Detaljerade grunder om kondensatorer

1.Definition

En kondensator är en elektrisk komponent som används för att lagra och frigöra energi i ett elektriskt fält. När en spänning appliceras över dess terminaler upprättas ett elektriskt fält mellan ledarna (plattorna), vilket gör att kondensatorn kan lagra energi.

 

Kapacitansenheten är farad (F). I praktiska tillämpningar är mindre enheter som mikrofarader (μF), nanofarader (nF) och picofarader (pF) vanligare.

 

2.Arbetsprincip

En kondensator består av två ledande plattor åtskilda av ett isolerande material som kallas dielektrikum. När en likspänning appliceras över plattorna, ackumuleras elektroner på en platta, vilket ger den en negativ laddning, medan lika många elektroner avlägsnas från den motsatta plattan, vilket gör den positivt laddad.

 

Denna separation av laddning skapar ett elektriskt fält inom dielektrikumet. Kondensatorn lagrar energi i detta elektriska fält och behåller laddningen så länge som spänningen påläggs och ingen urladdningsväg tillhandahålls. När en ledande bana införs frigörs den lagrade energin när ström flyter genom den externa kretsen.

 

3. Kapacitans

Kapacitansen C för en kondensator beror på följande faktorer:

 

PlattområdetA:En större plattarea resulterar i högre kapacitans.

 

Plattavståndd:Ett mindre avstånd mellan plattorna ökar kapacitansen.

 

Permittivitetε:Typen av dielektriskt material påverkar kapacitansen; material med högre permittivitet ger högre kapacitans.

 

Relationen ges av:

 

 

där:

• Ε är permittiviteten för det dielektriska materialet

 

• A är plattornas effektiva yta

 

• d är avståndet mellan plattorna

 

4. Kapacitansenhet

 

Kapacitansenheten är farad (F). Eftersom farad är en mycket stor enhet är de flesta praktiska kondensatorer klassade i mindre enheter som picofarads (pF), nanofarads (nF) och mikrofarads (μF).

Kapacitans anger hur mycket elektrisk laddning en kondensator kan lagra per spänningsenhet. Det definieras av förhållandet:

där:

 

• Q är den lagrade laddningen,

 

• C är kapacitansen, och

 

• V är den pålagda spänningen.

 

En högre kapacitans innebär alltså att mer laddning kan lagras vid samma spänning.

 

Det är viktigt att notera att kapacitans inte representerar en absolut laddningskapacitet i sig själv; snarare beskriver den förhållandet mellan laddning och spänning. För en given kapacitans motsvarar en fast mängd laddning en proportionell förändring i spänningen.

 

Spänningsmärket för en kondensator hänvisar till den maximala spänning som den säkert kan motstå utan att skadas. Mängden lagrad laddning ökar med både kapacitans och pålagd spänning.

 

I allmänhet tenderar större kondensatorer (med högre kapacitansvärden) att ha större fysiska storlekar och högre kostnader.

 

5. Klassificering av kondensatorer

Polariserade kondensatorer

Polariserade kondensatorer har tydligt definierade positiva och negativa terminaler. De måste anslutas med rätt polaritet; annars kan omvänd anslutning orsaka överhettning, läckage eller till och med bristning och explosion.

 

Vätskeelektrolytiska kondensatorer

Flytande elektrolytiska kondensatorer är en typ av polariserad kondensator. De erbjuder relativt hög kapacitans och kan hantera högre spänningsnivåer, men de är vanligtvis större i storlek, har begränsad hög-frekvent prestanda och en måttlig livslängd.

 

Dessa kondensatorer används ofta i strömförsörjningskretsar för filtrering och spänningsutjämning.

 

Ett vanligt exempel är elektrolytkondensatorn i aluminium. Den installeras ofta nära strömförsörjning för att ge energilagring och stabilisera spänningen.

 

Fast-elektrolytiska kondensatorer

 

Tantalkondensatorer är en typ av elektrolytisk kondensator som använder tantalmetall som anod och en fast elektrolyt. De tillhör kategorin fasta-elektrolytiska kondensatorer.

