Kondensaatorid (3)

Tallinna Tööstushariduskeskus
Referaat
Kondensaatorid
Jevgeni Aidamirov
24MEH
Tallinn 2009
KONDENSAATORID
Otstarve, liigid, parameetrid
Kondensaator on mahtuvust tekitav element, millel on alati kaks elektroodi ehk plaati ja
nendevaheline isolatsioonikiht. Kondensaatori mahtuvus sõltub elektroodide pinnast,
nendevahelisest kaugusest ja isolatsiooni dielektrilisest läbitavusest. Kondensaatoreid
kasutatakse laengu salvestamiseks, ahelate alalisvooluliseks eraldamiseks ja sagedusest
sõltuva mahtuvustakistusliku elemendina.
Nii nagu takistid jagatakse ka kondensaatorid püsikondensaatoriteks, mille mahtuvus
ei ole muudetav ja muutkondensaatoriteks, mille mahtuvus on muudetav.
Kondensaatorite põhiparameetrid on nimimahtuvus, tolerants , nimipinge ja mahtuvuse
temperatuuritegur .
Nimimahtuvus on kondensaatori mahtuvus normaaltingimustel. Selle väärtused
vastavad sarnaselt takistitele normridadele E6, El2, või E24, mõnikord ka ridadele E48,
E96 või El92. (vt. tabel 1.1).
Tolerants ehk mahtuvushälve näitab, mitu protsenti võib kondensaatori mahtuvus olla
nimimahtuvusest suurem või väiksem. Tolerants on enamasti ±20; ±10 või ±5%. Ühe rea
nimiväärtusega kondensaatoreid võidakse toota mitme tolerantsiga. Kuni 10 pF
kondensaatorite tolerants antakse absoluutväärtustes ±0,1; 0,25; 0,5; 1 ja 2 pF.
Elektrolüütkondensaatorite tolerants võib olla -20 ... +100%.
Nimipinge on suurim alalispinge , millel kondensaator võib püsivalt töötada. Mõnedel
kondensaatoritüüpidel võidakse anda ka vahelduvpingeline nimipinge.
Mahtuvuse temperatuuritegur näitab mahtuvuse suhtelist muutust temperatuuri
muutumisel 1K võrra. See tegur võib reaalselt olla kas positiivne (temperatuuri tõustes
mahtuvus suureneb), negatiivne (temperatuuri tõustes mahtuvus väheneb) või null, sõltuvalt
kasutatava dielektriku materjalist.
Kondensaatorite parameetrite tähistussüsteemis võib olla eri valmistajatel erinevusi.
Eksimuste vältimiseks on otstarbekas kontrollida alati tähistussüsteemi tootevfirma
kataloogist. Suuremagabariidilistel kondensaatoritel kantakse põhiparameetrid
kondensaatorile. Näiteks 100UF/100V.
Kui ühiku märk puudub, on mahtuvuse ühikuks mikrofarad ja pinge ühikuks volt.
Näiteks 2,2/100=2,2uF/100V.
Väikesegabariidilistel kondensaatoritel ühiku puudumine annab mahtuvuse
pikofaradites. Kasutatakse ka lühendatud tähistust, näiteks u22=0,22uF või 2n2=2,2nF.
Kasutatakse samuti ka kolmenumbrilist tähistust, kus kaks esimest numbrit on
mahtuvus pikofaradites, kolmas number kordaja aste ja lisatav täht määrab tolerantsi
allpooltoodud süsteemi kohaselt:
F G J K M Q T Y S X
± ± ± ± ± +30 +50 +100 +50 +80
1,0 2,0 5 10 20 -10 -10 -10 -20 -20
Näiteks 473K=47*1000=47000 pF ±10%
Võidakse kasutada ka teist tähte, mis määrab pinge, toodud süsteemi kohaselt:
B D E F G H S J K L N
6,3 10 16 20 25 32 40 50 63 80 100
Väikestel kondensaatoritel kasutatakse ka värvikoodi, mis üldiselt sarnaneb takistitel
kasutatuga, kuid esineb ka erinevusi. Näiteks puudub tavaliselt triipudel vahe nii, et laiem
triip tähendab kaht või kolme samanumbrilist koodi. Kasutatakse ka koodi, kus esimese
triibu värv määrab mahtuvuse kaks kohta, kolmas kordaja ja neljas nimipinge.
Reeglina
alustatakse koodi lugemist sealtpoolt, kus puuduvad väljaviigud või kus kooditriip on
otsale lähemal. Põhjalikumalt on toodud koodid ja eri firmade tähistussüsteemid
käsiraamatus LI.
