een hoog vermogen op te wekken wordt gebruikt in radiolocatie en lasers.
Condensatoren vervullen de rol van vonkbruggen in de telegrafie en de telefonie, alsook in de telemechanica en de automatisering, waar zwaar belaste relais moeten worden geschakeld.
Spanningsregeling van lange transmissielijnen wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van compensatiecondensatoren.
Moderne condensatoren worden, dankzij hun mogelijkheden, niet alleen gebruikt op het gebied van de radio-elektronica. Zij worden gebruikt in de metaalverwerking, de mijnbouw en de steenkoolindustrie.
Hoofdvariëteiten
Door de verscheidenheid van toepassingen en bedrijfsomstandigheden van elektronische apparatuur is er een grote verscheidenheid van componenten die verschillen in type en eigenschappen. De hoofdindeling is gebaseerd op klassen en op het gebruikte type diëlektricum.
Soorten condensatoren onderverdeeld naar klasse:
- met constante capaciteit;
- met variabele capaciteit;
- regelbaar.
Constante capaciteitscomponenten worden in elk radio-elektronisch apparaat gebruikt.
Variabele condensatoren worden gebruikt om de capaciteit en de circuitparameters te veranderen, b.v. de frequentie in oscillerende circuits. Zij hebben verschillende secties van metalen beweegbare platen in hun constructie, wat hun levensduur garandeert.
De trimmercondensatoren worden gebruikt voor de enkelvoudige afstelling van het toestel. Zij zijn verkrijgbaar in verschillende capaciteitswaarden (van enkele picofarads tot enkele honderden picofarads) en zijn ontworpen voor voltages tot 60 volt. Zonder hen zou geen fijnafstelling van apparatuur mogelijk zijn.
Soorten condensatoren, ingedeeld volgens het soort diëlektricum:
- keramisch diëlektricum;
- met een diëlektrische film;
- elektrolytisch;
- ionenwisselaars.
Keramische condensatoren worden gemaakt in de vorm van een kleine plaat keramisch materiaal waarop metalen terminals zijn gespoten. Deze condensatoren hebben verschillende eigenschappen en worden zowel voor hoog- als laagspanningsschakelingen gebruikt.
Voor laagspanningsschakelingen worden meestal meerlagige kleine componenten in epoxy- of kunststofbehuizingen gebruikt met capaciteiten die variëren van tientallen picofarads tot eenheden van microfarads. Zij worden gebruikt in hoogfrequente circuits in radio-elektronische apparatuur en kunnen onder zware klimatologische omstandigheden werken.
Voor hoogspanningsschakelingen zijn grotere keramische condensatoren verkrijgbaar met capaciteiten die variëren van tientallen picofarads tot duizenden picofarads. Zij worden gebruikt in pulsschakelingen en spanningsomzettingsapparatuur.
Er zijn verschillende soorten diëlektrische film. De meest voorkomende is lavsan, dat zeer duurzaam is. Minder gebruikelijk is het diëlektricum van polypropyleen, dat lagere verliezen heeft en wordt gebruikt in hoogspanningsschakelingen zoals audioversterkerschakelingen en middentoonschakelingen.
Een apart type filmcondensator is de aanloopcondensator, die wordt gebruikt bij het starten van motoren en die, door zijn hoge capaciteit en speciaal diëlektrisch materiaal, de belasting van de elektromotor vermindert. Zij worden gekenmerkt door hoge bedrijfsspanningen en elektrisch reactief vermogen.
Elektrolytische condensatoren zijn gemaakt in een klassiek ontwerp. De behuizing is gemaakt van aluminium en de opgerolde metalen schelpen zijn binnenin aangebracht. Een van de bekledingen is chemisch bekleed met een metaaloxide en de andere met een vloeibare of vaste elektrolyt om een diëlektricum te vormen. Door deze constructie hebben elektrolytische condensatoren een hoge capaciteit, maar het bijzondere van hun gebruik in de tijd is de verandering ervan in de tijd.
In tegenstelling tot keramische en filmcondensatoren hebben elektrolytische condensatoren polariteit. Deze worden op hun beurt onderverdeeld in niet-polair, zonder dit nadeel, radiaal, miniatuur en axiaal. Hun toepassingsgebieden zijn de traditionele computer- en de moderne microcomputertechnologie.
Een speciaal type, dat betrekkelijk recent is verschenen, zijn ionenwisselaars. Hun constructie is vergelijkbaar met die van elektrolytische condensatoren, maar zij hebben een hoge capaciteit (tot verscheidene Farads). Het gebruik ervan wordt echter beperkt door een kleine maximale spanning van enkele volts. Ionisatoren worden gebruikt om geheugen op te slaan: als de batterij van een mobiele telefoon of een minicomputer leeg raakt, zal opgeslagen informatie niet onherroepelijk verloren gaan.
Naast componenten in pin-uitvoering, die al lang bestaan en traditioneel worden gebruikt, zijn er moderne componenten verkrijgbaar in SMD-uitvoering, of zoals het ook wel wordt genoemd, surface-mounted uitvoering. Keramische condensatoren kunnen bijvoorbeeld worden geproduceerd in een verscheidenheid van afmetingen, van de kleinste (1 mm bij 0,5 mm) tot de grootste (5,7 mm bij 5 mm), en met bijbehorende spanningen variërend van tientallen volts tot honderden volts.
Elektrolytische condensatoren kunnen ook worden geproduceerd in surface mount behuizingen. Dit kunnen standaard aluminium elektrolytische condensatoren zijn, of tantaalcondensatoren, die een beetje op keramische condensatoren lijken, maar zich daarvan onderscheiden door hun hogere capaciteit en lagere verliezen. Ze zijn verkrijgbaar in zowel loodvrije als loodvrije SMD-uitvoering.
Tantaalcondensatoren worden gekenmerkt door een lange levensduur en minimale verliezen bij een iets lagere capaciteitslimiet, maar zijn ook zeer duur. Zij worden gebruikt in circuits met hoge verantwoordelijkheid waar een hoge capaciteit vereist is.
Verwante artikelen:
