Kondenzátor (áramköri alkatrész)

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Különféle kivitelű kondenzátorok

Az elektromos töltés tárolására készített technikai eszközöket kondenzátornak (régies nevén „sűrítő”-nek) nevezzük. Minden kondenzátor legalább két párhuzamos vezető anyagból (fegyverzet), és a közöttük lévő szigetelő anyagból (dielektrikum) áll. Az első kondenzátor a leideni palack volt, amelyet Pieter van Musschenbroek készített 1746-ban a leydeni egyetemen.

Levegő dielektrikumú hangolókondenzátor, a két egymásba fordítható lemezcsomag képezi a fegyverzeteket. A szélső hasított lemezek hajlításával trimmelhető

Az elektronikában a kondenzátorokat kétféle módon csoportosíthatjuk:

  • A dielektrikum fajtája szerint
    • levegő
    • transzformátorolaj
    • papír+transzformátorolaj
    • műanyag (például stiroflex)
    • kerámia
    • fém-oxid (elektrolitkondenzátorok esetén)
  • A kapacitás szabályozhatósága alapján

Kapacitás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kondenzátor áramköri jele

A kapacitás a kondenzátor legfontosabb jellemzője. Minden test alkalmas elektromos töltések befogadására, tárolására; ezt nevezzük kapacitásnak, és C-vel jelöljük.

A kapacitás definíció szerint: a kondenzátorban felhalmozódott töltések és az ezek által létrehozott feszültség hányadosa, vagyis

C=\frac{Q}{U}.

A kapacitás jellemző az adott rendszerre. Főként annak szerkezeti kialakításától, és a benne található dielektrikumtól függ, illetve kisebb mértékben a saját feszültségétől, töltésétől. Ha ez a függés jellemzővé válik, akkor nemlineáris kondenzátorról beszélünk. Bizonyos alkalmazásokban ezt a függést használják ki. Például ilyen a varicap dióda (bár ez valójában nem tipikus kondenzátor, de a működési elve szerint valóban egy dióda belsejében kialakult feszültségfüggő síkkondenzátorról van szó). Az összefüggés alapján a kapacitás mértékegysége: 1 As/V = 1 F (farad). 1 F kapacitása van annak a rendszernek, amelybe 1 As töltést téve 1 V feszültség lép fel.

A kondenzátor áramának és feszültségének kapcsolatát az áram definíciós egyenletéből származtathatjuk a kapacitás definíciójának segítségével, azaz:

I_c(t)=\frac{d}{dt}Q(t)=\frac{d}{dt}(C(t)U_c(t))=U_c(t)\frac{d}{dt}C(t) + C(t)\frac{d}{dt}U_c(t)

Tegyük fel, hogy \dot{C}(t)\approx 0, ami azt fejezi ki, hogy a kondenzátor kapacitása közel állandó az időben, tehát C(t):=C, ekkor a fentiek szerint a kondenzátor árama és feszültsége a következő kapcsolatban állnak:

i(t)=C\dot{u}(t), \quad u(t)=u(t_0) + \frac{1}{C}\int_{t_0}^t i(\tau)\mathrm{d}\tau,

ahol a pont szokásosan az idő szerinti deriváltat jelenti, illetve az u(t_0) a kondenzátor feszültségét jelöli a t_0 időpontban.

A gyakorlatban sokszor a fenti egyenletek Fourier-, illetve Laplace-transzformáltját használjuk. A kondenzátorra vonatkozó egyenletek a frekvencia tartományban:

I(j\omega)=j\omega C U(j\omega)\,\!, amiből az \frac{U(j\omega)}{I(j\omega)}=Z_c(j\omega)=\frac{1}{j\omega C}=\frac{1}{\omega C}e^{-j\pi/2} a kondenzátor impedanciája.

Továbbá a komplex frekvencia tartományban:

I(s)=Cu(t_0)+sC U(s)=sC U(s)\,\!, amiből a komplex impedancia Z_c(s)=\frac{1}{sC}

ha u(t_0)=0.

