Kondensator (elektrisk)

Definisjon

En kondensator er en elektrisk komponent som er fremstilt for å oppvise en elektrisk kapasitans.
Kapasitans er en fysisk egenskap som gjør at elektrisk energi kan lagres i rommet mellom to elektriske ledere. Rommet mellom lederne sies da å oppvise et elektrisk felt. Feltet settes opp av en elektrisk spenning som ligger mellom lederne, og feltet inneholder energien. Feltet fører til at lederne tiltrekkes av hverandre med en kraft gitt av spenningen og geometrien.

Enhver kapasitans karakteriseres av mengden ladning som må til for å tilføre en gitt spenning mellom lederne. Denne karakteriserende størrelsen kalles kapasitet. Kapasiteten C måles i Farad [F] (som også er C/V, Coulomb/Volt). Kapasiteten øker med ledernes felles areal og avtar med avstanden mellom dem.

Rommet mellom lederne kan bestå av luft, vakuum eller et isolerende fast stoff, i spesialtilfeller også væsker og gasser. Slike stoffer øker kapasiteten i forhold til i vakuum. Endringen er en fysikalsk egenskap for stoffet som vi kaller permittivitet eller (tidligere) dielektrisitetskonstant. Stoffet selv kalles et dielektrikum og permittiviteten måles etter faktoren av kapasitetens endring i forhold til vakuum.

Ordbruken synes ikke helt fastlagt på norsk. Her er kondensatorens egenskap kalt kapasitans og kapasitansens størrelse er kalt kapasitet. Begrepet kapasitans brukes også for å beskrive størrelsen. På engelsk brukes capacitance og capacity om hverandre, svensk bruker kapacitans som mål og dansk bruker kapacitet.

Kapasitet og kapasitans og relasjoner til annen fysikk kan beskrives som følger:

\ C = \varepsilon_0 \cdot \varepsilon \cdot {A\over d}

Kapasiteten

\ E = {U\over d}

Feltstyrken

\ F = {A \cdot E^2\over 8 \pi}

Kraften mellom elektrodene

\ I = {dU\over dt}\cdot C

Dynamisk sammenheng mellom strøm og spenning

\ Q = C\cdot U

Ladningen

\ W = {1\over 2} U^2C

Lagret energi

\ X = {-1\over {2\pi f C}} = {-1\over {\omega C}}

Reaktansen

\ \varepsilon_0 = 8.8452...\cdot 10^{-12}\;\mathrm{F/m}

Hvor

Bildet viser strøm og spenning for en 1 µF kondensator med 1 V amplitude ved 1 kHz. Spenningen starter og ender på 0

C er kapasiteten i Farad [F]
$\ \varepsilon_0$ er permittiviteten for vakuum i Farad per meter [F/m]
$\ \varepsilon$ er stoffets relative permittivitet [-]
A er arealet av lederne i $\ m^2$
d er avstanden mellom lederne i meter [m]
E er feltstyrken i dielektrikumet uttrykt i Volt per meter [V/m]
I er elektrisk strøm i Ampere [A]
Q er ladningen i Ampèresekund [As], eller Coulomb [C]
U er elektrisk spenning i volt [V]
W er elektrisk energi i Joule [J], eller Wattsekund [Ws]
X er reaktansen for vekselstrøm i Ohm [ $\Omega$ ] (vekselstrømsmotstand)
f er frekvensen i Herz [Hz]
$\ \omega$ er vinkelfrekvensen $\ 2\pi f$ [rad/s]
$\ {d\over {dt}}$ er en derivasjonsoperasjon over tid

Maksimal spenning

Foruten kapasiteten karakteriseres en kondensator av maksimal tillatt spenning mellom polene. Når spenningen, og derved feltstyrken, blir for stor vil dielektrikumet oppleve et såkalt overslag; en kanal som oppstår i dielektrikumet blir plutselig godt ledende og all energi fra kondensatoren tømmes over denne lederen. Alt etter lagret energi kan denne hendelsen være ganske dramatisk. Hendelsen er til vanlig destruktiv. Dette skjer også i vakuum når feltet blir noe større enn 1000 V/mm.

Praktiske byggemåter

Det står en rekke materialer til forføyning som kan brukes som dielektrika. En gammel klassiker er glimmer. Oljet papir, porselen og glass er i bruk. Forskjellige kunststoffer brukes, såsom et rikt utvalg av klassiske og moderne keramiske stoffer. Kunststoffer er eksempelvis polyester, polykarbonat, polypropylen, polystyren og teflon (skjeldent og dyrt, men best)

Egenskaper som er forskjellige for forskjellige dielektrika er

permittiviteten
temperaturkonstans
frekvensområde
ulinjær forvrengning
fuktighetsinnflytelse
ledningsevne (lekkasje)
andre tap
levetid
spenningstoleranse
konstans over tid
polarisering (se nedenfor)
og flere

For kunststoff-folier er de fleste kondensatorer viklet med to isolerende og to ledende lag. For å unngå induktiviteter er endespiralene forbundet, ofte loddet. Ellers oppnår en store arealer ved å stable masse tynne lag på hverandre og så forbinde endene på annenhver leder med hverandre.

Tidligere radiomottakere brukte mekanisk variable kondensatorer for avstemming og trimmekondensatorer for intern finjustering. Fra halvlederverdenen kommer kapasitetsdioden som oppviser en kapasitans som varierer med sperrespenningen som tilføres den.

Dersom kapasiteten til en ladet kondensator skulle forandre seg, blir ladningen beholdt og spenningen endrer seg tilsvarende slik at U = Q/C. Dette utnyttes i såkalte kondensatormikrofoner. Slike mikrofoner blir lett linjære fordi den mekaniske konstruksjonen blir så enkel.

Elektrolyttkondensatorer

For å oppnå store kapasitetsverdier på små volum er det to veier å gå: 1) Å bruke et materiale med svært høy permittivitet (dielektrisitetskonstant). 2) Å få ned avstanden mellom platene. Den første metoden brukes blant annet i små, moderne, overflatemonterte komponenter med høyperimittive keramiske stoffer. Den siste metoden er i bruk i såkalte elektrolyttkondensatorer. En elektrolytt er en løsning av et stoff som spaltes i ioner i vann, som en syre eller base, og som derfor leder elektrisk strøm godt. Man lar elektrolytten danne et n-atomtykt ikke-ledende skikt på den ene kondensatorpolen og selv opptre som intern leder. (n er et lavt tall.) Kondensatorer fremstilt på dette viset er polariserte; de tåler likespenning i kun en gitt retning. Tilkoplingene er av den grunn merket med + og -. Strømmen gjennom kondensatoren kan gå i begge retninger.

Kvalitet

Kondensatorer er ganske gode komponenter; de har svært små tap og de følger de fysikalske beskrivelsene ganske nøye. Elektrolyttkondensatorer er et unntak her; de har forholdsvis kort levetid og er ikke svært stabile i verdiene sine. Fysikalsk sett kan en kondensator ikke avgi noe varme. I praksis har vi små tap, hovedsakelig dielektriske tap.

Resulterende kapasitans i seriekobling

\ {1\over {C_{tot}}} = {1\over {C1}} + {1\over {C2}}...

Resulterende kapasitans i parallellkobling

\ C_{tot} = C1 + C2 + C3...