Kondensaatori aseskeem
Reaalsed kondensaatorid erinevad ideaalsest eelkõige neis esinevate kadude ja
niinimetatud "keritud"' konstruktsiooni puhul ka mingi väikese induktiivsuse poolest.
Nimetatud tegureid arvestades tuleks vaadelda kondensaatorit joonisel 2.1 toodud
aseskeemi kohaselt.
JOONIS 2.1
Vaadeldaval aseskeemil kajastab Rp isolatsioonitakistust, Rs plaatide materjali
takistust ja L kondensaatori induktiivsust ning C kondensaatori põhiparameetrit, s.o.
mahtuvust Kadude määramise lihtsustamiseks võetakse kõik kondensaatori kaod kokku ühte
järjestiktakistusse Rs ja väljendatakse nad nn. kaonurga tangensina:
tg δ = RS/XC = ω RSC
Toodud valemist selgub , et kaonurga tangens sõltub sagedusest. Reaalselt on see sõltuvus
aga veelgi keerulisem. sest ka kadusid arvestav takistus sõltub sagedusest. Joonisel 2.2
on toodud näitena enamlevinud kondensaatorite kaonurga tangensi
sagedussõltuvused.
JOON.2.2.
Kondensaatorite valikul tuleb aga kindlasti ühe või teise kondensaatoritüübi
sobivust käsutatavale sagedusele kontrollida tootevfirma kataloogi abil.
Püsikondensaatorid
Sõltuvalt kasutatavast isolatsioonimaterjalist liigitatakse püsikondensaatorid kile,
keraamika-ja elektrolüütkondensaatoriteks. Varem kasutati laialdaselt ka veel paber-ja
vilkkondensaatorid.
Kilekondensaatorite isolatsiooniks on mingi sünteetiline kile paksusega 2...20um ja
plaatideks alumiiniumfoolium või kile pinnale kantud metallikiht. Ehituslikult on
enamlevinud rullkondensaatorid, mille ehitus selgub jooniselt 2.3.
JOONIS 2.3.
Eri tüüpi kilekondensaatorite põhiandmed on võrdlevalt toodud tabelis 2.1
Tabel 2.1
Parameeter Polüester Polükarbonaat Polüstüreen
Mahtuvus 100pF...22nF 100pF...68uF 10pF...0,5u
Töösagedus ≤1 Mhz ≤1 Mhz ≤10 Mhz
Tolerants ±5...20% ±5...10% ±1...5%
Tööpinge 50...1600V 50...400V 50...500V
Töötemperatuur -55°C...+125°C -55°C...+125C -50°C...85°C
Temperatuuritegur +400...+200 ppm/°C 0...+100 ppm/°C -150...+50 ppm/°C
Tg δ 0,055...0,02 0,0015...0,005 0,0002...0,001
Dielektriline läbitavus ε 3,3 2,8 2,5
Peale nimetatute kasutatakse veel ka teisi materjale, nagu teflon jne. Kuna sageli samadel
materjalidel on eri firmadel nimetused erinevad, tuleb alati kondensaatorite valikul
hoolikalt kontrollida elektrilisi parameetreid kataloogidest.
Keraamikakondensaatorid saadakse kui keraamilise isoleeraine tableti või
torukese mõlemale pinnale kantakse metallikiht, mis on kondensaatori plaatideks.
Plaadid ühendatakse väljaviikudega ja kondensaator kaetakse kaitsekompaundiga.
Isoleeraineks on mitmesuguste metallide oksiidid ja nende segud. Sõltuvalt kasutatud
isoleermaterjalist ja selle omadustest jagatakse keraamikakondensaatorid kahte
põhi-liiki:
• esimest liiki kondensaatorite isolatsioon on väikese dielektrilise läbitavusega
(3.550), kuid väikeste kadudega kõrgetel sagedustel ja väikese mahtuvuse
temperatuuriteguriga;
• teist liiki kondensaatorite isolatsioon on eriti suure dielektrilise läbitavusega
kuni 20000 ja enam), mis võimaldab saada suuri mahtuvusi, kuid nende kaod on
suured ja mahtuvus on suuresti ja mittelineaarselt sõltuv temperatuurist.
Kahe põhiliigi keraamikakondensaatorite põhiandmed on võrdlevalt toodud tabelis 2.2.
Tabel 2.2
Parameeter 1.liik 2.liik
Mahtuvus 0,1pF...47nF 220pF...2,2uF
Töösagedus ≤1000 Mhz ≤100 Mhz
Tolerants 1...20% 5...20%
Tööpinge 10...100V 10...1000V
Töötemperatuur -55...+125 °C -55...+85 °C
Temperatuuritegur +100...-1500ppm/°C +100...-4700 ppm/°C
tg δ 0,001...0,0001 0,03...0,001
Elektrolüütkondensaatorites kasutatakse kondensaatori isolatsioonina
alumiiniumi või tantaali (mõnikord ka nioobiumi) pinnale elektrolüütiliselt tekitatavat
väga õhukest oksiidikihti. Tänu õhukesele isolatsioonile on elektrolüütkondensaatorid
suure mahtuvusega. Anoodiks on oksüdeeritud metall ja katoodiks elektrolüüt.
