En kondensator lagrer elektrisk energi i et elektrisk felt mellom to ledende flater. Den kan jevne ut en forsyningsspenning, levere korte strømpulser, sende et vekselsignal videre eller, sammen med en resistor, bestemme en tidskonstant. Riktig valg handler derfor om langt mer enn antall mikrofarad.
Hvordan virker en kondensator?
To elektroder er skilt av et isolerende materiale, dielektrikumet. Når det ligger spenning over elektrodene, flyttes ladning, og det bygges opp et elektrisk felt. En ideell kondensator følger sammenhengen Q = C × U: lagret ladning Q avhenger av kapasitansen C og spenningen U. En virkelig komponent har i tillegg seriemotstand, induktans, lekkasje og tap i materialet.
Likestrøm går ikke kontinuerlig gjennom et ideelt dielektrikum. Mens kondensatoren lades eller utlades, går det likevel strøm i kretsen fordi ladningen endres. Med vekselspenning skjer dette hele tiden, og impedansen synker når frekvensen øker. Derfor kan samme komponent blokkere en likespenning og samtidig slippe et raskt signal forbi.
Enheter og merking
Én farad er en svært stor kapasitans i vanlig elektronikk. 1 µF er 0,000001 F, 1 nF er 0,000000001 F, og 1 000 nF er 1 µF. Å forveksle nF og µF gir en feil på en faktor tusen, så les enheten nøye. Elektrolyttkondensatorer har som regel verdi og spenning trykt i klartekst, mens små keramiske kondensatorer ofte bruker en tresifret kode i pikofarad.
Tresifret kode = to sifre + antall nuller, i pF
104 → 10 + 0000 = 100 000 pF = 100 nF = 0,1 µF
473 → 47 + 000 = 47 000 pF = 47 nF
220 → 22 + (ingen) = 22 pF
Bokstaven etter koden er toleransen, for eksempel J = ±5 %, K = ±10 %Tidskonstant og energi
I en enkel RC-krets er tidskonstanten τ = R × C. Etter én tidskonstant har en kondensator som lades, nådd omtrent 63 prosent av sluttspenningen. Etter fem tidskonstanter regnes den som praktisk talt fulladet. Dette brukes i forsinkelser, filtre, reset-kretser og avglatting, men toleranser og belastning må tas med når tiden skal være presis.
I et passivt RC-lavpassfilter dempes høye frekvenser mer enn lave. Grensefrekvensen for et idealisert førsteordens filter er fc = 1 / (2π × R × C). Lagret energi er E = ½ × C × U². Spenningen står i andre potens, så dobbel spenning gir fire ganger så mye energi.
Tidskonstant: R = 10 kΩ, C = 100 µF
τ = 10 000 Ω × 0,0001 F = 1 s
ca. 63 % etter 1 s, ca. 99 % etter 5 s
Lavpass: R = 1 kΩ, C = 100 nF
f_c = 1 / (2π × 1 000 × 0,0000001) ≈ 1,6 kHz
Energi: C = 1 000 µF, U = 25 V
E = 0,5 × 0,001 × 25² ≈ 0,31 JStore kondensatorer kan holde på farlig ladning lenge etter at utstyret er slått av. Denne guiden gjelder lavspenningselektronikk; arbeid i nettdrevne apparater krever riktig kompetanse, sikker utladingsprosedyre og egnede instrumenter.
Kondensatortyper
| Type | Typiske styrker | Viktige hensyn | Vanlige oppgaver |
|---|---|---|---|
| Keramisk (MLCC) | Liten, rask og tilgjengelig i mange SMD-størrelser | Kapasitansen kan falle med likespenning, temperatur og type dielektrikum | Avkobling og høyfrekvent filtrering |
| Aluminium-elektrolytt | Høy kapasitans per volum og rimelig | Polarisert, har merkbar ESR, begrenset levetid og rippelstrøm | Bulkkapasitans og strømforsyning |
| Film | God stabilitet og lave tap | Kan være fysisk stor; velg riktig filmtype og spenningsklasse | Signal, filtre og pulskretser |
| Tantal / polymer | Kompakt, stabil kapasitans og ofte lav ESR | Polarisert; tåler dårlig spenningstopper og omvendt spenning | Kompakte forsyninger og avkobling |
| Superkondensator | Svært høy kapasitans | Lav cellespenning, ofte rundt 2,7 V, lekkasje og balansering i serie | Kort energibuffer og reserveforsyning |
«Keramisk» er ikke én elektrisk egenskap. Klasse 1-dielektrika som C0G/NP0 er stabile og har lave tap, men gir relativt lave kapasitansverdier. Klasse 2-typer som X7R og X5R gir mer kapasitans i liten størrelse, men den effektive verdien faller når det ligger likespenning over dem. I små kapslinger kan en stor del av kapasitansen forsvinne ved arbeidsspenningen. Produsentens kurver er viktigere enn tallet på etiketten.
Avkobling og filtre
En avkoblingskondensator, ofte 100 nF keramisk, plasseres nær forsyningspinnene på en integrert krets. Den gir en kort, lokal strømvei når lasten skifter raskt. Korte og brede forbindelser reduserer parasittisk induktans. En større elektrolytt- eller polymerkondensator fungerer som lokal energibuffer ved langsommere lastendringer, men erstatter ikke de små keramiske kondensatorene ved høy frekvens.
