Kondensaatorid - tüübid, omadused, materjalid
Kondensaator salvestab alalisvoolu elektrilaengu. Kondensaator juhib vahelduvoolu, kuid blokeerib alalisvoolu. Oma ehituselt koosneb kondensaator kahest elektrit juhtivast paralleelselt asetsevast plaadist, mis on teineteisest eraldatud dielektrilisest materjalist isolaatoriga. Kondensaatori ehitust sümboliseerib ka tema skeemi tingmärk. IDEAALNE kondensaator peaks vastama järgmistele tingimustele:
- blokeerib täielikult alalisvoolu läbivoolu (lõpmatu takistus)
- juhib ideaalselt vahelduvvoolu signaali (null takistus)
- on lõpmatu pingetaluvusega (siinkohal siis jutt elektrilisest pingest, mida mõõdetakse voltides :))
- puudub induktiivsus
- on null temperatuuri koefitsendiga (temperatuurist sõltumatu)
Dielektriline vastupidavus, pingetaluvus (Dielectri Strenght): Kondensaatori dielektrilise isolaatori võime taluda pinget, mille juures ei teki läbilööki (kaarlahendus) kondensaatori elektroodide vahel. Mida suurem dielektriline vastupidavus, seda kõrgema pingega ahelates võib kondensaatorit kasutada.
Dielektrilise materjali võime laengut salvestada (Dielectric Absorption): Tekib selline nähtus, kus osa kondensaatorisse salvestatud laengust ei välju sealt koheselt vaid eraldub aeglaselt mõne aja jooksul. Mõnedel dielektrilistel materjalidel on käsna efekt. Kui pigistate vette kastetud käsna täiesti kuivaks, jääb see mõneks ajaks ikka niiskeks. Selline omadus ei ole soovitud tulemus ning see peaks olema nii väike kui võimalik.
Kondensaatori jadatakistus (ESR - Equivalent Series Resistance) - Kõikidel kondensaatoritel on mõningane takistus. Seda tänu kondensaatori ühendusjalgadele, kasutatud materjalidele jne. Mida madalam ESR, seda parem.
Oma induktiivsus (Self series inductance) - Kõikidel kondensaatoritel on tänu nende ehitusele mõningane induktiivsus. Kondensaatori minimaalne võimalik induktiivsus võrdub sama pika sirge juhtme induktiivsusega. Sageli on see väärtus aga kordades kõrgem. Kui induktiivsus on jadamisi kondensaatoriga tekkib võnkering, mis hakkab resoneeruma ehk "helisema" teatud sagedusel. Kondensaatori induktiivsus ei ole soovitud parameeter ning see peaks olema nii madal kui võimalik. Kõige madalama induktiivsusega on tavaliselt pindmise montaaziga (SMD) keraamilised või tantaal kondensaatorid.
Temperatuuri koefitsent (Temperature Coeficent): Iga kondensaatori mahtuvus muutub sõltuvalt tema temperatuurist. Mõnedel kondensaatoritel on see muutus väike, mõnedel aga üsnagi märkimisväärne. Temperatuuri ja mahtuvuse muutuse suhe ei ole alati lineaarne.
Polaarsus (Polarity): Kondensaatoreid, mida saab ohutult kasutada ainult kindla alalisvoolu polarsusega, kutsutakse polaarseteks (polar) kondensaatoriteks. Kondensaatorid, mis on suutelised töötama mistahes polaarsusega, kutsutakse mittepolaarseteks kondensaatoriteks (non-polar). Mõningatel juhtudel kombineeritakse polaarsed kondensaatorid nii, et sellel tekib piiratud võime toimida muutuva polaarsusega ahelates. Selliseid kondensaatoreit nimetatakse bipolaarseteks (bipolar).
Pulsatsioonivool (Ripple Current): Kui suurt vahelduvvoolu ja kui pika aja jooksul kondensaator talub. Mitte kõik kondensaatorid pole mõeldud taluma vaheldusvoolu. See parameeter lisatakse kondensaatoritele, mis on mõeldud tööks vahelduvvoolu (AC) ahelates (impulsstoiteplokid, mootorite juhtplokid sagedusmuundurid jne).
DIELEKTRILISED MATERJALID (isolaatorid): Enamasti eristatakse kondensaatoreid nende dielektrilise materjali järgi.
Õhk - Kõige algupärasem isolaatormaterjal (kui õhu kohta üldse kõlbab materjal öelda). Vanemates raadioaparaatides kohtab sageli pöördkondensaatoreid, mis koosnevad ritta laotud metall plaatidest ning nendevaheliseks isolaatoriks on õhk. Õhk on väga hea isolaator ning tema omadused muutuvad vähesel määral õhuniiskusest ja õhus lendlevatest osakestest. Õhkisolaatoriga kondensaatorid jäävad oma mahtuvuselt reeglina alla paarisada pF'i. Suurema mahtuvusega kondensaatorid on ebapraktilised tänu nende gabariitidele.
Õhkkondensaatorid on alati mittepolaarsed.
