Kondensaattori

Kondensaattori on virtapiirin osa, joka varastoi energiaa sähkökentän avulla.

Yksinkertainen kondensaattori muodostuu kahdesta vierekkäisestä sähköä johtavasta levystä, jotka on eristetty toisistaan esimerkiksi tyhjiöllä tai ilmalla. Levyjen väliin muodostuu sähkökenttä, joka varastoi sähkövarausta.

Levykondensaattorin elektrodien välinen kapasitanssi, kun pinta-ala on A ja levyjen väli on d on suunnilleen:

$C=\epsilon _{0}\epsilon _{r}{\frac {A}{d}}$

missä C on kapasitanssi faradeina, $\epsilon _{0}$ on tyhjön sähköstaattinen permittiivisyysvakio ($1/(\mu _{o}c^{2})=1/(4\pi 10^{-7}c^{2})$) ja $\epsilon _{r}$ on käytetyn eristeen suhteellinen permittiivisyys.

Kondensaattorin varauskykyä voi siis lisätä:

• Laittamalla lisää pinta-alaa kondensaattoriin - tai laittamalla useampia kondensaattoreita rinnakkain.
• Käyttämällä korkeamman $\epsilon _{r}$:n omaavaa materiaalia eristeenä
• Tuomalla elektrodeja lähemmäs toisiaan (so. ohentamalla eristettä)

Koska ilmaeristeiset kondensaattorit ovat suurikokoisia, yleensä käytetään jotain muuta eristettä ja erilaisia keinoja kasvattaa pinta-alaa pienessä paketissa. Nykyisin ilmaeristeisiä kondensaattoreita näkee enää eräissä virityspiireissä, enimmäkseen nekin ovat menneisyyttä.

Kondensaattoriin varastoituva energia

Kondensaattori varastoi energiaa ja sen yhtälöt ovat:

$C={\frac {Q}{U}}$

$E={\frac {1}{2}}{\frac {Q^{2}}{C}}={\frac {1}{2}}CU^{2}$

missä:

• C = kapasitanssi
• U = jännite
• Q = sähkövaraus
• E = energia

Katso myös: reaktanssi

Rinnan- ja sarjaankytkennät

Rinnakkain kytkettyjen kondensaattorien yhteenlaskettu kapasitanssi on yksittäisten kondensaattorien kapasitanssien summa:

$C_{\mathrm {sum} }=C_{1}+C_{2}+...$

piirrokset

Sarjaan kytkettyjen kondensaattorien yhteenlaskettu kapasitanssi on yksittäisten komponenttien kapasitanssien käänteisarvojen summan käänteisarvo:

${\frac {1}{C_{\mathrm {sum} }}}={\frac {1}{C_{1}}}+{\frac {1}{C_{2}}}+...$

Jos olisi käytössä kapasitanssin käänteisarvoa merkitsevä suure samaan tapaan kuin vastuksilla on konduktanssi, kapasitanssien sarjakytkennän kaavasta tulisi ylempänä olevan rinnankytkennän kaltainen.

TODO: piirrokset

Piirrossymbolit

TODO: piirrokset

Erilaisia kondensaattoreita

Aiheesta on myös: http://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor_(component)

Kondensaattoreita luokitellaan yleensä niiden rakenteen tärkeimmän komponentin: eristeaineen mukaan:

