Kondensaattorit

Alunperin julkaistu: 9.2.2017

Viimeksi muokattu: lauantai 27.2.2021

Kondensaattori symboli

Kondensaattorit ovat lyhyesti sanottuna komponentteja, jotka varastoivat sähköä. Niitä voitaisiin ajatella paristoina, mutta ne eivät ole paristoja, vaikka molemmista saadaankin sähköä ulos.

Kun kondensaattoria ladataan, niin puhutaan kondensaattorin varautumisesta. Kondensaattori säilyttää varauksensa "pitkään" ja mitä laadukkaampi ja suurempi kondensaattori, niin sitä pidempään varaus säilyy. Varaus ei kuitenkaan säily ikuisesti, sillä kondensaattori purkautuu itsestään ajan saatossa sen sisäisen resistanssin johdosta (itsepurkautuminen).

Kondensaattoreita käytetään monissa eri sovelluksissa ja lähes jokaisessa elektroniikkalaitteessa. Niitä käytetään esimerkiksi ajastinpiireissä ja käyttöjännitteen suodatuksessa, sekä muiden häiriösignaaleiden suodatuksessa. Niitä käytetään, kuten edellä mainittu, myös sähkövarastoina kytkennässä. Esimerkiksi IC (Integrated Circuit) -piireissä, kondensaattorit kytketään mahdollisimman lähelle piirin käyttöjännitenastoja, jotta piiri saa sähköä nopeasti tarvittaessa (laitteen virtalähde voi joskus olla liian kaukana tarvittavan energian toimittamiseen). Käyttökohteita on monia ja kondensaattoreita on paljon erilaisia.

Kondensaattorin rakenne

Kondensaattori on rakennettu kahdesta metallilevystä, joihin elektrodit on kiinnitetty. Levyjen välissä on dielektrisestä aineesta tehty eriste, joka estää levyjä kipinöimästä (läpilyönti) kun jännite kytketään positiiviseen elektrodiin.

Kondensaattorin rakenne
Kondensaattorin periaatteellinen rakenne

Kondensaattorin kapasitanssi muodostuu levyjen pinta-alasta sekä levyjen etäisyydestä toisiinsa. Mitä suurempia ja lähempänä levyt ovat toisistaan, sen suurempi on myös kondensaattorin kapasitanssi.

Kondensaattori ja kapasitanssi

Kondensaattorilla on tiettyjä ominaisuuksia, jotka määrittelevät kuinka paljon energiaa se voi itseensä varastoida. Näiden ominaisuuksien perusteella on määritelty kondensaattorin varauksen suure kapasitanssi, jota merkitään symbolilla C. Kapasitanssia kuvaava yksikkö on puolestaan faradi (F) ja sähkövaraus kondensaattorissa on Q.

Kapasitanssi lasketaan kaavasta:
C = Q / V
missä Q on sähkövaraus ja V on jännite levyjen välillä.

Faradi on kuitenkin varsin suuri kapasitanssi, joten elektroniikassa käytetään kondensaattorin kapasitanssin ilmaisemisessa pienempiä kerrannaisia. Alla on lueteltu kerrannaiset pienimmästä suurempaan:

  • pikofaradi (pF) 10-12 = 0,000 000 000 001 F
  • nanofaradi (nF) 10-9 = 0,000 000 001 F
  • mikrofaradi (uF) 10-6 = 0,000 001 F
  • millifaradi (mF) 10-3 = 0,001 F
  • faradi (F) = 1,0 F

Kapasitanssi merkitään kondensaattoreihin valmistajan toimesta, jos kondensaattorin kuoressa on vain tilaa siihen. Riippuen kondensaattorin fyysisestä koosta, voidaan käyttää erilaisia merkitsemistapoja. Fyysisesti suuremmassa kondensaattorissa voi olla enemmän varausta ja täten enemmän energiaa ja päin vastoin. Tyypillisesti elektroniikassa käytetään arvoja, jotka ovat välillä pikofaradi (pF) ja mikrofaradi (uF). Alla olevassa kuvassa on erilaisia kondensaattoreita merkintöineen.

