Kondensaator on elektrooniline seade, mis salvestab elektrienergiat elektrivälja kujul. See sarnaneb akuga, kuid on tavaliselt väiksem ja kergem ning võib laadida ja tühjeneda palju kiiremini. Kondensaatorite mõiste ja kasutus ulatuvad kaugele: üks esimesi teadaolevaid kondensaatorivorme oli Leydeni purk. Kondensaatorid valmistatakse eri materjalidest ja eri kätketehnoloogiatest, et vastata erinevatele vajadustele elektroonikas ja võimsussüsteemides.

Põhimõte ja mõõtühikud

Kondensaator koosneb tavaliselt kahest juhtivast plaadist, mis paiknevad üksteise lähedal, kuid ei puutu omavahel kokku. Kui plaadid ühendatakse sellele sobiva pingeallikaga, tekib plaatide vahel elektriväli ja plaadid koguvad vastasmärgist laengut. Laengu (Q), pinge (V) ja kapatsitansi (C) vahel kehtib seos Q = C · V. Kapatsitansi ühik on farad (F), mis on nimetatud teadlase Michael Faraday järgi. Tüüpiliselt on kapatsitansid palju väiksemad (mikrofaradid, nanofaradid, pikofaradid).

Kapatsitans sõltub peamiselt plaatide pindalast (A), nendevahelisest kaugusest (d) ja kasutatud dielektriku permittiivsusest (ε): C = ε · A / d. Dielektrik on isolatsioonikiht plaatide vahel, mida valitakse sõltuvalt soovitud omadustest (stabiilsus, läbilöögipinge, dielektrikaalne konstant, lekkekiir).

Tüübid ja konstruktsioon

Kondensaatorite ehitus ja materjal mõjutavad nende omadusi. Levinumad tüübid:

  • Keraamilised kondensaatorid – väikesed, stabiilsed ja odavad, sageli kasutusel kõrgsageduslikes rakendustes.
  • Elektrolüütilised kondensaatorid – pakuvad suurt kapatsitanssi väikses mahus; sagedasti alumiinium- või tantalumpõhised. Need on polarisatsiooniga (miinus ja pluss), neid tuleb ühendada õigesti, vastasel juhul võivad need rikke korral plahvatada või lekkida.
  • Filmi- või kilekondensaatorid – head stabiilsuse ja madala lekkega rakendused, sobivad ka võimsusele ja helitehnikale.
  • Mikakondensaatorid – väga täpsed ja stabiilsed, kasutusel kõrgfreq ja helitehnikas.
  • Superkondensaatorid (ultrakondensaatorid) – salvestavad oluliselt rohkem energiat kui tavalised kondensaatorid, neid kasutatakse ajutiseks energiavaruks (nt mälude säilitamine, regeneratiivne pidurdamine). Need ei asenda akusid suure energiatiheduse rakendustes, kuid taluvad suure arvu laadimis-tühjendustsükleid.

Kuna plaatidel peab olema suur pindala, et saavutada märkimisväärne kapatsitans, rullitakse plaadid tihti kokku või pakitakse mujale ruumieffektsemalt (näiteks silindriks). Kondensaatori-laadne efekt võib tekkida ka lihtsalt sellest, et kaks juhet on teineteise lähedal, mis mõnikord on soovimatu (ristmõju) ja mõnikord kasutatav (näiteks kaabelkondensaator).

Kasutusalad

Kondensaatoritel on palju erinevaid rakendusi elektroonikas ja elektrienergias:

  • Toiteplokkides kasutatakse neid võnkesageduse filtreerimiseks ja pingestabiliseerimiseks (smoothing) ning stabiliseerimiskondensaatoritena (decoupling), et vähendada mürataset.
  • Ajastus- ja oscilatsiooniringides aitavad kondensaatorid luua aega- ja sageduskonstandid (nt RC- ja LC-ringid, raadiosagedustel häälestamine).
  • Signaaliülekande (coupling) ja DC-blokeerimise puhul kasutatakse neid, et edastada vahelduvkomponenti, samal ajal eraldades alaldi komponendi.
  • Mõned seadmed, näiteks defibrillaator või fotovälkkondensaator, laadivad kondensaatori aeglaselt ja tühjendavad selle väga kiiresti, et anda tugev lühiajaline energiatsükk.
  • Võimsussüsteemides kasutatakse suuri kondensaatorpankasid reaktsioonivõimsuse korrigeerimiseks (power-factor correction) ja mootori käivitamiseks mõeldud käivituskondensaatoritena.
  • EMI/EMC-šokide summutamiseks ja signaali puhastamiseks kasutatakse filtrikondensaatorina ning erinevad andurid ja puutetundlikud seadmed võivad kondensaatori omadusi rakendada mõõtmisena.

Praktilised omadused ja ohutus

Kõigil kondensaatoritel on kaks ühenduspunkti (klemmid). Paljusid tüüpe on lihtne välja vahetada, kui on olemas põhilised elektroonikaoskused. Kuid tuleb arvestada järgmiste omadustega:

  • Polarisatsioon: elektrolüütilised kondensaatorid on takistusega polaarsed — neid peab ühendama õige polaarsusega. Vale ühendus võib põhjustada rikke või plahvatuse.
  • Pingetaluvus: iga kondensaator on märgistatud maksimaalse tööpingega; selle ületamine võib põhjustada läbipõlemist.
  • Lekkekiirus ja isoleeriv takistus: kondensaator pole ideaalne — mõnedel tüüpidel on pidev lekkumine läbi dielektriku.
  • ESR ja ESL: ekvivalentne sarvtakistus (ESR) ja sarvinduktiivsus (ESL) mõjutavad, kuidas kondensaator käitub kõrgetel sagedustel ja suurtel koormustel.
  • Energia ja ohutus: kondensaatorid võivad salvestada märkimisväärse energia. Enne seadme töö tegemist tuleb kondensaatorid ohutult tühjendada; suure energia korral kasutatakse spetsiaalset takistit. Elektrolüütkondensaatorite valimisel jälgige ka töötemperatuuri ja lainelise voolu (ripple current) piire.

Mõõtmine ja hooldus

Kondensaatorit saab testida mitmel moel: lihtsamad multimeetrid mõõdavad tihti ainult pidevat takistust või olemasolevat laengut, samas kui kapatsitansimõõturid (LCR-meeter) annavad täpse väärtuse. Suure voolu ja suure kapatsitansiga kondensaatorite puhul on kasulik kontrollida ka ESR-i. Rikke nähud on paisumine, lekkevool, läbipõlemine või silmnähtav kahjustus.

Kondensaatorite nimetus ja suurus võivad väga erineda: nad võivad olla nii väikesed kui sipelgas või suured kui tolmukast. Mõned kondensaatorid on reguleeritavad (muudetava kapatsitansiga, näiteks häälestuskondensaatorid raadioaparaatides).

Kokkuvõtlikult: kondensaatorid on elektroonikas äärmiselt mitmekülgsed komponendid — alates väikestest signaalikondensaatoritest kuni suure energiatihedusega superkondensaatoriteni. Õige tüübi valik, voltide ja polaarsuse järgimine ning korrektsed konstruktsiooniomadused kindlustavad seadmete töökindluse ja ohutuse.