Ilmaeristeiset
Ilma	pF .. nF	Yleensä säädettäviä kondensaattoreita virityspiireissä
Suojakaasut		Suurjännitekäytössä yli 100 kV jännitteillä
Tyhjö		Suurehko jännitekesto ja immuniteetti ympäristön likaa kohtaan
Kiinteä eriste: Keraamiset
C0G, NP0	4.7 pF .. 47 nF, 5% $\epsilon _{r}<500\,$ erittäin vähähäviöinen	Laadukas toleranssiltaan ja lämmönkestoltaan. Kooltaan isompaa ja kaliimpaa. (Eristeaineen lämpötilariippuvuus on erittäin pientä.)
X7R	3.3 nF .. 330 nF, 10% medium $\epsilon _{r}\,$	Kelvollinen epäkriittiseen käyttöön ja ajastuksiin. Herkkä mikrofonisuudelle (eristemateriaali on pietsosähköistä ainetta)
Z5U, Y5U	10 nF .. 2.2 µF, 10% korkea $\epsilon _{r}\,$	Hyvä (RF) bypass käyttöön, halpaa ja pientä. Herkkä mikrofonisuudelle (eristemateriaali on pietsosähköistä ainetta)
PZT	1 nF .. 1 µF, 1% korkea $\epsilon _{r}\,$	Keraamiset chipit, lyijy-zirkonaati-titanaatti on sekä pietsosähköisesti, että ferrosähköisesti reagoiva keraami (reagoi sekä tärinään, että magneettikenttään)
Lasi	0.1 pF .. 1.2 nF	Erittäin stabiileja, käytetty stabiileissa oskillaattoreissa, kestävät myös lämpötiloja +200°C asti, rankkaa säteilyä ja neutroneja. Näitä tekee mm. AVX.
Kiille ("mica")	pF, 100V	Hopeoituja kiillelevyjä, varhaisia RF kondensaattoreita
Kiinteä eriste: muut kuin keraamit
Paperi	10nF .. 5µF, 10-30%	Varhainen halpa rakenne kerrostaa pitkä paperiliuska ja kaksi alumiinifolioliuskaa rullalle kierrettynä. Paketti on viimeistelty laittamalla se kuoreen ja sinetöimällä vahalla. Löytyy antiikkisista radioista. Jossain määrin nähty myös öljyllä kyllästettynä suurjännitekondensaattoreina.
Polyesteri (Mylar®)	1 nF .. 1µF, ??%	stabiileita ja jännitekestäviä. signaalikäsittelyssä, integraattoreissa
Polystyreeni	pF	RF signaalikäsittelyyn
Polypropyleeni		pieni häviö, suuri jännitekesto, läpilyöntikestävyys, signaalikäsittelyssä ja mm. häiriönpoistokondensaattoreina
PTFE (Teflon®)		Mikroaaltotaajuuksilla, yleensä piirilevykuvioina tai koaksiaalipätkinä
Piirilevykuviot	pF .. nF	Mikroaalloilla tarvittavat pienet kapasitanssit syntyvät helposti ja toistettavasti johteen ja maatason sopivan kokoisilla kuvioilla.
Elektrolyyttiset
Alumiini	1µF .. 0.1 F, 3 .. 600 V, 10 .. 40% polaroitu	Eristeaineena alumiinifolion pinnalla oleva alumiinioksidikerros, ynnä sopiva elektrolyytti (kalium-hydroksidi, tms.), polaroitu eli kondensaattorin yli ei saa olla väärän suuntaista tasajännitettä.
Tantaali	1µF .. 100 µF 3 .. 50 V 5 .. 20% polaroitu	Stabiilimpi kapasitanssi, kuin alumiinielektrolyytillä, samoin pienempi vuotovirta ja yleensä myös pienempi ESR ja Impedanssi. Toisin kuin Al-lyytti, nämä eivät siedä hetkittäistäkään ylijännitettä, eikä väärinpäin olevaa tasajännitettä, vaan temperamenttisesti tahtovat räjähtää...
Niobi pentoksidi	1µF .. 100 µF 3 .. 50 V 5 .. 20% polaroitu ?	Tantaalin kaltaisiin käyttöihin, valmistajina mm. AVX, kehittäjä: Cabot Corporation. AVX Tantaali + Niobi master kirja; kertoo myös taustoja; Isompi ESR kuin Tantaaleilla, halvempia.
EDLC, Super- kondensaattorit	useita faradeja, max 2.55 V	Suuri kapasitanssi, pieni jännitekesto. Elektrodit huokoisia aktiivihiilipalasia. Wikipedia: EDLC
Ultracap	kilofaradeja, max 2.55 V	Erittäin suuri kapasitanssi, pieni jännitekesto; Superkondensaattori, jossa pinta-alaa on suurennettu tekemällä huokoisuus nanotasolla asti.
Säädettävät kondensaattorit
Mekaaniset	10 pF .. 10 nF	Eristevaihtoentoina: ilma, tyhjö, muovi, keraami, lasi. RF-virityspiireissä.
Kapasitanssi- diodi	1 pF .. 10 nF	Diodin yli estosuuntaan kytketty tasajännite (1-30V) säätää puolijohteen sisällä ns. estovyöhykkeen paksuutta, joka puolestaan säätää kapasitanssia
Kaikkea sekavaa
Kondensaattori- mikrofonit		Bias-jännitteinen kevyt kalvo esittää liikkuessaan pieniä sähkövirran muutoksia.
Painemittaus- kennot
Ihminen		Ihminen on mallinnettavissa ESD-mielessä ikään kuin pieni kondensaattori + 1 Mohm sarjavastus.
Pietsosähköinen kide		Pietsosähköinen kide muuttaa muotoaan sähkökentässää ja kääntäen, sellaisen muodonmuutos näkyy sähkökentän muutoksena, joka on havaittavissa päällystämällä se sopivin kapasitiivisesti kytkeytyvin elektrodein.
Hajasuureet		Kaikki johteet muodostavat kapasitansseja itsestään ympäristöön. Hajasuureet hallitsemalla on mahdollista tehdä rakenteita, joissa ei näytä olevan varsinaisia kondensaattoreita tai keloja...
DRAM- muistisolu		pieni kondensaattori + FET-transistori muodostaa dynaamisen (ja vuotavan) bittitaltion. Wikipedia: DRAM
(UV)EPROM- muistisolu		Sähköisesti kirjoitettava ja bittinsä kauan pitävä muisti, jossa hilaeristeeseen ajetaan varaus silloin, kun siellä halutaan olevan nollabitti. (Tyhjänä antaa ykköstä.) Purettavissa UV-valolla, mikä vaatii erikoisen ikkunallisen kotelon.
Flash-EEPROM- muistisolu		Sähköisesti kirjoitettava ja tyhjennettävä bittinsä kauan pitävä muisti, joka perustuu kelluvahilaiseen avalance-injektoituvaan MOS transistoriin. Wikipedia: Flash memory
Akut		Sähkökemiallisella reaktiolla (eikä pelkästään sisäiseen sähkökenttään) energiaa varastoivia rakenteita. Varauskapasiteetti ilmaistaan ampeeritunteina, eikä faradeina.

