Kondensaattori

Kondensaattori on virtapiirin osa, joka toteuttaa sähkövarauksen varastointia.

Yksinkertaisin kondensaattori on kaksi toisistaan hieman erossa olevaa suoraa sähköä johtavaa levyä, joiden väliin (tyhjöön tai muuhun eristeeseen) muodostuva sähkökenttä varastoi sähkövarausta.

"Rinnakkaisista levyistä" tehdyn kondensaattorin 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 dielektrinen permittiivisyys.

Kondensaattorin varauskykyä voi siis lisätä:

• Laittamalla lisää pinta-alaa kondensaattoriin - tai laittamalla useampia kondensaattoreita rinnakkain.
• Käyttämällä korkeamman $\epsilon _{r}\,$:n omaavaa materiaalia eristeenä
• 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

Erilaisia kondensaattoreita

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%	Laadukas toleranssiltaan ja lämmönkestoltaan. Kooltaan isompaa ja kaliimpaa. (Eristeaineen lämpötilariippuvuus on erittäin pientä.)
X7R	3.3 nF .. 330 nF, 10%	Kelvollinen epäkriittiseen käyttöön ja ajastuksiin. Herkkä mikrofonisuudelle (eristemateriaali on pietsosähköistä ainetta)
Z5U	10 nF .. 2.2 µF, 10%	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	pF .. nF	Erittäin stabiileja (ja harvinaisia), käytetty stabiileissa oskillaattoreissa
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
Piirilevykuviot	pF .. nF	Mikroaalloilla tarvittavat pienet kapasitanssit syntyvät helposti ja toistettavasti johteen ja maatason
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.
Tantaani	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 ylijännitettä, eikä väärinpäin olevaa tasajännitettä, vaan temperamenttisesti tahtovat räjähtää...
EDLC, Super- kondensaattorit	useita faradeja, max 2.55 V	Suuri kapasitanssi, pieni jännitekesto. Elektrodit huokoisia aktiivihiilipalasia.
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
Painemittaus- kennot
Ihminen
Pietsosähköinen kide
Hajasuureet
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.

----- TODO -----  kirjoita mitä on saatavilla mihin käyttöön

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.

Katsottavaa

• http://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor
• http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolytic_capacitor
• http://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_double_layer EDLC/Supercap