I virkelige filtre påvirker kilde- og lastimpedansen resultatet. Bruk simulering eller mål kretsen når signalformen betyr noe; den nominelle formelen fanger ikke alle parasittiske effekter.
Et THT-sett med elektrolyttkondensatorer er nyttig til strømforsyninger og prototyper, mens en sortimentsboks med lavspenningskondensatorer gjør det lettere å holde verdiene adskilt. Kontroller alltid den konkrete innholdslisten og databladene før bruk.
Merkespenning og polaritet
Merkespenningen er en øvre grense under angitte forhold, ikke et anbefalt driftspunkt. Velg margin for toleranser, spenningstopper og temperatur etter produsentens retningslinjer. Mange velger en merkespenning godt over arbeidsspenningen, og for tantal anbefaler produsenter ofte omtrent dobbel margin. En kondensator merket 16 V skal ikke sitte i en krets som kan overstige 16 V. I nettfiltre kreves sertifiserte X- eller Y-kondensatorer; en tilfeldig filmkondensator er ikke en erstatning.
Elektrolytt- og tantalkondensatorer er vanligvis polariserte. Omvendt spenning kan gi oppvarming, gassutvikling og feil. Merkingen er ikke lik for alle typer:
| Type | Merkingen viser | Ekstra kjennetegn |
|---|---|---|
| Radial aluminium-elektrolytt | Stripen på siden markerer minus | Langt bein er normalt pluss |
| SMD aluminium-elektrolytt | Farget felt på toppen markerer minus | Den avfasede sokkelen ligger normalt på plussiden |
| SMD tantal | Streken markerer pluss | Motsatt av aluminium-elektrolytt; sjekk alltid databladet |
På kretskortet må pluss og minus også stemme med skjema og silketrykk. Temperatur påvirker verdi, tap og levetid. Elektrolyttkondensatorer tørker gradvis ut, særlig ved høy temperatur og rippelstrøm. ESR kan da øke selv om en enkel kapasitansmåling fortsatt ser grei ut. Ved reparasjon er derfor serie, rippelstrøm, ESR, temperaturklasse, størrelse og pinneavstand relevante.
ESR og ESL
ESR er den ekvivalente seriemotstanden som gjør noe av strømmen om til varme. ESL er den parasittiske serieinduktansen fra konstruksjon og tilkoblinger. Ved selvresonansfrekvensen opphever den kapasitive og den induktive delen hverandre; over denne frekvensen oppfører komponenten seg mer som en spole enn som en kondensator. Små SMD-kapslinger og kort layout gir derfor ofte bedre egenskaper ved høy frekvens enn store deler med lange bein.
Lavest mulig ESR er ikke alltid best. Enkelte lineære regulatorer er konstruert for et bestemt område av ESR og kapasitans på utgangen, og feil kondensator kan gjøre reguleringen ustabil. Følg regulatorens datablad og anbefalte layout i stedet for å velge ut fra én egenskap.
Måling og feilsøking
- Gjør kretsen spenningsløs: Bekreft med riktig målemetode at det ikke er spenning.
- Lad ut kontrollert: Bruk en dokumentert metode med en resistor; kortslutning med et verktøy kan gi gnister og skade.
- Isoler ved behov: Kondensatorer i parallell kan forstyrre målingen av kapasitans og ESR.
- Mål mer enn kapasitans: Lekkasje og ESR kan være feilen selv om verdien ser riktig ut.
- Finn årsaken: Varme, overspenning eller høy rippel vil også belaste den nye delen.
En automatisk komponenttester er praktisk til sortering og enkle kontroller, men erstatter ikke produsentdata eller instrumenter som er spesifisert for måleområdet. Les også guiden om multimeter, oscilloskop og komponenttester.
Slik velger du kondensator
Start med funksjonen: avkobling, energibuffer, filter, tidsstyring eller signaloverføring. Fastsett hvilken kapasitans du trenger ved den faktiske arbeidsspenningen, ikke bare nominell verdi ved null volt. Velg deretter spenningsmargin, temperaturklasse, toleranse, ESR, rippelstrøm, størrelse og montering. I raske kretser må du også vurdere impedans over frekvens og layout.
Til læring er et blandet elektronikksett med resistorer, kondensatorer og halvledere nyttig sammen med koblingsbrett og måleutstyr. Se også kategorien kondensatorer. Guiden slik velger du komponentsett forklarer forskjellen på et bredt startlager og et rent kondensatorsortiment, og resistorguiden forklarer den andre halvdelen av RC-kretsen.
Kilder og metode
Virkemåte, enheter og grunnmodell er kontrollert mot Muratas introduksjon til kondensatorer. Typer, impedans, ESR, ESL og selvresonans er kontrollert mot Muratas gjennomgang av kondensatortyper og frekvensegenskaper. Bruk alltid databladet til den konkrete delen.
Oppsummering
Kondensatoren lagrer energi i et elektrisk felt, men en virkelig komponent har toleranse, lekkasje, ESR, ESL og frekvensgrenser. Velg type etter oppgaven, hold god margin til merkespenningen, sjekk polaritetsmerkingen for akkurat den typen du har, og vurder temperatur og rippelstrøm. Når kretsen skal være stabil, er effektiv kapasitans og produsentens kurver viktigere enn tallet på kapslingen.