Összekapcsolások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A sorosan, illetve párhuzamosan kapcsolt kondenzátorok eredő kapacitása a következőképpen számítható:

Kondenzátorok soros kapcsolása

C_{\text{soros}}=C_1\times C_2\times\dots\times C_n = \mathop{\times}_{i=1}^n C_i,

Kondenzátorok párhuzamos kapcsolása

C_{\text{parh}}=C_1 + C_2 + \dots + C_n = \sum_{i=1}^n C_i,

ahol a\times b = \frac{ab}{a+b}\,\! a replusz művelet két tényezőre, vagy implicit formában:

\frac{1}{x_{\text{soros}}}=\frac{1}{x_1}+\frac{1}{x_2}+\dots+\frac{1}{x_n} = \sum_{i=1}^n \frac{1}{x_i}.

Lásd még: ellenállások párhuzamos kapcsolása.

Fajtái[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Supercap-ok

Indítókondenzátorok

Elektrolit kondenzátorok (elkó):

  • Álló elkók, Snap-in
  • Álló elkók
  • Fekvő elkók
  • Szubminiatűr elkók
  • Nagyfeszültségű elkók
  • Alacsonyfeszültségű elkók
  • Nagykapacitású elkók

Fólia kondenzátorok:

  • MKS kondenzátorok
  • MKP kondenzátorok
  • FKP fóliakondenzátorok
  • FKS fóliakondenzátorok
  • MKT kondenzátorok, Siemens
  • Polipropilén kondenzátorok
  • MKT kondenzátorok, Epcos

Kerámia kondenzátorok:

  • Kerámia kondenzátorok, KDPU
  • Kerámia tárcsakondenzátorok
  • Kerámia kondenzátorok

SMD kondenzátorok:

  • SMD kerámia chip kondenzátorok, 0603
  • SMD kerámia chip kondenzátorok, 0805
  • Egyéb SMD kerámia kondenzátorok
  • SMD többrétegű kondenzátorok
  • SMD elektrolitkondenzátorok
  • SMD poliészter kondenzátorok

Bipoláris kondenzátorok

A kondenzátor legegyszerűbb változata a síkkondenzátor. Ezt két párhuzamos fémlemez (fegyverzet) képezi, amik között szigetelőanyag található. Egy ilyen rendszer kapacitása, ha a szigetelő a fegyverzet teljes felületét kitölti:

C=\varepsilon_0\varepsilon_r\frac{A}{d}, ahol a

d, a szigetelőanyag (dielektrikum) vastagsága, (a fegyverzetek távolsága)
A, a fegyverzetek felülete
\varepsilon_0, a vákuum dielektromos állandója
\varepsilon_r, a szigetelő relatív permittivitása

Bonyolultabb megvalósítása a 'tömbkondenzátor', ami több síkkondenzátor egymás mellé helyezését jelenti. Tekercselt kivitelű kondenzátorokat használnak olcsó, kevésbé igényes alkalmazásokban, mint pl.: fénycsőgyújtó.

Gyakori megvalósításai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Elektrolitkondenzátorok

Az alumíniumfóliás elektrolitkondenzátorok egyik fegyverzete oxidált alumínium, ahol az alumíniumoxid dielektrikumként működik. Így a kondenzátor egyik fegyverzete az alumínium, a másik az elektrolit (folyadék, vagy gél formájában). Ezeknek a kondenzátoroknak kis térfogat mellett nagy kapacitásuk van (0,5 mikrofarádtól kezdve ma már akár 100 mF-ig is terjedhetnek), de veszteségeik jelentékenyek lehetnek. Az elektrolitkondenzátorok kapacitása a hőmérséklettel változik (csökkenő hőmérsékletnél csökken a kapacitás, növekvőnél nő):

A kapacitás értéke a +20 °C-on mért (névleges) kapacitáshoz képest:

  0 °C-on 70-75%
-10 °C-on 50-60%
-20 °C-on 23-50%

Az elektrolitkondenzátorok -20 °C alatt tönkremehetnek!