 

De erbjuder hög kapacitans per volymenhet (liten storlek), bra stabilitet, låg läckström och pålitlig prestanda över ett brett temperaturområde.

Men de har vanligtvis lägre spänningsklasser jämfört med vissa andra kondensatortyper och är känsliga för överspänning och omvänd polaritet.

 

Tantalkondensatorer är polariserade och måste anslutas med korrekt polaritet. De används ofta i kompakta-lågspänningsenheter för strömförsörjningsfiltrering, frånkoppling och ljudtillämpningar.

 

Till exempel används tantalkondensatorer flitigt i mobiltelefoner och är också vanligt förekommande i datorer.

 

Icke-polariserade kondensatorer

 

Keramiska kondensatorer

Keramiska kondensatorer (även kända som keramiska skivkondensatorer) är icke-polariserade komponenter, vilket innebär att de inte har några positiva eller negativa terminaler och kan anslutas i båda riktningarna.

 

De kännetecknas av små kapacitansvärden, höga spänningsvärden, kompakt storlek och utmärkt högfrekvent prestanda. På grund av dessa egenskaper används keramiska kondensatorer i stor utsträckning i applikationer som frånkoppling, filtrering och signalkoppling i elektroniska kretsar.

 

6. Dimensioner Tolerans

 

Kondensatorer har generellt relativt breda toleranser jämfört med andra elektroniska komponenter.

 

För keramiska kondensatorer inkluderar vanliga toleransgrader:

 

±5% (J)– snävare tolerans

 

±10% (K)– vanligt förekommande

 

±20% (M)– flitigt använt

 

+80% / −20% (Z)– mycket lös tolerans

 

I praktiken:

 

pF-nivåkondensatoreranvänder ofta ±5 % tolerans

 

nF-nivåkondensatorerAnvänd vanligtvis ±10 % tolerans

 

μF-nivåkondensatoreranvänder vanligtvis ±20 % tolerans

 

Elektrolytiska kondensatorerär vanligtvis klassade till ±20 % eller mer

 

Hög-precisionskondensatorer används mindre ofta eftersom många kondensatorapplikationer-som strömförsörjningsfiltrering och spänningsutjämning-inte kräver mycket exakta kapacitansvärden. Små avvikelser har vanligtvis minimal inverkan på kretsens prestanda.

 

I applikationer som RF-matchning och filternätverk kan det dock krävas snävare toleranser (t.ex. ±5%) för att säkerställa stabila frekvensegenskaper. Även i dessa fall är extremt hög precision ofta onödig, eftersom standardtoleranser är tillräckliga för att upprätthålla korrekt drift.

 

7.Kondensatormått

 

För keramiska och tantalkondensatorer följer förpackningsstorleken samma standard som används för resistorer. Mindre ytmonterade komponenter- använder imperialistiska koder som 0201, 0402, 0603 och 0805, medan större paket också kan uttryckas i metriska koder som 2520, 3525, etc.

 

För cylindriska elektrolytkondensatorer anges dimensionerna vanligtvis som diameter × höjd (t.ex. 6 mm × 11 mm).

 

I hårdvarudesign rekommenderas det generellt att reservera ett lite större fotavtryck för kondensatorer när det är möjligt. Till exempel, om ett 6 × 11 mm fotavtryck tilldelas, kan den maximala typiska specifikationen vara runt 100 μF, 25 V. Även om det är lätt att ersätta en mindre kondensator för kostnadsreduktion, är det vanligtvis inte möjligt att uppgradera till en betydligt högre kapacitans inom samma storlek. Till exempel kan en 470 μF, 25 V kondensator vanligtvis inte tillverkas i en 6 × 11 mm förpackning.

 

Samma hänsyn gäller för keramiska kondensatorer. Till exempel, med ett 0805-paket är den maximala allmänt tillgängliga specifikationen runt 22 μF, 6,3 V. Kondensatorer med högre kapacitans eller högre spänningsklasser är svåra att få i denna förpackningsstorlek.