# Kondensator

Fig. 1 Kondesatorar av ulike typar og storleikar.
Fig. 2 Symbol.
Ein **kondensator** er ein passiv elektronisk komponent, med to terminalar, som lagrar energi i eit elektrisk felt mellom to vanlegvis elektrisk leiande plater. Ein kondensator vert ofte laga ved å rulla to metallfilmar saman med ein isolator (eit dielektrikum) mellom platene. Fig. 2 syner krinssymbolet for ein kondensator.

Det er ikkje galvanisk kontakt mellom dei to terminalane, så ein kondensator blokkerer likestraum. Kondensatorar vert difoe ofte nytta for å fjerna likestraumskomponenten frå elektriske signal. Om spenninga over kondensatoren er tidsvarierande vil ikkje kondensatoren verta heilt opplada mellom kvar gong spenninga endrar polaritet. Om frekvensen er høg nok vil difor kondensatoren soppføra seg som ei kortslutning.

Kondensatorar vert mellom anna nytta i samband med analog signalhandsaming, for å laga filtere, forsterkarar, derivatorar, integratorar, oscillatorar, kurvegeneratorar, timerar, etc. Dei spelar ein sentral rolle i likerettarar og spenningsregulatorar, der dei vert nytta for å halda spenninga mest mogleg konstant. Eit annan viktig bruksområde er motorstartkondensatorar for enkelfase induksjonsmotorar, fasekompensasjon i elnettet, etc. Denne artikkelen hanlar om tradisjonelle kondensatorar som lagrar energi eit elektrisk felt. Elektrokjemie kondensatorar arbeider etter eit anna prinsopp og vert ikkje omtala her.

## Fysiske samanhengar

Fig. 3 Plate-kondensator.
Fig. 4 Platekondensator uten dielektrikum.
Fig. 5 Platekondensator med dielektrikum.
Fig. 3 syner ein kondensator bygd opp av to plater, som har forbindelse til kvar sin terminal. Om det blir lagt på ei elektrisk spenning mellom terminalane får den eine plata ei positiv ladning og den andre ei negativ ladning, slik at det oppstår eit elektrisk felt mellom platene.

Med ei ladning WIKINIUM\_MATH\_PH\_0 på kondensatoren kan kapasitansen uttrykkast

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_2  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

der WIKINIUM\_MATH\_PH\_4 er spenninga mellom platene. Kapasitansen har difor eining Coulomb per Volt; som vert kalla Farad. For ei gitt spenning er ladninga WIKINIUM\_MATH\_PH\_6 avhengig av permittiviteten til dielektrikumet mellom platene. Fig. 3 syner ein parallellplatekondensator, der WIKINIUM\_MATH\_PH\_8 er arealet til platene (i m WIKINIUM\_MATH\_PH\_10 ) og WIKINIUM\_MATH\_PH\_12 er avstanden mellom dei (i meter). Når arealet til platene, distansen mellom dei og permittiviteten, og kalla *dielektrisitetskonstanten*, til dielektrikumet er kjent kan kapasitansen uttrykkast som

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_14  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

der WIKINIUM\_MATH\_PH\_16 er permittiviteten til dielektrikumet. Kapasiten kan aukast ved å plassera eit materiale med høg permitivitet mellom platene, som illustrert i fig. 4.

Det dielektriske materialet vert polarisert av det elektriske feltet, ved at dei negative ladningane flyttar seg litt i høve til dei positive ladningane, og det oppstår ladningar på kvar side av dielektrikumet. Dette fører til at noko av dei frie ladningae på platene vert nøytraliserte og reduserer potensialdifferansen mellom platene. Vi ser frå (**1**) at ein reduksjon i potensialdifferencen WIKINIUM\_MATH\_PH\_18 fører til ei auka i kapasitansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_20 . Dette er det same som at permittiviteten til dielektrikumet aukar.

Permittiviteten kan uttrykkast

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_22  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

der WIKINIUM\_MATH\_PH\_24 er permittiviteten i vakuum og WIKINIUM\_MATH\_PH\_26 er den relative permittiviteten til dieletrikumet. I vakuum, og med god tilnærming i luft, er WIKINIUM\_MATH\_PH\_28 .
Nokre typiske verdiar for WIKINIUM\_MATH\_PH\_30 til materialar nytta som dielektrium i kondensatorar er 3 - 6 F/m for mica, 11.68 for silisium, 3.9 for silisiumoksid, 2.4 - 2.7 for polystyren, 3.85 for papir og 80 for vatten ved 20 °C. Vi ser frå (**2**) at kapasiteten aukar proporsjonalt med WIKINIUM\_MATH\_PH\_32 , men i tillegg til permitiviten er det mange andre faktorar å ta omsy til, som temperaturkoeffisient, langtidstabilitet, maks spenning, variasjon med spenninga, etc., så det vert nytta ulike dielktrikum for ulike føremål.

## Analyse av ideell kondensator

### Straum og spenning i tidsplanet

Fig. 6 Opplading av kondensator frå spenningskjelde.
Fig. 7 Spenninga over ein kondensator ved opplading.
 Fig. 8 Straumen inn til ein kondensator under opplaing.
Når ein kondensator vert kopla til ei spenningskjelde, som illustrert i fig. 6, vil det flyta ein straum inn i den positive terminalen, slik at han får ei positiv ladning, og ein tilsvarande straum ut frå den negative terminalen, som får ei negativ ladning. Straumen vil flyta heilt til spenninga mellom platene er den same som over terminalane til spenningsgeneratoren. Ladinga til kondensatoren vert då

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_34  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Etter som elektrisk straum er ladning per tidseining,

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_36  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

kan vi setta inn WIKINIUM\_MATH\_PH\_38 frå (**4**) inn i (**5**):

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_40
 |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

som syner at straumen er proporsjonal med den tidsderiverte av spenninga.

Om kondensatorn i fig. 6 er utlada før WIKINIUM\_MATH\_PH\_42 og brytaren vert stengt ved WIKINIUM\_MATH\_PH\_44 vil det flyta ein straum inn i kondensatoren som er den same som straumen gjennom motstanden WIKINIUM\_MATH\_PH\_46 :

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_48  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Frå (**4**) ser vi at spenninga over kondensatoren er

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_50  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Ved å setta (**8**) in i (**7**) kan vi uttrykka straumen inn til kondensatoren som

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_52  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Etter som spenninga over kondensatoren WIKINIUM\_MATH\_PH\_54 aukar, fig. 7, minkar spenninga WIKINIUM\_MATH\_PH\_56 over motstanden, så straumen WIKINIUM\_MATH\_PH\_58 minkar, som illustrert i fig. 8. Vi ser at når spenninga over kondensatoren nærmar seg spenninga over kjelda går straumen mot null. Når kondensatoren er heilt opplada er straumem null, som er det same som at kondensatoren blokkerer likestraum.

Ladninga på kondensatoren kan uttrykkast

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_60  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Ved å setta (**10**) inn i (**8**) kan vi uttrykka spenninga som

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_62
 |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Etter som straumen WIKINIUM\_MATH\_PH\_64 har endeleg verdi ser vi at spenninga over kondensatoren berre kan endra seg gradvis.

#### Tidskonstanten

Fig. 9 Spenning og tidskonstant ved opplading av kondensator.
Fig. 10 Straum og tidskonstant ved opplading av kondensator.
Fig. 11 Spennings- og straumkurver når inngangsspenninga er ei firkantkurve.
Fig. 12 Faseforskyving mellom straum og spenning i eit RC-ledd.
Alle spenningskjelder har ein endeleg utgangsimpedans, òg kalla kjeldeimpedans, som begrensar straumen, slik at det tek litt tid å lada opp kondensatoren. Spenninga over kondensatoren kan difor ikkje endrast pluseleg. I fig. 6 utgjer spenningskjelda WIKINIUM\_MATH\_PH\_66 saman med motstanden WIKINIUM\_MATH\_PH\_68 ein Thévenin-ekvivalent, med kjeldemotstand WIKINIUM\_MATH\_PH\_70 . Kor snøgt spenninga endrar seg avheng både av kapasitansen til kondensatoren og av kjeldeimpedansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_72 , og vert uttrykt med tidskonstanten WIKINIUM\_MATH\_PH\_74 .

For å finna tidskonstanten kombinerer vi (**6**) og (**7**):

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_76  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

som vi skriv om til

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_78  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Dette er ei 1. ordens differensiallikning. Når kondensatoren et heilt utlada ved WIKINIUM\_MATH\_PH\_80 er den generelle løysinga (for WIKINIUM\_MATH\_PH\_82 )

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_84  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Ut frå frå startføresetnaden

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_86  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

ser vi at

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_88  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Så for WIKINIUM\_MATH\_PH\_90 har vi at

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_92  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Ut frå (**17**) ser vi at tidskonstanten

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_94
 |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_96 har eininga sekund.

Om vi plottar spenninga WIKINIUM\_MATH\_PH\_98 , som i fig. 9, og forlengar tangenten til kurva ved WIKINIUM\_MATH\_PH\_100 opp til der han kryssar WIKINIUM\_MATH\_PH\_102 er tidskonstanten definert som tida frå null til kryssningspunktet. Vi kan òg finna WIKINIUM\_MATH\_PH\_104 ut frå grafen til straumen i fig. 10 på same måte. I simuleringa i fig. 9 og 10 er WIKINIUM\_MATH\_PH\_106 k WIKINIUM\_MATH\_PH\_108 og WIKINIUM\_MATH\_PH\_110 WIKINIUM\_MATH\_PH\_112 F, så
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_114 som vi òg ser ut frå grafane i fig 9 og 10.

Om tidskonstanten WIKINIUM\_MATH\_PH\_116 er stor og spenningskjelda genererer ei firlantkurve endar vi opp med spennings- og straumkurver som vist i fig. 11.
Ein kabel har ein viss kapasitans, så for å senda binær data gjennom kabelen med stor bitrate må tidskonstanten vera liten. Kapasitansen til kabelen kan ikkje endrast (utan å bytta til ein annan type), så utgangsimpeansen til generatoren lyt vera liten.

Om spenninga over ein kondensator er ei sinuskurve, som vist med den raude kurva i fig. 12, vil straumen inn i kondensatoren (blå kurve i fig. 12) ligga 90° framom spenninga. Grunnen til dette er at spenninga over kondensatoren ikkje kan endra seg plutseleg. Denne fasedriinga kan i enkelte samanhengar vera ei ulempe, medan ho i andre samanhengar kan vera ein føremon. Både passive og aktive filtere er tufta på fasedreiinga mellom straum og spenning.

