Kondensaattorin varautuminen ja purkautuminen

Jos et ole lukenut perusasioita kondensaattoreista, suosittelen lukemaan aluksi sen, jonka jälkeen voit jatkaa lukemista tästä.

Kondensaattori varautuu siis hetkessä, jos se kytketään suoraan jännitelähteeseen. Kondensaattori voi ottaa tällöin suuria määriä virtoja erittäin lyhyen ajan. Vastaavasti kondensaattori kykenee antamaan nopeasti virtaa sitä tarvitsevalle laitteelle tai piirille. Kondensaattoria voidaan ladata hitaamminkin vastuksen avulla ja tällöin puhutaan RC-piiristä (R=vastus, C=kondensaattori, looginen nimeäminen).

Kondensaattoria voidaan myös purkaa vastuksen avulla, jolloin edelleen puhutaan RC-piiristä. Kondensaattori voidaan purkaa myös yhdistämällä sen elektrodit, eli + ja - navat yhteen. Tällainen purkamistapa on nopea, mutta suurille kondensaattoreille sitä ei suositella, sillä tällä tavoin purkautuessa kondensaattorista vapautuu nopeasti energiaa, mikä saattaa aiheuttaa sen, että kondensaattori kuumenee erittäin voimakkaasti ja saattaa jopa räjähtää. Alle 1000 uF:n kondensaattoreilla räjähdysvaara lienee tuskin kovin merkittävä, mutta enpä menisi itse ainakaan tätä suuruusluokkaa olevia tai suurempia purkamaan oikosulkemalla.

Varoitus! Jos suuri kondensaattori on kuitenkin purettava, suosittelen kytkemään kondensaattorin napojen väliin pienen tehovastuksen (esim 5 ... 15 ohmia) taikka hehkulampun (auto- tai moottoripyörä/polkupyörä käyttöön suunniteltu riittää, mutta ota huomioon kondensaattorissa lymyävä jännite!). Varo kuitenkin sormiasi, lamppu kuumenee polttavan kuumaksi jos purettavaa energiaa on paljon. Varoitus!

Kondensaattorin varautuminen

Kondensaattori koostuu periaatteessa kahdesta metallilevystä ja niiden välissä olevasta eristeainemateriaalista. Metallilevyt ovat sähköä johtavaa materiaalia ja niitä kutsutaan elektrodeiksi. Eristeainemateriaali pitää elektrodit erillään toisista. Elektrodien välinen etäisyys sekä eristeainemateriaali määräävät kondensaattorin jännitekeston ja yhdessä nämä kaksi osasta (eristeaine, metallilevyt) muodostavat tiettyjä ominaisuuksia kondensaattorille. Tarkastellaanpa nyt kuitenkin kuinka kondensaattori siis käytännössä varautuu.

Kondensaattori

Yllä olevassa kuvassa on tehty kytkentä, missä on vasemmalla tasajännitelähde VCC, kytkin K1 ja kondensaattori C oikealla. Kun kytkin on auki, jännitettä on vain jännitelähteen positiivisessa navassa ja niihin yhdistetyissä johtimissa. Kun kytkin K1 suljetaan, latautuu kondensaattori C lähes välittömästi samaan jännitteeseen, kuin mikä jännitelähteelläkin on.

Kun kytkin avataan jälleen niin kytkennässä on jännitettä kytkimen molemmin puolin. Kondensaattorille käy kuitenkin niin, että sen jännite alkaa hiljalleen laskemaan heti kytkimen avauksen jälkeen. Tämä johtuu kondensaattorin elektrodien välisestä eristaineesta, jonka läpi vuotaa virtaa jonkun verran. Tässä kuitenkin yksi tapa, kuinka kondensaattori "ladataan" eli varataan.

Kondensaattoria ei kannata ladata yli sen jännitekeston, muutoin kondensaattori saattaa vaurioitua ja jopa räjähtää. Pienoiset hetkelliset ylitykset eivät yleensä haittaa, mutta pitkässä juoksussa kannattaa jänniterajaan kiinnittää huomiota. Kytkentöjä tehdessähän ei ole tarkoitus suunnitella sellaista kytkentää joka hajoaa itsestään lyhyen ajan kuluessa, kondensaattoreiden hajoaminen onkin hyvin yleinen vika elektroniikassa.

Varaus Q

Kondensaattorin varausta merkitään Q:lla ja sen suure on coulombi [san. kulombi]. Varaus coulombeina saadaan kertomalla kapasitanssi C kondensaattorin yli vaikuttavan jännitteen V (tai U) kanssa, eli:

Q = CV

Varaus Q tarkoittaa yksinkertaisesti kondensaattoriin varastoitunutta sähköistä energiaa. Kapasitanssi saadaan kaavasta:

C = Q / V

ja kondensaattorin yli oleva jännite on puolestaan:

V = Q / C

Jos kaavat tuntuvat hankalalta, niin varauksesta on tarkemmin kerrottu kappaleessa kondensaattorit sarjakytkennässä ja kondensaattorit rinnankytkennässä.

Kondensaattorin purkautuminen

Kuten edellä jo mainittu, kondensaattori voidaan purkaa oikosulkemalla sen elektrodit, eli + ja - navat. Alla olevassa esimerkissä on kuitenkin laitettu edellisen kuvan kytkentään vastus R mukaan. Kytkennässä vastuksen R avulla puretaan kondensaattorin sähkövaraus Q. Sähkövarauksen energia muuttuu pääosin vastuksessa lämmöksi ja johtimissa magneettikentiksi, jos ihmettelit mitä varautuneelle sähköenergialle tapahtuu.

kondensaattorin purkaminen

Kuvan kytkentään on siis tehty RC-piiri, minkä avulla kondensaattorin jännite hitaasti laskee kun kytkin K1 avataan. Tällöin puhutaan myös varauksen, virran tai jännitteen purkautumisesta kuormaan taikkapa maallikkotermein kondensaattorin "tyhjentymisestä". Kondensaattorin käyttäytymisestä yllä olevassa kytkennässä on kerrottu tarkemmin RC-piiristä kertovassa osassa.

Lienee selvää, mutta sanotaan nyt kuitenkin, että mikäli kondensaattori tyhjentyy ihan oikeasti, eli fyysisesti (eli päästää nesteet tms. pihalle) niin kyseistä komponenttia ei kannata tutkia sen enempää. Komponentti tulee sitten hävittää elektroniikkaromuna asianmukaisin keinoin.