Az elektrolitkondenzátorok kapacitása a rájuk adott feszültség függvényében is, általában -20% és +50% között változhat. (Ez a változás csökkenthető a kondenzátorok úgynevezett formázásával, ami gyakorlati tapasztalat szerint a rájuk írt maximális feszültségérték 50%-án történik, mintegy 3 órán keresztül). A megfelelő formázással és a maximális feszültségérték 50%-án történő használattal az elektrolitkondenzátorok élettartama lényegesen megnövelhető. Az elektrolitkondenzátorok legfontosabb felhasználási területe a váltófeszültségből egyenirányított egyenfeszültségek stabilizálása tápegységekben, valamint szűrőkondenzátorként az alacsony frekvenciás váltóáramú összetevők kiszűrése. Általánosságban elmondható róla, hogy nagyfrekvenciás tulajdonságai rosszak, veszteségi tényezője viszonylag magas, értéke bizonytalan, ugyanakkor fajlagos kapacitás értéke magas. Komoly hátránya, hogy polaritásérzékeny. Léteznek váltóáramú változatok is, ezekben mindkét fém fegyverzeten van oxidréteg. Ezek fajlagos kapacitása fele akkora.

  • Tantálkondenzátorok

Tulajdonságai hasonlóak az alumínium-elektrolit kondenzátorokéhoz. Fajlagos kapacitásuk még magasabb, nagy frekvenciás tulajdonságai pedig sokkal jobbak. Kevésbé öregszik és szélesebb hőmérséklet tartományt visel el. Ára magasabb és alkalmazása körültekintést igényel. A tantál kondenzátorok fordított polaritás, túlfeszültség, illetve nagy áram esetén felrobbanhatnak.

  • Fóliakondenzátorok

Leggyakrabban tömb, illetve tekercselt kivitelben készülnek. A tömb kivitel szórt induktivitása és ekvivalens soros ellenállása alacsonyabb, ezért magasabb frekvenciákon jobban használható. A tekercselt kivitelt egyszerűbb gyártani, ezért ára alacsonyabb. A felhasznált fólia anyagától függően különböző tulajdonságokra lehet optimalizálni.

    • Polisztirol - Viszonylag rossz fajlagos kapacitású kondenzátor, korlátozott hőmérséklettűréssel. Kedvező öregedési tulajdonságai miatt precíziós analóg elektronikában alkalmazzák. Veszteségi tényezője alacsony.
    • Polipropilén
    • Poliészter - Leginkább magasfeszültségű alkalmazásra javasolt. Veszteségi tényezője viszonylag magas, ezért nagy frekvenciákon nem használják.
    • Poliamid - A poliészterhez hasonló, de magasabb működési hőmérsékletet is tolerál.
    • Polikarbonát - Kiváló szigetelési tulajdonsági miatt nagy feszültségeknél népszerű.
    • Teflon - Nagyon kedvező magas frekvenciás tulajdonságokkal rendelkezik, ezért gyakran alkalmazzák mikrohullámú, illetve rádiófrekvenciás alkalmazásokban. Nagyon jó stabilitás, magas átütési szilárdság és kis veszteségi tényező jellemzi, még magas hőmérsékletek mellett is. Hátránya, hogy alacsony dielektromos állandója miatt a fajlagos kapacitása alacsony, valamint igen drága.
  • Kerámiakondenzátorok

Kis méretű, fémezett kerámialemezekből álló kondenzátor. Az egyszerűbbek egy darab tárcsa alakú kerámia lemezből állnak. A magasabb értékeket több téglalap alakú lemezből készítik (ún. multilayer). A felhasznált kerámiaanyagtól függően osztályokba sorolják őket.

    • C0G vagy NP0 – Tipikusan 4,7 pF-tól 0,047 µF-ig, 5% tűréssel. Alacsony hőmérséklet-függésű, viszonylag pontos. Drága és nagy.
    • X7R – Tipikusan 3300 pF-tól 0,33 µF-ig, 10%. Magasabb fajlagos kapacitás, rosszabb pontossági adatok. Közepes pontosságot igénylő alkalmazásokhoz kiváló.
    • Z5U vagy 2E6 – Tipikusan 0,01 µF-ig 2,2 µF-ig, 20%. Magas fajlagos kapacitású, olcsó kondenzátorok, kevésbé igényes területekre, mint például tápfeszültségszűrés.

Névleges feszültség[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A dielektrikum anyagától és vastagságától függő legnagyobb feszültséget, amelynél a kondenzátor dielektrikuma még biztosan nem károsodik, a kondenzátor névleges feszültségének nevezzük. A gyakorlatban ez jóval nagyobb szokott lenni a kondenzátor üzemi feszültségénél. Ha a kondenzátorra jutó feszültség ezt az értéket túllépi, a kondenzátor tönkremegy.

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]