Kontakti saamiseks katoodiga kasutatakse kas kondensaatori kesta või on selleks teine
elektrood . Elektrolüüt võib olla kas vedel või kuiv. Joonisel 2.4 on toodud
alumiinium -elektrolüütkondensaatori ehitus. Kuna isolatsiooniks olev elektrolüüdikiht
saadakse elektrolüütiliselt, töötavad elektrolüütkondensaatorid ainult kindla
polaarsusega pingega, mida tuleb kasutamisel hoolikalt jälgida. On olemas ka
kahepolaarseid elektrolüütkondensaatoreid, millel on ka teine plaat (elektrood)
oksüdeeritud. Nende mahtuvused on aga väiksemad ja gabariidid suuremad
JOON.2.4
Tänu suurtele mahtuvustele kasutatakse alumiinium-elektrolüütkondensaatoreid
küllalt laialdaselt, kuid ehitusest tingituna saab seda teha ainult alalis- või pulseerival
pingel. Nende puuduseks on mahtuvuse suur temperatuurisõltuvus, mahtuvuse
kadumine seismisel (peale kuuekuulist seismist on soovitatav nad uuesti formeerida
tööpingest väiksemal pingel) ja mahtuvuse kadumine väikesel tööpingel.
Tantaal-elektrolüütkondensaatorid on nn. kuivad, kuna nad ei sisalda vedelat
elektrolüüti. Anoodiks on tantaali tükike, mille pind oksüdeeritakse elektrolüütiliselt.
Saadud oksiidikihi Ta2O dielektriline läbitavus on 25, mis võimaldab saada suuremaid
mahtuvusi väiksemate gabariitide juures. Katoodiks on tantaalitükikesele kantud
grafiidi ja hõbeda segu. Taolise kondensaatori ehitus on kujutatud joonisel 2.5
JOON.2.5.
Omadustelt on tantaal-elektrolüütkondensaatorid igati paremad kui
alumiinium-elektrolüütkondensaatorid, kuid nad on ka märksa kallimad.
Elektrolüütkondensaatorite parameetrid on toodud võrdlevalt tabelis 2.2.
Tabel 2.2
Parameeter Alumiinium Tantaal
Nimimahtuvus 1...100000uF 0,1...1000uF
Töösagedus ≤20 Khz ≤500 Khz
Tolerants ±20% ±20%
Tööpinge 3...600V ≤150 V
Töötemperatuur -40...+85°C -55...+85°C
Temperatuuritegur +2000ppm/°C +200ppm/°C
tg δ 1,0...0,1 0,1...0,01
Dielektriline läbitavus 8...10 25
Muutkondensaatorid
Muutkondensaatori mahtuvus on muudetav. Kasutuselt ja ehituselt on neid kahte
liiki: seade- ehk trimmerkondensaatorid, mida kasutatakse mingi seadme või sõlme
esmahäälestamisel ja häälestuskondensaatorid, mida kasutatakse võnkeringide
häälestamiseks seadme kasutamisel.
Seadekondensaator koosneb paigalseisvast ja pööratavast osast ehk staatorist ja
rootorist. Rootori pööramisel muutub osade omavaheline asend ja vastavalt ka
mahtuvus. Enamasti kasutatakse keraamilise dielektrikuga seadekondensaatoreid, mille
plaatideks on rootori ja staatori pinnale kantud hõbedakihid. On olemas ka Õhk- ja
plastdielektrikuga seadekondensaatoreid.. Seadekondensaatorite mahtuvuse muutus on
sõltuvalt tüübist 2...100 pF.
Häälestus- ehk pöördkondensaatorid on seadekondensaatoritega mõneti sarnase
ehitusega, kuna ka neis toimub mahtuvuse muutmine staatori ja rootori vahelise asendi
muutmisega. Paralleelselt Ühendatud rootori ja staatori plaatide komplekt moodustab
sektsiooni . Enamlevinud on kahesektsioonilised, kus kaks rootori sektsiooni paikneb
ühisel võllil. Isolatsiooniks on kas plastkile või õhk. Õhkdielektriku korral on küll
kondensaatori gabariidid suuremad, kuid nad on stabiilsemad ja nende kaod on
kõrgematel sagedustel väiksemad.
Kasutatud materjal.
http://www.tud.ttu.ee