### Straum og spenning i frekvensplanet

Om det går ein sinus-forma straum WIKINIUM\_MATH\_PH\_118 inn og ut av kondensatoren blir òg spenninga WIKINIUM\_MATH\_PH\_120 over han sinus-forma; WIKINIUM\_MATH\_PH\_122 og WIKINIUM\_MATH\_PH\_124 er amplitudane til spenninga respektivt straumen, og WIKINIUM\_MATH\_PH\_126 er vinkelfrekvensen i radianar per sekund (rad/s). Samanhengen mellom straumen og spenninga i (**6**) blir da

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_128  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

På polar form får vi da:

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_130  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

der WIKINIUM\_MATH\_PH\_132 er ein rotasjon med WIKINIUM\_MATH\_PH\_134 rad, eller 90°; sjå Eulerformelen. Når vi utfører derivasjonen får vi

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_136  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

der WIKINIUM\_MATH\_PH\_138 syner at straumen ligg 90° framom spenninga. Vi kan forenkla notasjonen ved å skriva uttrykket med vinkelnotasjon:

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_140  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Tilsvarande kan vi finna spenninga når straumen er kjent:

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_142  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Desse uttrykka er mykje enklare enn i tidsplanet, men uttrykka i tidsplanet er òg nyttig i mange samanhengar.

#### Impedans

Fig. 13 Impedansen til ein 10 WIKINIUM\_MATH\_PH\_144 F kondsensator, lineære aksar.
Fig. 14 Impedansen til ein 10 WIKINIUM\_MATH\_PH\_146 F kondsensator, logaritmiske aksar.
Impedansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_148 er tilhøvet mellom spenning og straum:

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_150
  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

der subskriptet WIKINIUM\_MATH\_PH\_152 på WIKINIUM\_MATH\_PH\_154 minner oss om at det er impedansen til ein kondensator. Vi ser frå (**24**) at impedansen til kondensatoren avtek når frekvensen aukar; dette er visualisert i fig. 13. Om vi plottar impedansen med logaritmiske aksar, som i fig. 14, får vi ei rett avtakande linje.
Vi ser frå (**24**) at reaktansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_156 og fasevinkel WIKINIUM\_MATH\_PH\_158 rad, eller WIKINIUM\_MATH\_PH\_160 .

### Effekt og energi

Effekta (i Watt) er produktet av straum og spenning:

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_162  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Vi kan finna energien lagra i ein kondensator ved å summera (integrera) effekten WIKINIUM\_MATH\_PH\_164 over eit tidsinterval WIKINIUM\_MATH\_PH\_166 :

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_168  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Vi set (**6**) inn i (**26**):

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_170  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Om kondensatoren var utlada ved WIKINIUM\_MATH\_PH\_172 , er WIKINIUM\_MATH\_PH\_174 , så energien lagra i kondensatoren er

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|
 WIKINIUM\_MATH\_PH\_176
 |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Energien er proportional med kapasitansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_178 og med kvadratet av spenninga WIKINIUM\_MATH\_PH\_180 .

### Parallell og seriekopling

Fig. 15 Parallellkopling.
Fig. 16 Seriekopling.
Om vi parallellkoplar fleire kondensatorar, som i fig. 15, finn vi den resulterande kapasitansen ved å addera kapasitansane til all kondensatorane:

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_182 . |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Seriekopling av fleire kondensatorar, som i fig. 16, resulterer i ein kapasitans

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_184  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

## Praktiske kondensatorar

Det vert produsert mange ulike typar kondensatorar, tilpass forskjellige bruksområde, frå små overflatemonterte komponentar på nokre pF, til store elektrolyttar på nokre Farad. Desse har vidt forskjellige eigenkapar, men det som er felles er at dei alle avvik frå ideelle kondensatorar.

### Elektriske eigenskapar

Praktiske kondensatorar avvik frå dei idelle på fleire område.

#### Dielektrikum og permittivitet

Fig 17 Modell av dielektrisk absorpsjon.
Fig. 18 Ekvivalentskjema for praktisk kondensator (øvst) og impedans (nedst).
Fig. 19 Impedanse- og ESR-kurver for ulike 100 WIKINIUM\_MATH\_PH\_186 F electrolyttkondensatorar og ein MLCC-kondensator.
Fig. 20 Ekvivalentskjema som innkluderer isolasjonsmotstanden.
Permittiviten til dielektrikumet vert bestemt av fleire mekanismar. Desse har alle ulike tidskonstantar, slik at permittiviteten, og difor kapasitansen, vert frekvensavhengig. Permittiviteten er i røynda kompleks ( WIKINIUM\_MATH\_PH\_188 ), men ofte er ein berre interresert i talverdien.

Ved svært høge frekvensar, i røntgenområdet og oppover har ikkje det elektriske feltet nokon innverknad på dielektrikumet, så permittiviteten er den same som i luft.

Litt lengre ned i frekvensområdet, frå nokre titals GHz til rundt WIKINIUM\_MATH\_PH\_190 Hz vil resonansane til elektonane på dei ulike energinivåa i atoma føra til skarpe toppar i permittiviteten. Deretter vil valenselektrona og til slutt atomenane skapa resonanstoppari permittiviteten. Men alle desse resonansane ligg i området over nokre titals GHz, så dei påverkar ikkje permittiviten i frekvensområdet til praktiske kondensatorar.

Lengre nede i frekvensområdet, mellom 1 MHz og 5 GHz, fører feltet til at polariserte molekylar, og i nokre matarialar elektriske domenar, vert eksiterte, noko som fører til ein vestleg auka av permittiviteten. Dei polariserte molekyla, kalla dipolmolekyl, orienterer seg i same retning som feltet, samstundes som feltet fører til at molekylane vert strekte ut langs feltet. Når det gjeld elektriske domenar talar ein om ferroelektrisk orientering, på grunn av at denne mekanismen har noko hysterese og slik minner om ferromagnetisme. Det er desse fenomena som fører til energitak i form av frekvensavhengig dielektrisk absopsjon. Denne mekanismen er med på å auka permittiviteten, slik at kapasitansen aukar ved låge frekvensar. Men han fører òg til auka tap i dielektrikumet.

I lågfrekvensområdet, under 100 Hz, fører feltet til at det oppstår migrasjon av frie elektron, men som ikke rekombinerte ved elektrodane. Ved låge frekvensar vil desse ladningene oppføra seg som makroskopiske dipolar som reverserer retning kvar gong spenninga over terminalane endrar polaritet.

Desse mekanismane har alle ulike tidskonstantar, noko som kan modellerast som illustrert i fig. 17.

#### ESR og ESL

Alle kondensatorar har ein viss motstand, både internt i elektrodar, eksterne terminalar, lodding, kontaktmotstand, etc. Men den dominerande faktoren er reorienteringa av molekylane i dielektriktrikumet når feltet skiftar retning, og i nokre dielektikum ferroelektrisk hysterese. ESR varierer med typen dielektrikum, temperatur og frekvens, som vist i fig. 18. At tapa i dielektrikumet er frekvensavhengig heng saman med at

I datablada vert summen av desse bidraga oppgjeve i form av ein sokalla «Equivalent Series Resistance» (ESR). ESR varierer med typen dielektrikum, temperatur og frekvens, som vist i fig. 22 og 23. For kondensatorar som arbeider med vekselspenning er det difor viktig at ESR er så liten mogleg. Men glattekondensatorar i likerettarar kan òg verta utsette for store rippelstraumar. I svitsja spenningsregulatorar, som arbeider med frekvensar på fleire hundre kHz, bør det nyttast kondensatorar med liten ESR.

Interne og eksterne terminalar har òg noko induktans, som avheng av oppbygging og storleik på kondensatoren. Til større kapasitansen er dess større er lengda på leiarane, og difor induktansen. Induktansen vert oppgjeven som «Equivalent Series Induktance» (ESL) i datablada. ESL kan reduserast ved å forbinda dei interne metalleiarane over heile endeflata, slik at tilførselbanane vert så stutte som mogleg.

ESR og ESL er seriekopla med kapasitansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_192 , som illustrert i fig. 20.

#### Modifisert impedans

Når ein tek omsyn til ESR og ESL lyt impedansen til ein ideell kondensator, oppgjeven i (**24**), modifiserast til

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_194  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_196
der WIKINIUM\_MATH\_PH\_198 , som illustrert i fig. 17.

#### Resonans

Når frekvensen WIKINIUM\_MATH\_PH\_200 aukar minkar reaktansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_202 og reaktansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_204 aukar. Når talverdiane er like (når WIKINIUM\_MATH\_PH\_206 ) vil dei kansellera kvarandre og vi står att med WIKINIUM\_MATH\_PH\_208 i (**31**). Kondensatoren har difor in resonans ved frekvensen

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_210  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

med WIKINIUM\_MATH\_PH\_212 -verdi

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_214  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Som det går fram av (**33**) vil ein stor ESR redusera WIKINIUM\_MATH\_PH\_216 -verdien. Fig. 18 syner korleis ESR og impedansen varierer med frekvensen for ulike 100 WIKINIUM\_MATH\_PH\_218 F electrolyttkondensatorar og ein fleirlags keramisk kondensator (MLCC). Vi ser at MLCC-kondensatoren har større WIKINIUM\_MATH\_PH\_220 -verdi enn elektrolyttane. Under resonansfrekvensen fell impedansen av omlag som WIKINIUM\_MATH\_PH\_222 , som predikert av (**24**), men over resonansfrekvensen er WIKINIUM\_MATH\_PH\_224 , som er det same som at impedansen er induktiv, og talverdien aukar omlag som WIKINIUM\_MATH\_PH\_226 , noko som òg går fram frå fig. 18. Komponenten er med andre ord induktiv i staden for kapasitiv i området over resonansfrekvenen. Ein måte å bøta på dette er å plassera ein, eller fleire, mindre kondensatorar i parallell med ein stor kondensator. Dei mindre ein kondensatora er, di kortare er leiarane mellom platene og dei ytre terminalane, som fører til ein mindre ESL, som i sin tue fører til at resonansfrekvensen gamnar ved ein høgare frekvens. Ein liten kondensator er difor kapasitiv lengre opp i frekvensområdet.