Monoliit keraamika - Keraamika on hea isolaator ja seda kasutatakse kondensaatoritel mahtuvuse vahemikus madalatest pikofaraditest kuni ühe mikrofaradini. Väiksemad nominaalid on reeglina monoliitsed ja kasutavad ühete keraamilist isolaatorit (reeglina ketta kujuline), mis on mõlemalt poolelt kaetud metalli kihiga, mille külge on omakorda kinnitatud juhtmed (kondensaatori jalad). Keraamilisi kondensaatoreid eristatakse ka temperatuuri koefitsendi järgi.
COG või NPO (Negative Positive-Zero) kondensaatorid on kõige stabiilsemad temperatuuri mõjutustele (madal temperatuuri koefitsent) aga tavaliselt on need saadaval ainult pikofaradilise mahtuvuse piirkonnas. Nende gabariidid on suhteliselt suured oma mahtuvuse kohta.
X7R kondensaatoritel on kõrgem temperatuuri koefitsent aga neid on saadaval laiemas mahtuvuse ulatuses. Oma gabariitidelt on need väiksemad, kui NPO kondensaatorid. Nende temperatuuri koefitsent ei ole lineaarne, sestap on seda ka keeruline kompenseerida aga reeglina jääb nominaali muutus ± mõne protsendi piiresse (0...100°).
Z5U kondensaatorid on saadaval kõige kompaktsemas korpuses ning kõige laiemas nominaali vahemikus. Nende temperatuuri koefitsent on kohutav. Nominal võib kukkuda kuni 50% -20° või +100°C juures (norm temp +25°C). Soovituslik kasutada ainult vähe kriitilistes ahelates.
Keraamiline pakett kondensaator: Kondensaator, milles on mitu paralleelselt ühendatud monoliit kondensaatorit pakitud ühte korpusesse. Neid on saadaval suuremate nominaalidega, kui monoliitseid ketaskondensaatoreid. Selliste kondensaatorite omadused (temperatuuri koefitsent, pingetaluvus) varieeruvad suuresti kasutatavast isolaatormaterjalist.
Keraamika (üldiselt): Väiksematel nominaalidel ning suurema pingetaluvuse korral on raske leida midagi paremat, kui keraamiline kondensaator. Need on tavaliselt madala induktiivsusega ja ka ESR pole teemaks. Samuti on need väikse dielektrilise imamisvõimega (dielectrical absorbtion) aga jälgi alati nende temperatuuri koefitsienti. Mõned keraamilised materjalid võivad omada mõningat piesoelektrilist võimekust ning need on tundlikud vibratsioonile ja löökidele.
Keraamilised kondensaatorid on enamasti mittepolaarsed.
Mica: Selle nimelisest mineraalist valmistatud isolaator on väga hea ja stabiilne nii temperatuuri muutustel kui ka eluiga arvestades. Mica kondensaatoreid peetakse oma omadustelt paremateks kui NPO seeria keraamilisi kondensaatoreid. Mica kondensaatorid on reeglina saadaval kuni 1000pF nominalidega. Enamasti kasutatakse neid RF (raadio sageduse) ahelates.
Tantaal:
Tantaal kondensaatorieid toodetakse mahtuvuse vahemikus 1nF kuni 72mF. Tantaal kondensaatorid on oma gabariitidelt tunduvalt kompaktsemad, kui sama nominaaliga alumiinium elektrolüüt kondensaatorid. Nende pingepiirkond algab 2V juurest ja ulatub kuni 500V ja üle selle.
Tantaal kondensaatori ESR on kümme korda madalam, kui sarnane alumiinium kondensaatort. See tagab oluliselt väiksema soojuseralduse suurte voolude juures.
Tantaal kondensaatorid on väga stabiilsed ja nende mahtuvus ajaga oluliselt ei muutu. Seda eriti võrreldes alumiinium elektrolüüt kondensaatoritega.
Tantaal kondensaatorid on väga töökindlad ja nende eluiga on praktiliselt lõpmatu, kui neid õieti kasutada ja neile mitte liiga teha.
NB! Tantaal elektrolüüt kondensaatorid on erakordselt polaarsuse tundlikud. Kui alumiinium elektrolüüt kondensaator suudab lühiajaliselt taluda vale polaarsust ning on peale seda jätkuvalt töökõlbulik, siis tantaal kondensaatorile pingestamisel vale polaarsusega dielektriline kiht rikneb ning pahatihti läheb selletõttu kondensaator lühisesse, mis põhjustab ülekuumenemise ja kondensaatori purunemise.
Tasub ka meeles pidada, et erinevalt alumiinium elektrolüütidest on tantaal kondensaatoritel tähistatud just positiivne (+) klemm.
Tantaal kondensaatori riknemine võib olla küllaltki ohtlik. Pinge piigid võivad põhjustada tantaalist anoodi ja magneesium dioksiidist katoodi omavahelise kontakti. Kui pinge piigi energia on piisav, võib see käivitada keemilise reaktsiooni, mille tagajärjel eraldub tugevalt soojust ning halvemal juhul tuleb ka tossu ja viskab leegi välja. Selliste juhtumite vältimiseks tasub mõelda voolu piirava ahela ja termokaitse lisamisele.