Sähköinen mallinnus

Reaalisen kondensaattorin täysimuotoinen mallinnuskytkentä on:

Reaalisen kondensaattorin sisäisistä rakenteista syntyy:

• C: Kondensaattorin kapasitanssi ideaalisena
• R_leak: Kondensaattorin eristeen/elektrolyytin yli oleva tasavirran vuotovirta
• R_ESR: Kondensaattorin johteiden resistiivisyys
• L_ESL: Kondensaattorin johteiden induktiivisuus (jopa suoralla johtimella on induktanssia)

Suurilla virroilla on tärkeää minimoida R_ESR, kun taas suurilla taajuuksilla on tärkeää minimoida L_ESL.

Taulukoita

Kiinteiden kondensaattorien valintamatriisia

Käyttö	Tyypit	Edut
AF/IF kytkentä	Paperi, polyesteri, polykarbonaatti	Korkea jännitekesto, halpoja
RF kytkentä	X7R keraami	Pieni, halpa, mutta häviöinen
	Polystyreeni	Erittäin pienet häviöt, pieni vuotovirta, mutta kookas, eikä siedä kuumaa
	C0G keraami hopeoitu kiille	Erittäin pienet toleranssit
	Pinottu kiille	Tehovahvistimet
RF dekoplaus	X7R tai Z5U keraamiset kiekot, tai läpiviennit	erittäin pieni induktanssi
Virityspiirit	Polystyreeni	Pienet toleranssit, pienet häviöt, negatiivinen lämpötilakerroin (-150ppm)
	Hopeoitu kiillelevy	Pienet toleranssit, pienet häviöt, positiivinen lämpötilakerroin (+50ppm)
	C0G keraami	Pienet toleranssit, pienet häviöt
	Luokan 1 keraamit	Erilaisia lämpötilakertoimia, enemmän häviöitä, kuin C0G:llä.

Keraamisten kondensaattorien materiaalitaulukoita: Luokka 1 - $\epsilon _{r}<500\,$

C0G, NP0, lämpötilakerroin ±30ppm/°C

N*** lämpötilakerroin: - *** ppm/°C

P*** lämpötilakerroin: + *** ppm/°C

Keraamisten kondensaattorien materiaalitaulukoita: Luokka 2 - $\epsilon _{r}>500\,$

EIA koodit
Käyttökelpoinen lämpötila-alue				Kapasitanssin muutosalue
alaraja		yläraja
kirjain	lämpötila	numero	lämpötila	kirjain	muutos
X	+10°C	2	+45°C	R	±15%
Y	-30°C	4	+65°C	S	±22%
X	-55°C	5	+85°C	T	+22 .. -55%
		6	+105°C	U	+22 .. -56%
		7	+125°C	V	+22 .. -82%
		8	+150°C

Keraamisten kondensaattorien materiaalitaulukoita: Luokka 2 - $\epsilon _{r}>500\,$

CECC 32100 koodeina
Koodi	Kapasitanssin muutos alueella		Lämpötila-alue (°C)
	Bias 0V	maksimi- jännitteellä	-55 +125	-55 +85	-40 +85	-25 +85	+10 +85
			Koodin viimeinen numero
			1	2	3	4	5
2B*	±10%	+10 .. -15 %		*	*	*
2C*	±20%	+20 .. -30%	*	*	*
2D*	+20 .. -30%	+20 .. -40%				*
2E*	+22 .. -56%	+22 .. -70%		*	*	*	*
2F*	+30 .. -80%	+30 .. -90%		*	*	*	*
2R*	±15%		*
2X*	±15%	+15 .. -25%	*

Katsottavaa

• http://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor
• http://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor_(component)
• http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolytic_capacitor
• http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_double_layer EDLC/Supercap