#### Tapsfaktor

Fig. 18 syner òg at ESR fall av tilnærma som WIKINIUM\_MATH\_PH\_228 , noko som kjem av at tapa i permittiviteten er frekvensavhengig.
Datablada gjev som oftast opp ein sokalla tapsfaktor WIKINIUM\_MATH\_PH\_230 i staden for ein WIKINIUM\_MATH\_PH\_232 -verdi. Tapsfaktoren er definert som

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_234  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

Fig. 25 og 26 syner døme på korleis WIKINIUM\_MATH\_PH\_236 varierer med frekvensen respektivt temperaturen for ulike filmkondensatorar. Etter som WIKINIUM\_MATH\_PH\_238 og WIKINIUM\_MATH\_PH\_240 har omlag same frekvensavhegigheit er WIKINIUM\_MATH\_PH\_242 tilnærma, men ikkje heilt, konstant, som døma i fig. 25 syner.

#### Dielektrisk absorpsjon

Tabell 1 Typiske verdiar for dielektrisk absorpsjon| Kondensatortype | Dielektrisk absorpsjon |
| --- | --- |
| Luft, Teflon | ikkje målbar |
| Polypropylen | 0,01...0,05 % |
| Polyester | 0,2...0,25 % |
| Keramisk, X7R | 0,6...1 % |
| Keramisk, Z5U | 2,0...2,5 % |
| Aluminiumelektrolyttar | 10...15 % |

Når kondensator er opplada er dielektrikumet polarisert ved at dei dipolare molekylane er orientere i same retning som det elektriske feltet, og i nokre dielektrikum spelar ferroelektrisk hysterese ein rolle. Nå kondensatoren så vert utlada ved å kortslutta terminalane, vil molekylane i det dielektriske materialet gå attende til den opphavlege ekvilibriumposisjonen, men på grunn av lange tidskonstantar, jfr. fig. 17, tek det noko tid før materialet er attende til den opphavlege tilstanden. Dette fører til at det oppstår ei restspenninga over terminalane etter at kortslutninga er fjerna. For å fjerna restladninga lyt terminalane vera kostslutta over eit vist tidsrom, som avheng av typen dielektrikum. Denne restspenninga kan vera problematisk i samband med pressisjonselektronikk, som til dømes intergratoarar, S/H-krinsar, etc. I samband med store høgspenningselektrolyttar kan restspenninga i verste fall føra til pensonskade. Ein kan unngå dette ved å kortslutta store elektrolyttar under lagring, eller når ein arbeider med dei. Tabell 1 syner typiske verdiear for dielektrisk absorption for nokre kondensatortypar.

#### Isolasjonsmotstand og lekasjestraum

Alle praktiske kondensatorar har ein liten lekasjestraum, som avheng av dielektrikumet. I tillegg til Ohmsk lekasje spelar Poole–Frenkel-effekta og kvantemekanisk tunnelering ein rolle. Lekasjestraumen aukar med arealet til dielektrikumet og spenninga over kondensatoren.
For elektrolyttar, som har mykje større lekkasjestarum enn film og keramiske kondensatorar, publiserer produsentane vanlegvis lekkasjestraumen i datablada, i WIKINIUM\_MATH\_PH\_244 A. Film- og keramiske kondensatorar har så liten lekasjestraum at det er vanskeleg å måla han. Produsentane spesifiserer difor isolasjonsevna i form av ein isolasjonsmotstand WIKINIUM\_MATH\_PH\_246 i staden for lekkasjestraumen. WIKINIUM\_MATH\_PH\_248 kan modellerast ved å plassera motstanden WIKINIUM\_MATH\_PH\_250 i parallel med capasitansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_252 , som illustret i fig. 20. På grunn av at WIKINIUM\_MATH\_PH\_254 er proporsjonal med arealet på dielektikumet er han òg proposjonal med kapasitansen. For å sleppa å lista opp WIKINIUM\_MATH\_PH\_256 for alle verdiane som vert produserte publiserer fleire produsentane produktet WIKINIUM\_MATH\_PH\_258 , med einina M WIKINIUM\_MATH\_PH\_260 F, som vist i fig. 29 for ulike filmkondensatorar. Isolasjonsmotstanden avtek eksponensialt med temperaturen, så WIKINIUM\_MATH\_PH\_262 -kurvene i fig. 29 krummar nedover. Når ein kondensator er vert opplaga frå utlada tilstand er WIKINIUM\_MATH\_PH\_264 mindre enn den endelege verdien, og det kan ta fleire minutt før han når den endelege verdien,

Produktet WIKINIUM\_MATH\_PH\_266 er eigentleg ein tidskonstant

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_268  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

så i staden fpr M WIKINIUM\_MATH\_PH\_270 F kan einina sekund, eller minutt, nyttast. For store filmkondensatorar kan WIKINIUM\_MATH\_PH\_272 ha verdiar frå rundt 15 min til over 250 timar. I presisjonskrinsar, som til dømed timerar, er det viktig at WIKINIUM\_MATH\_PH\_274 er stor.

#### Gjennomslagsspenning

Gjennomslagsspenning er den minste spenninga som fører til at ein del av dielektrikumet vert elektrisk leiande. Når gjennomslagsspenninga vert overskriden, sviktar isolereingsevna til materialet, slik at det flyt straum gjennom materialet. Dette kan føra til katastrofal svikt av kondensatoren, men nokre typar er sjølvlækjande, på det viset at aluminiumsfilmen i platene fordampar. Gjennomslagsspenninga er avhengig fleire faktorar, som typen dielektrikum, ureingar i materialet, tjukkelsen, etc. Gjennomslagsspenninga kan aukast ved å auka tjukkleiken på dielektrikumet, men det fører til at dei fysiske dimensjonane til kondensatorane aukar. Så til høgare spenning ein kondensator er dimensjonert for, di meir plasskrevjande vert han.

#### Nominell arbeidsspenning

Fig. 21 Spenningsnedgradering ved auka temperatur.
Nominell arbeidsspenning er maksimal kontinuerleg likespenning, ved romtemperatur, som kondensatoren er konstruert for. Ved høgere temperatur en romtemperatur lyt spenninga reduserast, som illustrert i fig. 21. De fleste produsentane publiserer òg ei høgare maksimum spenning (toppspenning) som kondensatoren tåler å utsettast for i eit avgrensa tidsrom. For filmkondensatorar ligg denne 1,5 til 2 gongar høgare enn den nominelle spenninga, og for elektrolyttar 1,1 til 1,25 gongar nominelle spenninga.

For å forlenga livslengda til kondensatorane bør ein syta for at nominell arbeidsspenning ligg noko over spenninga dei vert utsette for i krinsane. Om livslenga er oppgjeven til WIKINIUM\_MATH\_PH\_276 ved nominell arbeidsspenning WIKINIUM\_MATH\_PH\_278 kan ein finna livslengda ved den reduserte spenninga WIKINIUM\_MATH\_PH\_280 som

|  |  |  |  |  |  |  |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
|  WIKINIUM\_MATH\_PH\_282  |

|  |  |  |
| --- | --- | --- |
|   |   |   |
|   |

 | **()** |

der WIKINIUM\_MATH\_PH\_284 er ein sokalla levetidseksponent, som for aluminiumelektrolyttar bør ligga i området 3 til 5, og for keramiske kondensatorar 7 til 9. Å nytta kondensatorar med høgare nominell arbeidsspenning enn spenninga dei vert utsette for i krinsen er ein effektiv måte å redusera feilraten og auka levetida på.

#### Toleransar

Tabell 2 Toleransekodar| Kode | Toleranse |
| --- | --- |
| B |  WIKINIUM\_MATH\_PH\_286 pF |
| C |  WIKINIUM\_MATH\_PH\_288 pF |
| D |  WIKINIUM\_MATH\_PH\_290 pF |
| F |  WIKINIUM\_MATH\_PH\_292  % |
| G |  WIKINIUM\_MATH\_PH\_294  % |
| J |  WIKINIUM\_MATH\_PH\_296  % |
| K |  WIKINIUM\_MATH\_PH\_298  % |
| M |  WIKINIUM\_MATH\_PH\_300  % |
| Z | +80 %, - 20 % |

Kapasitansen til kondensatorane varierer noko under produkasjonen, så det er alltid eit lite avvik frå nominell verdi. Maks tilate avvik vert som oftast uttrykt som ein prosentandel. Ein 10 nF kondensator med ±5 % toleranse kan difor ha ein verdi som ligg ein plass mellom 9,95 nF og 10,05 nF, og framleis være innanfor spesifikasjonen. For svært små kondensatorar med verdiar rundt 1 pF vert toleransen av og til oppgjeven som ein absoluttverdi. Det vert ofte nytta ein kode, som i tabell 2, for å syna toleransen. Produsentane sorterer ofte komponentane og sel dei med dei snevraste toleransane til høgare pris. Elektrolyttar har ofte usymmetriske kodar, som +80 %, - 20 %.

Den oppgjevne toleransen representerer nominell nøyaktigheit ved romtemperatur under standard måletilhæve, som ofte er ei sinusforma spenning på 1 kkHz, utan forspenning (likespenning), og ein temperatur på WIKINIUM\_MATH\_PH\_302 . Den nominelle toleransen inkluderer ikke den ekstra kapasitansvariasjonen som oppstår på grunn av at temperaturen avvik frå 23 °C. Men produsentane gjev som oftast opp ein temperaturkoeffisient som kan nyttast for å finna avviket ved endra temperatur. Mange datablad syner avviket grafisk, som vist i fig. 26. Den nominelle toleransen innkluderer heller ikkje avvik som oppstår når det ligg ei forspenning over kondensatoren, men datablada inneheld ofte denne informasjonen i form av ein koeffisient eller ein graf. For å finna totalavviket tek ein utgangspunkt i den nominelle toleransen og legg til dei andre avvika.

#### Standardverdiar

Kondensatorar vert produserte med kapasitansar som fylgjer standardiserte verdiar baserte på ei geometrisk rekkje, kjend som E-serien. Dei vanlegaste rekkjene er:

```
E6 (10 %): 10, 15, 22, 33, 47, 68
E12 (5 %): 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82
```

Talet etter E er antal verdiar i rekkja: E6-rekkja har 6 verdiar, E12 rekkja har 12, etc. Til finare toleransen er dess fleire verdiar har rekkja. E48 (2 %) og E96 (1 %) har difor 48 respektivt 96 verdiar.
Det vert òg produsert verdiar som ligg ein eller fleire faktorar på 10 under og over desse verdiane.
Standardiserte verdiar forenklar både produksjonen og lagerføringa av kondensatorar.