Erilaisia kondensaattoreita
Kondensaattoreita

Kondensaattorityypit

Kondensaattoreita on monentyyppisiä ja alle onkin lueteltu tavallisimmat kondensaattorit ja niiden tyypilliset käyttökohteet. Tarkemmin kyseisistä kondensaattoreista voit lukea Wikipedian artikkelista tämän linkin takaa.

Keraamiset kondensaattorit - kerkot

Kerkon tunnistaa useimmiten keraamisesta rakenteesta. Alla olevassa kuvassa nähdään erilaisia kerkoja. Pyöreät keltaiset jalalliset kerkot ovat herkkiä vaurioitumaan, joten niitä on syytä käsitellä varoen.

Kerkoja käytetään yleensä suurtaajuuskytkennöissä ja häiriöiden suodattamisessa sekä erittäin pienissä laitteissa. Hakkurikytkennöissä yleensä suositellaan käytettäväksi keraamisia kondensaattoreita stabiilisuuden säilyttämiseksi.

Elektrolyyttikondensaattorit - elkot ja tantaalikondensaattorit

Elektrolyyttikondensaattorin tunnistaa siitä, että kondensaattoriin on merkitty sen elektrodien napaisuus. Tästä harrastelija voikin helposti jo päätellä, että nämä kondensaattorityypit tulee aina kytkeä oikeinpäin. Väärinpäin kytkeminen saattaa aiheuttaa elkon räjähtämisen ja sirpaleet voivat vahingoittaa ympärillä olevia. Elektrolyyttikondensaattoreissa on yleensä merkitty kapasitanssin ja GND-jalan lisäksi myös jännitekesto ja joskus maksimi lämpötilakin.

Kondensaattorin merkinnät

Elektrolyyttikondensaattorien kapasitanssiarvot ovat hieman alle mikrofaradeista aina faradeihin asti. Elkoja käytetään useimmiten pelkästään energiavarastoina. Virtalähteissä elkot ovat lähes poikkeuksetta käytetty ensisijaisesti niiden suuren kapasitanssiarvonsa johdosta. Elektrolyyttikondensaattoreita voi käyttää samaan tapaan kuin muitakin kondensaattoreita (kunhan muistaa napaisuuden), mutta häiriönpoistoon ne eivät sovellu kovin hyvin. Elektrolyyttikondensaattorit ovat joskus syypäänä jonkin laitteen huonoon toimintaan tai täyteen toimimattomuuteen ja joskus tällaisen voi havaita siitä, että elkon kansi on pullistunut.

Pullistunut elko
Pullistunut elko.

Tantaalikondensaattori kuuluu samaan kastiin elkojen kanssa samanlaisen valmistusmenetelmän vuoksi. Tantaaleja käytetään erityisesti silloin, kun tarvitaan suurta kapasitanssia pienessä tilassa, mikä tekee niistä oivan vaihtoehdon pieniin laitteisiin. Alla olevassa kuvassa nähdään elektrolyyttikondensaattoreita ja tantaalikondensaattoreita polariteettimerkintöineen. Tantaalit ovat kuitenkin nykypäivänä vähenemään päin ns. konfliktimateriaalien takia.

Tantaalikondensaattorit
Kuva lainattu Wikipediasta.

Superkondensaattorit

Superkondensaattorit ovat kuin elektrolyyttikondensaattoreita, mutta niissä on hirvittävän paljon enemmän kapasitanssia kuin pienemmissä kondensaattoreissa. Superkondensaattoreita käytetään esimerkiksi vähän virtaa vievissä sovelluksissa, missä energiaa on saatavilla satunnaisesti ja erittäin pieniä määriä kerrallaan. Virta voidaan tällaisissa sovelluksissa ottaa talteen superkondensaattoriin energian harvestoinnin avulla.

Superkondensaattorin tunnistaa sen suuresta koosta ja siitä että kapasitanssi on merkitty Faradeina. Alla olevassa kuvassa esiintyy erilaisia superkondensaattoreita.

