Kondensaator – elektrooniline seade, mis salvestab elektrienergiat ja kasutusalad

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.

Kaasaegsed kondensaatorid, cm joonlauaga

Kondensaatori sümbol

Plastikust kondensaatorid

Kondensaatorid kui kast

Superkondensaator

Superkondensaatorid hoiavad suuremat laengut kui tavalised kondensaatorid. Neid kasutatakse elektrienergia salvestamiseks mootorite ja muudel eesmärkidel, kui akud ei tühjene piisavalt kiiresti.

Polüstüreenkilekondensaatorid

Seda tüüpi kondensaatorit ei kasutata kõrgsagedusahelates, kuna see on valmistatud mähisega. Nad võivad laetud ja tühjeneda isegi kiiremini kui teised kondensaatorid. Neid kasutatakse filtri- või ajastusahelates, mis töötavad mitusada KHz või vähem.

Elektrolüütkondensaatorid

Elektrolüütkondensaatorid kasutavad vedelas elektrolüüdis olevat elektrit juhtivat pinda. Nad ei lae ja tühjene nii kiiresti kui kilekondensaatorid. Neil on polaarsus ja seega tuleb need õigesti kinnitada. Juhtmeid on kaks; ühel on + ja teisel -. See tähendab, et üks juhtmetest on positiivne ja teine negatiivne. On olemas kaks erinevat stiili: aksiaalne, kus juhtmed on ühendatud mõlemasse otsa, ja radiaalne, kus juhtmed on ühendatud ühte otsa. Elektrolüütkondensaatoritele on trükitud mahtuvus ja nimipinge.

Kuna nimipinge võib olla madal, on oluline kontrollida, et elektrolüütkondensaator ei oleks üle laetud. Kondensaatoreid võib akust eraldada ja seejärel ühendada järjestikku. Kuna kondensaator on polariseeritud, tuleb positiivne klemm ühendada negatiivse klemmiga. See loob õige polaarsuse läbi vooluahela ja hoiab ära rikked.

Mõned elektrolüütkondensaatorid on polariseerimata, mis tähendab, et mõlemad pooled võivad olla positiivsed või negatiivsed. Neid kasutatakse enamasti kõlarites, et blokeerida madalsageduslike signaalide (bass) jõudmist kõrgsageduslike (tweeter) draiveriteni.

Küsimused ja vastused

K: Mis on kondensaator?

V: Kondensaator on elektrooniline seade, mis salvestab elektrienergiat. See sarnaneb akuga, kuid võib olla väiksem ja kergem ning laeb või tühjeneb palju kiiremini.

K: Mis oli üks esimesi leiutatud kondensaatoreid?

V: Leydeni purgi oli üks esimesi leiutatud kondensaatoreid.

K: Kuidas salvestavad kondensaatorid energiat?

V: Kondensaatorid salvestavad energiat elektrivälja sees, mis on loodud kahe üksteise peal ja üksteise lähedal asuva, kuid tegelikult mitte kokku puutuva metallplaadi abil. Mõnikord kasutatakse eriotstarbelistel eesmärkidel ka muud liiki kondensaatoreid. Kondensaatorilaadne efekt võib tekkida ka lihtsalt sellest, et kaks juhet on teineteisele lähedal, olenemata sellest, kas seda tahetakse või mitte.

K: Millist tüüpi kondensaatorit tuleks kasutada sõltuvalt rakendusest?

V: Kasutatava kondensaatori tüüp sõltub rakendusest. Kondensaatoreid on paljudes suurustes ja mõned neist on reguleeritavad.

K: Mitu ühendust on kondensaatoril?

V: Kõigil kondensaatoritel on kaks ühendust ehk juhtmeid.

K: Kas enamikku kondensaatorite liike on lihtne vahetada?

V: Enamikku kondensaatorite liike saab hõlpsasti asendada keegi, kellel on põhilised elektroonikaoskused. Kuid ühte võimsamat tüüpi - elektrolüütkondensaatorit - tuleb kasutada õigesti, sest vastasel juhul võivad need plahvatada vägivaldselt.

K: Mille poolest erineb kondensaator patareist?

V: Kondensaator laeb või tühjeneb palju kiiremini kui patareid ja nad võivad kogu oma salvestatud energia väga kiiresti, isegi kiiremini kui sekundis, vabastada, samas kui patareidel kulub salvestatud energia tühjendamiseks pikem aeg.