### Ikkjepolariserte typar

Det vert produsert fleire typar ikkjepolarisert kondensatorar, der det vanlegaste dielektrikum er ein eller anna plastikk eller keramikk. Men det vert òg i nokon grad nytta glimmer, papir og glas som dielektrikum.

#### Filmkondensatorar

Fig. 22 Oppbygging av ein holmontert tosidig metallisert filmkondensator.
Fig. 23 Overflatemontert filmkondensator.
Fig. 24 Oppbygging av metallfilm og metallisert kondensator.
Fig. 25 Variasjon av kapasitansen som funksjon av frekvens.
Fig 26 Variasjon av kapasitansen som funksjon av temperatur.
Fig 27 Variasjon i tapsfaktor som funksjon av frekvens.
Fig 28 Variasjon i tapsfaktor som funksjon av temperatur.
Fig. 29 Variasjon i isolasjonsmotstand som funksjon av temperatur,
Fig. 30 Spenningsnedgradering på grunn av stigande temperatur for ulike filmkondensatorar.
Filmkondensatorar er bygd opp av fleire lag med leiande materiala, som oftast aluminium, med isolerande lag (dielektrikum) mellom, som illustrert i fig. 22, 23 og 24. Metallfolien er forbunde med terminalane på kvar ende, noko som fører til liten induktans (ESL) og gjer at resonanfrekvensen hamnar lengre opp i frekvensområdet.

Filmkondensatorar kan grovt sett delast i to typar: metallfolie og metallisert film. I metallfoliekondensatorar er ein tynn metallfilm lagt på dielektrikumet. Metallfilmen gir større tverrsnitt en den metallisert typen, så dei tåler større pulsstraumar.

I den metalliserte typen er eit tynt metallskikt dampa på dielektrikumet. Dette fører mindre avstand WIKINIUM\_MATH\_PH\_304 mellom platene for eit gitt areal WIKINIUM\_MATH\_PH\_306 , som i sin tur fører til mindre volum per Farad. Denne typen tåler mindre spenningar enn metallfoliekondensatorar, men om det oppstår eit gjennomslag vil metallet fordampa, slik at kondensatoren er sjølvreparerande. Tabell 2 gir eit oversyn over betegnelsane for dei vanlegaste filmkondensatorane. Men nokre produsentar nyttar andre betegnelsar. Det er difor naudsynt å studera datablada nøye når ein skal velgja kondensatortype.

Filmkondensatorar er ikkje polariserte, så ein kan bytta om på polane. Men i følsame krinsar kan det likevel vera ein føremon å forbinda den ytre metallfilmen til jord, slik at han funderer som eit faraday-bur. Sume typar har difor eit merke på den enden som er forbunden med det ytre laget. Filmkondensatorar har verdiar frå 100 pF til rundt 100 μF, avhengig av dielektrikum og produsent. Toleransane er ofte 20 &, 10 % og 5 %, men nokre typar er tilgjengeleg med toleransane 2% og 1 %. Til finare toleransener til høgare er prisen, og nokre typar er berre tilgjengelege på bestilling.

Tabell 3 Vanlege typebetegnelsar for filmkondensatorar| Dielektrikum | Akronym | Metallfolie | Metallisert |
| --- | --- | --- | --- |
| Polyethylene terephthalate (Polyester) | PET | (F)KT | MKT; MKS |
| Polypropylen | PP | (F)KP | MKP |
| Polyethylennaftalat | PEN | (F)KN | MKN |
| Polyfenylensulfid | PPS | (F)KI | MKI |
| Polytetrafluoreten | PTFE | – | – |
| Polystyren | PS | KS |  |
| Polykarbonat | PC | (F)KC | MKC |
| Papir | (P) | – | (MP) |

##### Polyester (PET)

Polyester er ein kategori polymerar med ein eller to esterbindingar i kvar repeterande eining i hovedkjeda. Typen som vert nytta i filmkondensatorar er Polyethylene TerePhthalate (PET). DuPont sitt varemerke «Mylar» vert av og til nytta.

Polyesterkondensatorar har relativt stor dielektrisitetskonstant ( WIKINIUM\_MATH\_PH\_308 = 3,2), så dei har mindre fysiske dimensjonane enn for mange andre filmkondensatorar. Men dei har etter måten stor tapsfaktor, så dei høver best for likespenning og låge frekvensar.
Dei har òg moderat pris, vert produserte for spenningar opp til 16 kV og tåler temperaturar opp til 125 C WIKINIUM\_MATH\_PH\_310 . Dei er mykje nytta for mindre kritiske bruksområde. Men kapasitansen varier både med temperaturen og frekvensen, som vist i fig. 25 og 26, så dei høver ikkje for meir krevjande bruksområde som filtere, S/H-krinsar, etc.

##### Polypropylene (PP)

Polypropylene er eit materiale som med eigenskapar som gjer at det høver godt som dielektrikum i filmkondensatorar. Tapsfaktor er mykje mindre enn for polyesterkondensatorar, noko som gjer dei attraktive i høgfrekvenskrinsar. Dei vert produsert med kapasitansar frå ca. 1 nF til 4,5 mF og for spenningar opp til 900 V og toler temperaturar opp mot WIKINIUM\_MATH\_PH\_312 . Polypropylenekondensatorar er stabile og kapasitansen varierer lite med frekvensen, temperatur og spenning. Dielektrisitetskonstanten til polypropylene ( WIKINIUM\_MATH\_PH\_314 = 2,22 - 2,25) er mindre enn for polyester, så dei fysiske dimensjonane er noko større.

Polypropylene har mykje mindre variasjon i kapasitansen med temperatur og frekvens enn polyester, og dei er tilgjengelege med toleransar ned til 1 %, så denne typen høver bra i prosisjonselektronikk som filtere, S/H-krinsar, etc. På grunn av at dei har liten tapsfaktor og tåler høge spenningar vert dei ofte nytta for fasekorreksjon i samband med elektriske motorar.

«Biaksialt Orienterte Polypropylene» (BOPP) er en variant der polymerfilmen vert framstilt ved å strekkja han i to forskjellige retninger – langs maskinretninga og i tverrretningen – noko som fører til at polymerkjedene orienterer seg på en måte som resulterer i at filmen har svært låg tapsfaktor over eit stort frekvens- og temperaturområde, som vist i fig. 27 og 28. Isolasjonsmotstanden er høg og syner mindre variasjon med temperaturen enn andre dieletrikum kutta i filmkondensatorar, som vist i fig. 29.

##### Polyethylennaphthalat (PEN)

Polyethylennaphthalat vert produsert av DuPont og har eit temperaturområde som strekkjer seg frå -55 C WIKINIUM\_MATH\_PH\_316 til 150 C WIKINIUM\_MATH\_PH\_318 . Materialet har liten termisk motstand og høg gjennomslagsspenning, som gjer det mogleg å produsera kondensatorar med etter måten små dimensjonar. Men som det går fram frå fig. 25 og 26 varierer kapasitansen meir med frekvensen og temperaturen enn polypropolyen, men ikkje like mykje som PPS. På grunn av at PEN tåler høge temperaturar vert denne typen i stor grad nytta for omerflatemonterte kondensatorar.

##### Polyphenylenesulfide (PPS)

Den einaste produsenten a polyphenylenesulfide er det japanske føretaket Torayo. Som det går fram frå fig. 22 har PPS omtrent same variasjon av kapasitansen med frekvens som polypropolyen, men variasjon med temperaturen er svært liten og mindre enn for polypropolyen. Variasjonen av tapsfaktoren med frekvens og temperatur er ikkje så ulik polypropolyen, fig. 23 og 24. Isolasjonsmotstanden er høg, men har noko variasjon med temperaturen, fig. 26. Materialet tåler spenningar opp til 400 V og temperaturområdet strekkjer seg frå -55 C WIKINIUM\_MATH\_PH\_320 til 150 C WIKINIUM\_MATH\_PH\_322 . Kostnaden er omlag som for polyester, så PPS-kondensatorar er attraktive i mange samanhengar.

##### Polykarbonat (PC)

Polykarbonat har mange attraktive eienskapar, som liten tapsfaktor, stort temperaturområde (-55 C WIKINIUM\_MATH\_PH\_324 til 125 C WIKINIUM\_MATH\_PH\_326 ) og liten variasjon i kapasitans med frekvens og temperatur. Dielektrisitetskonstanten til polycarbonate ( WIKINIUM\_MATH\_PH\_328 = 3,0, så dimensjonare er ikkje så mykje større enn polyester. På trass av desse eigenskapane la den største produsenten av polycarbonate (Bayer) ned produksjone rundt år 2000. Så polycarbonate er i dag erstatta av andre materialar, som PPS.

##### Polyetylentereftalat (PTP)

Polyetylentereftalat vert produsert av biaksialt orientert polyetylentereftalatfilm. Berre metallisert typar er i produksjon. Dei har omlag same variasjon av kapasitans og tapsfaktor som PEN. Dei tåler høge nok temperaturar og vert nytta for overflatemonterte kondensatorar.

##### Polystyren (PS)

Polystyren, òg kalla «Styroflex», har svært låg tapsfaktor, låg lekasjestraum og liten variasjon i kapasitansen over eit stort temperaturområde. Polysterene høver svært godt for kritiske bruksområder, som filtere, S/H-krinsar, o.l., men dei dei tåler ikkje temperaturar over 85 °C og har for det meste vorte erstatta av polypropolyene. Polysterenekondensatorar har vore så godt som umulege å få tak i etter 2010.

##### Polytetrafluoreten (PTFE)

Polytetrafluoreten, kalla Teflon av produsenten DuPont, har svært høg isolasjonsmotstand og låg tapsfaktor ( WIKINIUM\_MATH\_PH\_330 ). Men dieletrisiteskonstanten er låg (rundt 2,1), så teflonkondensatorar har større volum enn andre filmkondensatorar. Materialet tåler temperaturar opp mot 250 WIKINIUM\_MATH\_PH\_332 C, men PTFT er vanskeleg å framstilla med konstant tjukkleik og prisen er høg. Det vert likevel produsert PTF-kondensatorar med kapasitans frå 1 nF til 2 WIKINIUM\_MATH\_PH\_334 . Overflatemonterte PTFT-kondensatorar vert berre produserte med kapasitans under 10 pF. På grunn av høg pris vert dei berre nytta i kritiske krinsar.