Enamasti kasutatakse neid madalamas pingepiirkonnas ja väiksema mahtuvusega, kuna suurema mahtuvuse ja pinge piirkonnaga tantaal kondensaatorid on juba üsna kallid. Madala induktiivsuse ja ESR'i tõttu on nad ideaalsed kasutamiseks toiteahelate silumisel. Kindlasti tuleks vältida nende kasutamist bipolaarsetes ahelates (audio sidestusahelad).
Elektrolüüt: ...
Polaarne elektrolüüt: ...
Bi-polaarne elektrolüüt: ...
Kilekondensaatorid (Film Capacitors): Kilekondensaatorid on kõige enam valesti mõistetud osa kondensaatoritest. Nad on saanud oma nime isolaatoriks kasutatud materjali järgi. Neid toodetkse kahe erineva konstruktsiooniga: kile ja foolium või metalliseeritud kile. Kilekondensaatorid on saadaval mahtuvuse vahemikus 500pF... x uF ja pingepirkonnaga 10VDC kuni mitme kilovoldini (DC). Erijuhtudeks on saadaval ka mitmetuhande uF mahtuvusega kilekondensaatorid aga nende gabariidid ja hind on väga suured. Enamus kilekondensaatoreid on hea või väga hea temperatuuri stabiilsusega ja madala dielektrilise imavusega. Reeglina on kilekondensaatorid mittepolaarsed ja väga hea AC taluvusega. Omainduktiivsus sõltub konkreetse kondensaatori ehitusest ja võib olla kas madal või väga kõrge.
Polüester kile (Mylar): Polüester on soodsa hinnaga ja kõige levinum isolatsioonimaterjal kondensaatorites. Need kondekad on tuntud ka 'Mylar' kondensaatoritena, mis on tegelikuses kaubamärk. Polüester kondensaatorid on valdavalt saadaval pingevahemikus 50VDC .... 200VDC, kuid leidub ka 1000VDC pingepiirkonnaga isendeid. Tänu materjali ebastabiilsusele ei ole soovitav selliseid kondensaatoreid kasutada ahelates, mis eeldavad komponentidelt stabiilsust (ajastus ahelad, võnkeringid jms). Polüester kondensaatori temperatuurigraafik ei ole lineaarne. See meenutab pigem külili keeartud S tähte (pildil PET, sinine). Polüester kondekaid võib kasutada audio sidestus ahelates, filtrites (tämbri kontroll) ja n.ö üldiseks otstarbeks :).
Polüstüreen kile (Polystyrene film, PS): Polüstüreen on kile kondensaatorite püha graal. Need on kõige paremate elektriliste karakteristikutega ja hästi temperatuuristabiilsed (erimudelid 30-40ppm, standard 120ppm) ja lisaks on temperatuurist tingitud muutus lineaarne üle kogu temperatuuri vahemiku (erinevalt polüester kondekatest). Dielektriline imavus kõigest 0.02%, mis on madalaim kondensaatorite seas. Sestap on need väga head kasutamiseks kriitilistes ahelates, mis vajavad stabiilseid komponente (ajastus ahelad, võnkeringid jne). Kahjuks on nendel kondekatel ka negatiine pool. Need ei kannata tempeartuuri rohkem, kui ainult 85°C (max). Nii, et olge jootekolviga ettevaatlikud. Teise halva uudisena on need juba tootmisest maas (üks tehas veel toodab... või tootis) aga siin-seal on laovaruna siiski veel saadaval. Hea alternatiiv polüstüreen kondensaatorite asenduseks on polükarbonaat kondensaator, mis oma omadustelt on juba küllaltki lähedal.
Polüpropüleen kile (Polypropylene film): ...
Polükarbonaat kile (Polycarbonate film, PC): Polükarbonaat kondensaatorid on järgmine hea valik polüstoreen kondensaatorite asendamiseks, kuigi temperatuuri koefitsent ja -stabiilsus ei ole nii head, kui polüstoreenil. Polükarbonaat on piiratud temperatuurivahemikul (+25...85°C) lineaarsete omadustega. Väljspool seda on ta ebalineaarne (sarnaselt polüester kondensaatoritele). Polükarbonaat kondensaatorid peavad vastu palju kõrgematele temperatuuridele (125°C), kui polüstoreen kondensaatorid. Neid valmistatakse metalliseeritud kile konstruktsiooniga ja pingepiirkond ulatub mitme kilovoldini. Nad on ideaalsed kasutamiseks kriitilistes sidestuse ja ajastuse ahelates. Samuti võib neid kasutada polüstüreen- kondensaatorite asemel jäädes neile oma omadustelt vaid pisut alla. Polükarbonaatkondensaatorid on vähesel määral tundlikud niiskusele ning nende dielektriline imavus on ~0.08%. Oma gabariitidelt on nad ca 12% suuremad, kui polüester (Mylar) kondensaatorid.
Polüsulfoon kile (Polysulfone film): ...
Tõlgitud Harry Bissell'i artiklist "Capacitors: A Field Guide to Types and Habitats"