Superkondensaattoreita

Superkondensaattoreita voidaan käyttää esimerkiksi autoissa lyijyakkujen rinnalla, missä hetkellisesti voidaan tarvita suuria, jopa satojen ampeerien virtoja - starttiboostereissa. Tällöin superkondensaattori toimii lyijyakkua auttavana komponenttina. Jos harrastaa autohifiä, niin superkondensaattorit ovat varmasti tuttuja kapineita ajovalojen vilkkumisen eliminoimisessa.

Superkondensaattoreissa on esimerkiksi elektrolyyttikondensaattoreihin verrattuna paljon alhaisempi jännitekesto. Useimmilla niin vähän, kuin 2.7-3.0 volttia. Tämän vuoksi superkondensaattoreita kytketään sarjaan, jos halutaan esimerkiksi 12 voltin superkonkka. Tämä kuitenkin pienentää yhteismuotoista kapasitanssia, eikä siksi ole aina ratkaisu energiahaasteisiin.

Merkinnät kondensaattoreissa

Suuremmat kondensaattorit (kuten elkot) ovat yleensä merkinnöiltään mikrofaradien (uF) luokkaa ja pienemmät kondensaattorit (kuten kerkot) piko- ja nanofaradien (pF/nF) luokkaa. Elkoista merkinnät on helppo huomata, kuten varmaan olet huomannut, mutta pienemmissä kondensaattoreissa merkinnät tuottavat joskus päänvaivaa. Ajan säästämiseksi ja merkintöjen ymmärtämiseksi koitankin seuraavassa selvittää mahdollisimman monipuolisesti ja yksinkertaisesti erityyppisten kondensaattoreiden merkinnät (jos huomaatte virheen, olkaa hyviä ja raportoikaa siitä palautetta antamalla).

Värikoodit

Värikoodit on merkitty kondensaattoreihin kuten vastuksiinkin ja alla oleva taulukko selventää kondensaattoreiden lukemista. Taulukko löytyy alunperin sivuilta http://www.taulukot.com, joten kaikki kunnia taulukon värkkäämisestä vain sinne.

Värikoodit

Numerokoodit

Numeroilla koodattuja kondensaattoreita ovat yleensä keraamiset kondensaattorit, joissa tilaa kapasitanssin merkitsemiseen on hyvin vähän. Esimerkiksi kondensaattorin kylkeen tulostettu numero 103 tarkoittaa 10 x 103 pF = 10 000 pF eli 0,01 uF. Jos numeroita on vain kaksi, niin kapasitanssiarvo on pikofaradeissa se arvo, mikä kyljessä lukee.

Numerokoodeista esimerkkejä alla lisää:

Esim 1.

10 = 10 pF
50 = 50 pF

Esim 2.

102 = 1 nF (=0,001uF)
103 = 10 nF (=0,01uF)
104 = 100nF (=0,1uF)
105 = 1 uF

Esim 3.

150 pK = 150 pF +/- 10%
1p2 = 1,2 pF
1n0 = 1,0 nF
3p3 = 3,3 pF
82 pK = 82 pF +/- 10%

Toleranssit

C = +/- 0,25pF
D = +/- 0,5pF
F = +/- 1%
G = +/- 2%
J = +/- 5%
K = +/- 10%
M = +/- 20%
Z = -20% +80%

Lopuksi

Tässä siis hieman valaisevaa asiaa kondensaattoreista, ainakin toivottavasti valaisevaa. Parannusehdotuksia ja lisäyksiä sivuille voi ehdottaa lähettämällä palautetta.

Lähteitä ja linkkejä:

https://fi.wikipedia.org/wiki/Kondensaattori
https://www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21806913/capacitor-basics-and-their-uses-in-power-applications
https://kitronik.co.uk/blogs/resources/understanding-ceramic-disc-capacitor-values
https://www.electronicdesign.com/technologies/components/article/21799667/conflict-minerals-and-the-tantalum-capacitor-supply-chain