##### Papir (P)

Fig. 31 Papirkondensator med enkeltsidig metallisert papir, impregnert med isolerande olje.
Papir er ein god isolator og vert i nokon grad nytta som dielektrimum i kondensatorar for høge spenninar og store rippelstraumar. Som andre filmkondensatorar kan dei verta byggde opp ved å plassera papir mellom aluminiumselektrodar (papirarkkondensatorar), men det vanlegaste er metallisert papir, der papiret vert pådampa eit tynt metallskjikt (MP). Av di papir er porøst lyt det impregnerast for å hindre koronaeffekt og gjennomslag. Dette vert gjordt med smelta voks eller ulike typar olje, som mineralolje og silisiumolje. Fettstoffa aukar strekkstabiliteten, men reduserer til en viss grad dielektrisitskonstanten. Papir har WIKINIUM\_MATH\_PH\_336 og mineralolje har WIKINIUM\_MATH\_PH\_338 . Den resulterande dielektrisitetskinstanten ligg i området 3,1 til 4,5.

Papirarkkondensatorar er bygd opp av to aluminiumsfoliar og eit papirark, som illustrert i fig. 31. Papirarket og dei to aluminiumsarka vert rulla saman til ei sylindrisk form. For å beskytte dielektrikumet mot det ytre miljøet vert papirarket dekt med voks eller dynka med olje, og heile sylinderen vert belagt med voks eller plastharpiks for å beskytte han mot fuktighet i lufa. Dei to aluminiumsarka vert forbunne med kvar sin endeterminal. På grunn av at papiret er dynka med olje vert denne typen av og til kalla «papir i olje-kondensatorar».
I en metallisert papirkondensator er papiret belagt med eit tynt lag sink eller aluminium og rulla saman i form av en sylinder. Metalliserte papirkondensatorar er er mykje mindre enn papirarkkondensatorar. Dette er difor den mest brukte typen og reine papirarkkondensatorar vert skjeldan nytta i moderne utstyr. Men kombinert papir- og plastikkdielektrikum er vanleg.

Papirkondensatorar vert produserte med kapasitans frå 1 nF til 2 WIKINIUM\_MATH\_PH\_340 F. Dei vert nytta der ein treng kondensatorar som kan hansama store pulsforma spenning/straumar som X- og Y-kondensatorane i nettstøyfiltere.

Tabell 3 Eigenskapar til ulike dielektrikum nytta i dei vanlegaste filmkondensatorane.|  | Material |
| --- | --- |
| Parameter | PET | PP | PEN | PPS |
| Relativ dielektrisitetskonstant at 1 kHz | 3,3 | 2,22...2,25 | 3,0 | 2,2 |
| Minimum filmtjukkleik (μm) | 0,7...0,9 | 1,9...3,0 | 0,9...1,4 | 1,2 |
| Fuktigheitsabsorbsjon (%) | låg | <0,1 | 0,4 | 0,05 |
| Dielektrisk strength (V/μm) | ~580 | ~650 | ~500 | ~470 |
| Maks spenning (V/μm) | 280 | 400 | 300 | 220 |
| Likespenningsområde (V) | 50—1000 | 40—2000 | 16—250 | 16—100 |
| Kapasitansområde | 100 pF—10 μF | 100 pF—22 μF | 100 pF—1 μF | 100 pF—0.47 μF |
| Temperaturområde (°C) | -55 — +125 /+150 | -55 — +105 | -55 — +160 | -55 — +150 |
| ΔC/C variasjon med temperatur (%) | ±5 | ±2,5 | ±5 | ±1,5 |
| Tapsfaktor ( WIKINIUM\_MATH\_PH\_342 10−4) |
| ved 1 kHz | 50—200 | 0,5—5 | 42—80 | 2—15 |
| ved 10 kHz | 110—150 | 2—8 | 54—150 | 2.5—25 |
| ved 100 kHz | 170—300 | 2—25 | 120—300 | 12—60 |
| ved 1 MHz | 200—350 | 4—40 | – | 18—70 |
| Tidskonstant RIso•C (s) | ved 25 °C | ≥100000 | ≥10000 | ≥10000 | ≥10000 |
| ved 85 °C | 1.000 | 10.000 | 1.000 | 1.000 |
| Dielektrisk absobsjon ( %) | 0,2—0,5 | 0,01—0,1 | 1—1,2 | 0,05—0,1 |
| Spesifikk kapasitans (nF WIKINIUM\_MATH\_PH\_344 V/mm3) | 400 | 50 | 250 | 140 |

* Fig. 32 PET-kondensator.
* Fig. 33 PET-kondensatorar.
* Fig. 34 Ymse PET-kondensatorar.
* Fig. 35 Polyesterkondensatorar frå 1960-/ 1970-talet.
* Fig. 36 WIMA FKP 1 polypropolyenkondensatorar.
* Fig. 37 Sprague 715P polypropolyen.
* Fig. 38 Ein 10 nF polysterenkondensator frå 1970-talet.
* Fig. 39 WIMA metalliserte papirkondensatorar.

#### Glimmerkondensatorar

Fig. 40 1 nF, 500 V glimmerkondensatorar.
Glimmer, òg kalla kråkesølv, eller «silver mica», er bygd opp av glimmerskiver. Materialet vert splitta opp i tynne skiver av tjukkleis rundt 25 WIKINIUM\_MATH\_PH\_346 m, som vert belagt med sølv på begge sider. Komponenten vert deretter innkapsla i epoksy for å beskytta han mot miljøet. Glimmerskivene kan ikkje rullast saman, så komponentane vert bygd opp av ei eller fleire skiver.

Glimmerkondensatorer vert vanlegvis nytta der ein treng stabile, pålitelige kondensatorar med relativt små verdier, opp til 100 nF. Dei har liten tapsfaktorar og har difor høge WIKINIUM\_MATH\_PH\_348 -verdiar, som gjer at dei høver bra for høge frekvensar. Glimmerkondensatorar vert stort sett nytta i krinsar som arbeider med radiofrekvensar. Dei har den føremonen at kapasitanen er stabil over tid.

#### Keramiske kondensatorar

Fig. 41 Oppbygging av keramisk skivekondensator. 1) terminalar, 2) fenolomslag, 3) lodding. 4) sølvelektrode, 6) keramisk dielektikum.
Fig. 42 Oppbygging av MLCC-kondensator. 1) metallelektrodar, 2) keramisk dielektrikum, 3) metallkontaktar.
Fig. 43 Eldre røyrforma keramisk kondensator, produsert frå 1950- til 1970-talet.
Fig. 44 Variasjon av kapasitansen med spenninga for ulike MLCC-kondensatorar.
Fig. 45 Variasjon av kapasitansen med temperaturen for ulike keramiske kondensatorar .
Fig. 46 Samanheng mellom maks spenning og kapasitans for ulike keramiske kondensatorar.
Fig. 47 Aldring av keramiske kondensatorar.
Fig. 48 Oppbygging av diffusjonsbarrierekondensator.
Keramiske kondensatorar er bygd opp med mange ulike keramiske dielektrikum, som har det til felles at dei har svært høge dielektrisitetskonstantar (20 til 20.000). Dei fysiske dimensjonar er difor små, noko som gjer at dei høver gødt for kompakt elektronikk. Dei kan grovt delast i to typar: skivekondensatorar og multilags kondensatorar (MLCC). Kapasitansen til dei fleste keramiske kondensatorane ligg i området 0,5 pF til 1 WIKINIUM\_MATH\_PH\_350 F, men det finst nokre med kapasitans heilt opp i 100 WIKINIUM\_MATH\_PH\_352 F. Maks spenning varierer frå 2,5 V til 20 kV.

##### Skivekondensatorar

Skivekondensatorar er bygd opp på eit keramiske dielektrikum utforma som ei sirkulær eller firkanta skive, med elektrodar på kvar side. Dielektrikum er ofte bariumtitanatpulver, som vert pressa til skiver og herda ved høg temperatur. Elektrodane vert laga av eit pulverforma materiale som inneheld sølv og glas, plus eit organisk bindemateriale. Dette materialet vert plassert på det keramiske dielktrikumet ved hjelp av silketrykk. Komponentane vert deretter varma opp til glaset smeltar og elektrodematerialet festar seg til den keramiske skiva. Metalltrådar vert så lodda til elektrodane.

Skivekondensatorar er billige i produksjon, og bert nytta der pris er viktigare enn kvalitet. Dei siste åra har dei i stort mon vorte erstatta av overflatemonterte fleirlagskondensatorar av MLCC-typen.

##### Multilag keramiske kondensatorar (MLCC)

«Multilayer Ceramic Capacitors» (MLCC) er bygd opp av fleire lag med keramisk dielektrikum, med metallfilmelektrodar mellom, som vekslesvis er forbundne med dei to eksterne terminalane. Tidlege MLCC-kondensatorar hadde ofte frå 20 til 30 lag, men i dag vert det nytta heilt opp i 500 lag. Desse stablane vert så sintra til harde blokker. Endane på blokkene vert påført eit sølv-glass-materiale, som fungerer som terminalar, som illustrert i fig. 42.

Dei små dimensjonane til overflatemonterte MLCC-kondensatorar gjer dei attraktive for kompakt elektronikk, som til dømes i mobiltelefon, minnepinnar, øyrekanalhøgtalarar, høreapparat, etc. Dei blir òg nytta på hovudkortet både til stasjonære og bærbare datamaskinar, medisinsk elektronikk, etc. Andre viktige bruksområde er bil-, fly- og romfartindustrien. Det vert årleg produsert over WIKINIUM\_MATH\_PH\_354 MLCC-kondensatorar, noko som utgjer 80 % av alle kondensatorar som vert produserte.

##### Røyrkondensatorar

I røyrkondensatorar er dielektrikumet utforma som eit røyr av keramisk materiale, som vist i fig. 43. Den indre og ytre overflata er belagt med sølvblekk, som fungerer som elektrodar. Denne typen er no forelda, men var tidlegare vanleg i mellom anna røyrforsterkarar.

##### Kvalitetsklassar

EIA har definert fire klassar (I, II, II og IV) for keramiske kondensatorar, basert på typen dielektrikum og eigenskapar, men klasse IV er skjeldan i bruk.

###### Klasse I (C0G/NPO)

Klasse I C0G (C-Zero-G) eller NPO (Negative-Positive-Zero) vert kalla ultrastabil, og er den klassen som har best kvalitet. Dei vert produserte med kapasitansar i området 1 pF til 100 nF og toleransane er typisk 5 %. Som dielektrikum vert det nytta magnesiomtitanat, som har ein positiv temperaturkoeffisient og kalsiumtitanat, som har negativ temperaturkoeffisient. Ved å kombinera desse kan oppnår ein ein dielektrisitetskontant på 5 til 150, og ein temperaturkoeffisient mellom +50 og -5000 ppm/°C. Andre dielektrikum er rutil, perovskitt og ritanitt, i ulike blandingar. Som fig. 44 og 45 syner er kapasitansen uavhengig av spenninga over komponenten og temperaturen. Fig. 46 syner at komponentar med liten kapasitans tåler høgare spenningar enn stor kondensatorar. C0G/NPO-kondensatorar er svært stabile over tid, som vist i fig. 47.

COG/NPO har mykje av dei same eigenspane som polypropolyenlondensatorar, men etter som dielektrisitetskonstanten er større og av di dei vert produserte som overflatemonterte komponentar er dei fysiske dimensjonane mindre. Av den grunn har dei har fått stor utbreiing der ein har lite plass til rådvelde. Tapsfaktoren WIKINIUM\_MATH\_PH\_356 .

###### Klasse II (X7R)

Klassse II og III har typebetegnelsar sett saman av tre siffer (bokstavar eller tal). Det fyrste sifferet syner til den lågaste temperaturem kondensatoren tåler; til dømes står bokstaven X (som i X7R, X5R) –55 °C. Det andre sifferet syner til maksimumstemperaturen; til dømes står 5 (som i X5R) for 85 °C, og 7 (som i X7R) svarar til 125 °C.

X7R nyttar eit ferroelektrisk dielektrikum, som kan ha dielektrisitskonstant frå 20 til 20.000, so dei har svært små dimensjonar. Tapsfaktoren varierer frå 0.01 til 0.03. Men kapasitansen og tapsfaktoren varierer meir med temperaturen enn C0G/NPO. Det tredje sifferet syner kor mykje kapasitansen kan endra seg over temperaturområdet til komponenten. Spesifikasjonen for R-kondensatorer (som X5R og X7R) er ±15 %. Fig. 45 syner at kapasitansen til X7R har liten variasjon når temperaturen endrar seg, men dei er ikkje like bra som C0G. Ei ulempe med denne typen er at dei er piezoelektriske, så om ei er plasserte på eit krinskort som vibrerer kan dei generera elektrisk støy. Tilsvarande kan ei tidsvarierande elektrisk spenning over komponenten genera akustisk støy.

###### Klasse III (Z5U, Y5V)

Z5U/Y5V har svært stor variasjon i kapasitansen med temperaturen. Kapasitansen til komponentar med ein kode som sluttar på V kan verta redusert med så mykje som 82 %! Så Y5V-kondensatorer ikke er så populære. Dei vert som oftast berre nytta i utstyr som arbeider med konstant romtemperatur. Diffusjonsbarrierkondensatorar, eller halvleiarkondensatorar, fig. 48, er døme på klasse III-kondensatorar. Dielektrikumet er eit dopa ferroelektriske materialer som bariumtitanat. Dielektrisiteskonstanten kan vera opp mot 50.000, så kondensatorane har svært små dimensjonar. Men dei er ulineære og har stor variasjon i kapasitansen når spenninga eller temperaturen varierer. På grunn av dei dårlege eigenskapane er dei stort sett erstatta av MLCC-kondensatorar.

* Fig. 40 To keramiske platekondensatorar.
* Fig. 50 Overflatemontert MLCC-kondensatorar på eit krinskort.
* Fig. 51 Overflatemontert MLCC-kondensator på eit krinskort. Den grøne klumpen mellom komponenten og kortet er lim, som held komponenten på plass under lodding. Dei mørkgrå felta er loddetinn.
* Fig. 52 Overflatemonterte MLCC-kondensatorar på eit krinskort.
* Fig. 53 MLCC-kondensatorar nytta for lokal avkopling for ein mikroprosessor.
* Fig. 54 Keramisk høgfrekvens gjennomførings-kondensator.

##### Keramiske effektkondensatorar

Keramiske kondensatorar som skal handsama stor effekt (over 200 VA) har i grove trekk same type dielektrikum som småsignalkondensatorane. Maks spenning for slike kondensatorar går frå 2 kV opp til 100 kV. Men av historiske grunnar har dei ein eigen klassifisering. Effektkondensatorane vert nytta i til dømes radiosendarar, radar etc. Fig. 55 til 58 syner nokre døme.

* Fig. 55 Dørknoppforma høgspennings keramisk kondensator.
* Fig. 56 Skiveforma keramisk kondensator.
* Fig. 57 Moderne røyrforma keramisk kondensator.
* Fig. 58 Skiveforma keramiske effektkondensatorar i ein radiosendarstasjon.

#### Variable kondensatorar

Fig. 59 Prinsippskisse for ein variabel kondensator.
Kondensatorar med variabel kapasitans vert nytta når ein treng å endra kapasitansen. Dei er bygde opp av ei statisk plate og ei plate som kan roterast og slik endra arealet som overlappar den statiske plata, som illustrert i fig. 59.
Eit døme på bruk er når ein ynskjer å justera kapasitansen, til dømes for å endra inn resonansfrekvenen til ein svingekrins. I eldre radiomottakarar vart det nytta variable kondensatorar av typen vist i fig. 60. Når ein berre treng ei lita endreing vert det nytta sokalla trimkondensatorar, som vist i fig. 61. Etter som variable konensatorar nyttar luft som dielekrikum er kapasitansen liten. For å auka kapasitansen vert det som oftast nytta fleire plater, som vist i fig. 60 og 61. I modene elektronikk har variable kondensatorar vorte skjeldne.

* Fig. 60 Variabel kondensator.
* Fig. 61 Trim-kondensatorar.
* Fig. 62 Eit utval eldre variable kondensatorar.

### Polariserte typar

Fig. 63 Krinssymbol for polariserte kondensatorar. Venstre: polarisert, høgre: bipolar.
Fig. 64 Klassifisering av elektrolyttar.
Polarisert kondensatorar har ein positiv og ein negativ terminal og det er viktig at dei vert koplet med rett polaritet. For å skilja dei frå upolarisert kondensatorar i eit krinskjema nyttar ein symbolet til venstre i fig. 63. Det er tre hovetypar:

* Aluminiumelektrolyttar
* Tantalelektrolyttar
* Niobiumoksid

Innan kvar av desse hovudgruppene er det fleire variantar, som vist i fig. 64, tilpassa ulike bruksområde. Som andre kondensatorar lagrar dei energi i eit elektriks felt. Tabell 4 samanfattar nokre eigenskapar for polariserte kondensatorar.

Tabell 4 Eigenskapar til ulike polariserte kondensatorar.|  | Dielektrikum |
| --- | --- |
| Parameter | Aluminiumoksid | Tantaloxid | Niobiumoksid |
| Relativ dielektrisitetskonstant at 1 kHz | 8...10 | 10...27 | 41 |
| Feltstyrke (kV/cm) | 6.600...7700 | 6.250...10.000 | 4000 |
| Feltstyrke (V/μm) | ~580 | ~650 | ~500 |
| Feltstyrke (nm/V) | 1,1...1,5 | 1m4 | 2,5 |

#### Aluminiumelektrtolyttar

Fig. 65 Oppbygging av ein aliminiumelektrolytt.
Fig. 66 Oppbygging av anode-elektrolytt-katode i ein aluminiumelektrolytt.
Fig. 67 Oksidsjiktet på anoden vert danna ved å påføra ei spenning med ei strømkjelde.
Fig. 68 Anodeoverflate til aluminiumelektrolytt når forminga av overflata er utført med låg spenning (venstre) og høg spenning (høgre).
Fig. 69 Samanhengen mellom tjukkelsen til oksydfilmen og formasjonsspenninga for amorf- og krystallanalode.
Fig. 70 Samanlikning av impedansane til aliminiumelektrolyttar og MLCC-kondensatorar.
Fig. 71 Typisk variasjon av impedansen med temperaturen.
Fig. 72 Typisk variasjon av kapasitansen med frekvensen.
Fig. 73 Typisk variasjon av kapasitansen til aluminiumelektrolyttar med temperaturen.
Fig. 74 Lekasjestraum som funksjon av tid for ulike elektrolyttypar.
Fig. 75 Rippelstraum fører til varmgang i kondensatoren. Den termisk energien vert redusert via konveksjon og stråling.
Aluminiumelektrokyttkondensatorar (ofte berre kalla elektrolyttar) er som andre kondensatorar sett saman av to elektrisk leiande materialar (aluminium) med eit dielektrikum mellom. Kondensatorane er polariserte, med ein positiv pol kalla anoden og ein negativ pol kalla katoden. Anoden er ein WIKINIUM\_MATH\_PH\_358 tjukk aluminiumsfolie, med ein tynn aluminiumoksydfilm (Al2O3) på overflata. Det er denne oksydfilmen som tener som dielektrikum. Fig. 65 syner korleis dei ulike laga vert rulla saman til ein sylindrisk komponent.

Likning (**2**) syner at kapasitansen er proportional med arealet til platene (folien). For å auka det effektive arealet til anoden er han sintra, eller etsa, for å skapa ei ru overflate, som illustrert i fig. 66.
For å danna kontakt med den ru overflata på anoden vert det nytta ei leiande væske, kalla elektrolytt. Det er denne elektrolytten som er opphavet til betegnelsen «elektrolyttkondensator». Ein annan aluminiumsfolie, kalla katoden, tener til å skapa kontakt mellom elektrolytten og den negative terminalen. Katodefolien har ein tjukkleik på 15 til 120 WIKINIUM\_MATH\_PH\_360 m, avhengig av kva spenning og straum kondenatoren er dimensjonert for. Som anoden har han ei ru overflate, som illustrert i fig. 66. Den flytande elektrolytten vert heldt på plass av eit tynt porøst papirark, plassert mellom anoden og katoden, som illustrert i fig. 60 og 61. Papirarket har òg som oppgåve å hindra at anoden og katoden kjem i galvanisk kontakt med kvarandre.

Det går vidare fram frå (**2**) at kapasitansen er invers proportional med distansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_362 mellom metallplatene, som her er aluminiumsfoliane til anoden og katoden. Distansen, som er tjukkelsen til oksidskjiktet er berre nokre nm, så sjølv om diekektrisitetskonstanten WIKINIUM\_MATH\_PH\_364 til aluminiumoksyd berre er 8,5 (som er mykje mindre enn for mange keramiske dielektrikum) fører det tynne oksydskiktet til at elektrolyttar har stor kapasitans i høve til volumet.

Anodenfolien vert laga av ekstremt reint aluminium. Det effektive arealet til folien kan aukast med ein faktor på opptil 200 ved elektrokjemisk etsing. Dei aller fleste aluminiumelekrolyttane har difor etsa anodar. Sjølv om dei elektriske egenskapene til glatte (ikke-etsa) anodar kan vera betre fører det til at kondensatorane vert større, så glatte anodar vert berre nytta i spesialkondensatorar.

Dielektrikumet vert danna ved anodisk oksidasjon som bygger opp et aluminiumoksidlag på folien, ved at anoden vert valsa i eit elektrolyttbad, samstundes som det går ein likestraum gjennom filmen og badet, som illustrert i fig. 67.
Straumen vert nøye kontrollert, og prosessen vert gjenteken til formasjonsspenninga WIKINIUM\_MATH\_PH\_366 når opp til eit nivå noko over maks arbeidsspenning. Prosessen er i praksis komplisert og vert berre utført av nokre få folieprodusentar, som leverer foile til kondensatorprodusentane. Fig. 68 syner korleis overflata ser ut etter forming med låg respektivt høg spenning. Fig. 69 syner korleis tjukkelsen på oksydskiktet vert kontroller med formasjonsspenninga WIKINIUM\_MATH\_PH\_368 , for to ulike typar oksyd: amorf (metallisk glas) og krystallisert oksyd. Vi ser at den spesifikke kapasitansen WIKINIUM\_MATH\_PH\_370 minkar når tjukkelsen på oksydskjiktet aukar. Dette er grunnen til at elektrolyttar for høge spenningar er større enn lågspenningselektrolyttar. Katodane vert etsa, men ikkje forma i eit elektrobad, så dei er ikkje like ru som anodane, som vist i fig. 66.

##### Elektrolytt

Electrolytten er anten ei væske eller ein polymer med ein høg konsentrasjon av ei eller anna for for jarn. I moderne elektrolyttarvert det nytta tre ulike væsker:

* Elektrolyttar basert på borsyre eller benzosyre oppløyst i etylenglykol eller glyserin og vatn. Men i desse elektrolyttane kan det oppstå ein uønska kjemisk reaksjon mellom krystalla og vatnet, som bryt ned elektrolytten. Slike «standardelektrolyttar» har likevel lenge vore i bruk på grunn av låg pris. Dei inneheld mellom 5 og 20 % vatn, og kan brukast med temperaturar opp til 85 °C eller 105 °C og spenningar opp til 500 V.
* Elektrolytter utan vatn, basert på organiske løysemidlar, som dimetylformamid, γ-butyrolakton eller dimetyletanamid. Denne typen høver for temperaturomrar opp til 150 °C, har liten lekkasjestraum og held betre på ladninga.
* Vasbaserte elektrolyttar med opp til 70 % vatn fører til etter måten låg ESR, og høver for bruksområde der kondensatorane vert utsette for høg rippelstraum og spenningar opp til 100 V.

Elektrolytten er etsande og ein bør akta seg så ein ikkje får han i augo om det oppstår lekasje.

##### Impedans

I ein elektrolytt er ESR sett saman av motstanden i anode, elektrolytt og katode, som illustrert i fig. 76. Storparten av ESR stammar frå motstanden WIKINIUM\_MATH\_PH\_372 elektrolytten, som er ein mykje dårlegare leiar enn metall. I tillegg kjem motstanden i anoden WIKINIUM\_MATH\_PH\_374 og katoden WIKINIUM\_MATH\_PH\_376 , plus motstanden i leiarane ut til terminalane. Sidan elektrolyttar ofte er fysisk større enn film og keramiske kondensatorar har dei òg større ESL.

For å redusera ESR og ESL vert det nytta fleire foliar mellom anode, katode og terminalane, som illustrert i fig. 77. Elektrolyttar har likevel større ESR enn film og keramiske kondensatorar, så WIKINIUM\_MATH\_PH\_378 -verdiane er mindre, noko ein tydeleg ser frå impeansekurvene i fig. 70. At ESL er større fører òg til at resonansfrekvensane er mykje lågare enn for MLCC-kondensatorane i fig. 70. Impedansen til elektrolyttar varierer òg mykje meir med temperaturen enn foliekondensatorar, som vist i fig. 71.

* Fig. 76 Skjematisk framstilling av korleis motstanden til anode, elektrolytt og katode bidreg til ESR.
* Fig. 77 Viklingane til ein aluminiumelektrolytt med mange forbindelsesfoliar.

##### Bipolare elektrolyttar

Om ein elektrolytt vert utsett for ei reversspenningar på over 1,5 V det gå ein straum på fleire hundre ampere, noko som vil øydelegga komponenten. Når elektrolyttar skal nyttast for vekselspenning kan ein seriekopla to elektrolyttar som er snudd i kvar si retning, med katodane mot kvarandre. Ein har då to seriekopla kondensatorar, så kapasitansen vert halvert, jfr. (**30**). Katodane treng då ikkje å forbindast til ein terminal, så dei vert flytande og kan sløyfast. Elektrolytten vil då fungera som katode for begge kondensatorane. Dei to kondensatorane vil då veksla på å fungera som ein normal elektrolytt, og reversspenninga til den andre vil ikkje overstiga 1 V.

Bipolare elektrolyttar vert ofte nytta som startkondensatorar for einfasa induksjonsmotorar. Dei har òg vore nytta i passive delefiltere i billige høgtalarar. Men elektrolyttar er i noko grad ulineære og genererer forvrengning, så dei høver dårleg i delefiltere. Før det vart vanleg med push-pull-trinn i utgangen av effektforsterkarar vart dei nytta som koplingskondensatorar for å hindra at høgtalarane vart utsette for likespenning. Men etter som dei er ulineære vil dei generera forvrengning og dette vert i dag rekna som ei utdatert løysing.

##### Andre eigenskapar

Fig. 72 og 73 syner døme på variasjon i kapasitansen som funksjon av frekvens respektivt temperatur. Variasjonen er mykje større enn for filmkondensatorar, og det er ofte stor skilnad på ulike typar.

Elektrolyttar har større lekasjestraum enn film og keramiske kondensatorar. Kor stor lekasjestraumen er varierer med typen elektrolytt, som illustrert i fig. 74. Lekkasjestraumen aukar på grunn av kjemiske prosessar i dielektrikumet når det ikkje ligg spenning over kondensatoren. Lekasjen er difor størt rett etter oppladning, for så å avta. Reduksjonen er størst dei fyrste 10 min, men det kan ta opp til ein time før han er heilt stabil. I polymerelektrolyttkondensatorar avtek lekasjestraumen snøggare enn i dei andre typane, men etter at han har stabilisert seg er han noko høgare enn i dei andre typane. Grunnen til at lekasjestraumen avtek er at oksidfilmen byggjer seg oppat når det vert påført ei spenning over kondensatoren. Elektrolyttar er difor til ein viss grad sjølvlækjande. Elektrolyttar i utstyr som ikkje har vore i bruk på lang tid kan av og til «reparerast» ved å legga på ei gradvis aukande spenning.

##### Stabilitet og levetid

Når elektrolyttar vert nytta for vekselstraum, eller i likerettarar med store rippelstraumar vil effekttapet i ESR føra til varmgang. Det er då viktig at kondensatorane er monterte slik at dei vert avkjølte av ein luftstraum, jfr. fig. 75. Elektrolyttkondensatorar varer lengre ved god avkjøling. Levertida kan òg forlengast om spenninga er lågare enn dei er spesifiserte for. Men ein betaler då ein pris i form av større dimensjonar.

Om aluminiumelektrolyttar utviklar feil kan elektrolytten ekspandera slik at kapslinga eksploderer. Store elektrolyttar har ein propp i lokket som sprett ut om trykket vert for høgt. Noko av elektrolytten sprutar då ut og komponentet lyt byttast. Små elektrolyttar har ofte ei svekking i botnen i staden, som vist i fig. 78.

* Fig. 78 Oppgåva til linjene i botnen på kapselen er laga for å svekka kapselen, slik at det er botnen som fyrst gjev etter om trykket vert for stort.
* Fig. 79 470 WIKINIUM\_MATH\_PH\_380 F / 450 V aluminiumelektrolytt-kondensator montert på eit krinskort.
* Fig. 80 10.000 WIKINIUM\_MATH\_PH\_382 F / 40 V aluminiumelektrolytt-kondensator.
* Fig. 81 Aluminium-elektrolyttar med skruvterminalar.
* Fig. 82 2500 WIKINIUM\_MATH\_PH\_384 F / 50 V elektrolytt med skruvterminalar og monteringsklemme.
* Fig. 83 10 WIKINIUM\_MATH\_PH\_386 F / 150 V aksiale aluminiumelektrolytt-kondensatorar.
* Fig, 84 Polymerelektrolytt for holmontering i krinskort.
* Fig. 85 Elektrolyttar av ulik storleik.

#### Tantalkondensatorar

Fig. 86 Oppbygging av tantalkondensator med væskeelektrolytt.
Fig. 87 Oppbygging av faststoff tantalkondensator.
Fig. 88 Elektronmikroskopopptak av tantalpulver av ulik kornstorleik.
Fig. 89 Skematisk framstilling av sintra tantalkondensator.
Fig. 90 Konstruksjon for å redusera ESL (venstre) i ein tantalkondensator.
Fig. 91 Multianode konstruksjon.
Anoden i tantalkondensatorar er laga av tantal og ein tynn oksidfilm (Ta2O5) på overflata tener som dielektrikum. Tjukkelsen på oksidfilmen er avhengig av spenning, og er rundt 1,4 nm/V. Katoden er vanlegvis laga av mangandioksid, som er ein god leiar. Det finst fleire typar tantalkondensatorar, med dei kan grovt klassifiserast etter elektrolytten, som kan vera ei væske (svovelsyre) eller eit faststoff. Faststoffelektrolyttar er anten mangandioksid (MnP2) eller eit polymer. Oppbygginga av tantalkondensatorar med væskebasert og faststoffelektrolytt er vist i fig. 86 respektivt fig. 87. I standen for kjemisk etsing før oksidlaget vert lagt på, som i aluminiumelektrolyttar, vart tantalmetallet gjordt om til eit pulver som så vert sintra til posør plugg. Fig. 88 syner elektronmikroskopopptak av tantalpulver av ulik kornstorleik. Oksidlaget vert så danna i ein elektrokjemisk prosess. Både dei indre og ytre overflatene av korna får slik eit tynt oksidlag

Dei vanlegaste tantalkondensatortypane kan ikkje nyttast for spenningar over 35 V, og sume typar har ei øvre grense på nokre få volt, men det finst òg variantar som tåler opp til 100 V. På same vis som aluminiumelektrolyttar er dei polariserte og tåler ikkje reversbias; det hender dei eksploderer om spenninga vert reversert. Dei har mykje mindre ESR enn aluminiumelektrolyttar, så resonansfrekvensen er høgare og dei kan brukast lengre opp i frekvensområdet. Dei er òg mykje mindre enn aluminiumelektrolyttar og tåler temperaturar frå -55 °C til 125 °C. Lekasjestraumen er mindre enn for aluminiumelektrolyttar, men dublar seg for kvar 10 °C temperaturen aukar. Dei vert produserte i storleikar frå 100 nF til 10 mF.

At dei har små dimensjonar og tåler høge temperaturar gjer at dei høver godt for overflatemontering. Toleransane er typisk 10 % til 20 %. Tantalkondensatorar vert stadig vidareutvikla og det finst no typar som ikkje tek fyr eller eksploderer ved feil. På grunn av stor stabilitet og små dimensjonar vert dei nytta i bærbare datamaskinar, mobiltelefonar, minnepinnar, moderne bilar, etc. Ei ulempe er at prisane er høgere enn for aluminiumelektrolyttar, men for fly- og romfartindustrien er ikkje dette eit problem.

Tantalkondensatorar er meir stabile enn aluminiumelektrolyttar og har lengre levetid. Men levetida varierer med typen elektrolytt.

##### Væskebasert elektrolytt

Oppbygginga av ein tantalkondensator med væskebasert elektrolytt er vist i fig. 86. Anoden er laga av sintra tantalpulver og er omslutta av elektrolytten. Dielektrikumet er eit tynt oksidlag på overflata av tantalmetallet. Dielektrisitetskonstanten WIKINIUM\_MATH\_PH\_388 , som er høgare enn for aluminiumselektrolyttar. Den høge dielektrisitetskonstanten og det tynne dielektrikumet resulterer i små fysiske dimensjonar, som gjer denne typen attraktiv innan kompakt elektronikk. Katoden er laga av eit leiande materiale, som sintra tantal eller mangandioksid. ESR er mykje mindre enn for aluminiumselektrolyttar og ligg i området 0,5 til 3 WIKINIUM\_MATH\_PH\_390 .

Eit problem med flytande elektrolytt er at den elektriske leieevna går ned ved låge temperaturar. Eit anna problem er at elektrolytten lek ut etter som tida går, noko som påverkar levetida til komponenten. Sjølv om produsentane har lukkast med å forbetra tettinga er levetida til kondensatorar med flytande elektrolytt ikkje like lang som for komponenatr med faststoffelektolytt.

##### Mangandioksid elektrolytt

Mangandioksid(MnO2) er ein type faststoffelektrolytt som vert nytta i nokre tantalkondensatorar. Oppbygginga av ein slik kondensator er illustrert i fig. 89, der det går fram at oksidfilmen dekkjer overflata på korna i den sintra tantalpluggen. Mangandioksid er eit halvleiande materiale og det ligg eit tynt grafittlag på utsida av pluggen for å skapa god kontakt med katoden, som er laga av sølv.

Ein viktig eigenskap ved faststoffelektrolytten er at han ikkje tørkar ut, så levetida er lengre enn for kondensatorar med flytande elektrolytt. Dei er dessutan sjølvlækjande, på grunn av at oksygen i dielektrikumet sakte diffunderer inn i det reine tantalsubstratmetallet. Denne tendensen aukar eksponentielt når temperaturen stig og på grunn av det elektrisk feltet i dielektrikumet. Denne oksygendiffusjonen fører i utgangspunktet til at dielektrikumet får dårlegare isolasjonevne, slik at lekasjestraumen aukar, noko som etter ei tid kan føra til gjennomslag av dielektrikumet. Men mangandioksid er eit oksygenrikt materiale som er i stand til å forsyna dielektrikumet med oksygen som erstattar det som går tapt på grunn av didffusjonen. Resultatet er at det ikkje går ut over levetida til komponenten. Denne typen kondensator har har vist seg å fungert problemfritt i over 30 år.

Tantalkondensatorar med faststoffelektrolytt har betre elektriske eigenskapane enn versjonar med flytande elektrolytt, men dei er ikkje like gode som film og keramiske kondensatorar. På grunn av den porøse strukturen til tantalkondensatorar lyt ladninga tilført via terminalane leiast til det indre av strukturen gjennom elektrolytten. Elektrolytten har ein viss elektisk motstand, så det oppstår eit spenningsfall på vegen gjennom strukturen. I lågfrekvensområdet har ladninga tid til å trengja inn i kjernen, men kapasitansen og motstanden i elektrolytten dannar ein serie med RC-ledd, som fører til eit spenningsfall ved høge frekvensar, slik at mindre ladning når inn til kjerna i kondensatoren. Dette fører i sin tur til at kapasitansen fell av når frekvensen aukar. I høgfrekvensområdet er ESL eit problem, så produsentane utformar ofte komponentane slik at leiarane mellom terminalane og anoden og katoden vert så stutte som mogleg, som illustrert for ein overflatemontert tantalkondensator i Fig. 90. Fleire anodar, som illustrert i fig. 91, er ein annan metode som vert nytta.

##### Polymer elektrolytt

Denne typen nyttar ein leiande polymerelektrolytt, som har omlag 100 gongar betre leievne enn mangandioksid. Dette fører til at ESR ligg i området 10 til 500 m WIKINIUM\_MATH\_PH\_392 noko som gjer at dei tåler etter måten storr rippelstraum når dei vert nytta i likerettarar. Men dei kan ta skade ved svært rask opplading. Dei har òg låg lekasjestraum ved normal operasjon, men fyrste gongen dei vert opplada kan lekasjestraumen koma opp i mA-området; dette er noko ein lyt ta omsyn til ved val av kondensator.

Tantalkondensatorar med polymerelektrolytt har mykje lengre levetid enn aluminiumelektrolyttar, men ikkje like lang som mangandioksid. At dei i nokon grad er følsame for fuktigheit kan i enkelte bruksområder by på problem. Temperaturområdet går frå -55 °C til 125 °C. Ein attraktiv eigenskap er at ved feil vert det brot i standen for kortslutning.

* Fig. 92 Ulike typar og storleikar av tantalkondensatorar.
* Fig. 93 Små tantalkondensatorar for holmontering.
* Fig. 94 Aksial tantalkondensator.
* Fig. 95 Ulike storleikar av overflatemonterte tantalkondensatorar.
* Fig. 96 Overflatemontert tantalkondensator.

#### Niobkondensatorar

Fig. 97 Oppbygging av overflatemontert niobkondensatorar.
Niobelektrolyttar er laga av passivert niobmetall eller monoksid, og ein polymer eller MnO WIKINIUM\_MATH\_PH\_394 faststoffelektrolytt. Niobkondensatorar har stort sett sama type materialar som tantalkondensatorar, og vert framstilte omlag på same måte. Dei kjemiske eigenskapane er difor svært like. Niobpentoksid har større dielektritetskonstant enn tantalpentoksid, men tåler ikkje like høg spenning som tantalkondensatorar. Etter som energien lagra i ein kondensator er proportsjonal med kvadratet av spenninga (jfr. (**28**)) er energitettleiken noko mindre. Maksimal driftstemperatur er avgrensa til 105 °C, og lekkasjestraummen er 5–10 gong større enn for tantalkondensatorar. Niobkondensatorar vert difor litt større enn tantalkondensator som lagrar same energi ved høgare spenning. I motsetnad til tantal finst det store mengder niob og det er billiage enn tantal. Bruken av niobkondensatorar har difor auka dei siste tiåra.

* Fig. 98 Kjerna i iein ein niobkondensator består av sinta niob- eller niobmonoksidpulver.
* Fig. 99 Skjematisk framstilling av strukturen til ein sintra niobkondensator med faststoffelektrolytt.
* Fig. 100 Overflatemonterte niobkondensatorar.

## Nokre bruksområde

Fig 101 Samanlikning av kapasitansområde i høve til spenningsområde for ulike kondensatortypar.
Fig. 101 gir eit oversyn over kapasitansområde i høve til spenningsområde for ulike kondensatortypar. Med så stort utval av ulike kondensatorar er det rimeleg at det finst eit utal av ulike bruksområde. Det er difor ikkje mogleg å lista opp alle.

* **Nettfiltere**: For å hindra interference frå å trengja inn i elektronikk vert det plassert filere ved inntaket frå elnettet. Desse vert ofte kalla EMI/RFI-filtere. Etter som dei er kopla direkte til elnettet vert dei utsette for overspenningar, som kan oppstå når stor effekt vert svitsja inn/ut i nærmiljøet, til dømes elektriske motorar. Spenningstransientar på grunn av lynnedslag er heller ikkje uvanlege. Kondensatorane som vert nytta i EMI-filtere er konstruerte for å handsame spenningar på fleire kV, og vert kalla X- og Y-kondensatorar. X-kondensatoren er kopla mellom fasane og Y-kondensatoren mellom nøytral og jord.

* **Glattekondensator**: I elektonisk utstyr står det alltid ein stor kondensator mellom forsyningsspenninga og jord, rett etter likerettaren, fyrst og fremst for å fjerna rippel, men òg høgfrekvent støy frå likerettarane. Når kondensatorar vert nytta på denne måten, kallar ein dei for glattekondensatorar, eller avkoplingskondensatorar. Dei lyt ha stor kapasitans, så det vert nytta aliminiumelektrolyttar. På grunn av at elektrolyttar har stor ESR og difor noko låg resonansfrekvensm kan det vera nyttig å setta ein mindre film- eller keramikkkondensator i parallel med elektrolytten, slik at høgfrekvet støy vert kopla til jord.

* **Lokal avkopling**: Når ein komponent på eit krinskort trekkjer ein pulsstraum vil induktansen i leiarane mellom spenningsregulatoren og komponenten føra til eit spenningsfall, som kan gjera at komponenten fungerer dårleg, eller ikkje i det heile. For å unngå dette vert det plassert små kondensatorar tett på forsyningspinnane på krinsane. Strumpulsane trekker då energi frå dess, og ein unngår spenningsfall. Digital ekektronikk, som mikroprosessorar og mikrokontrollerar treng mange avkoplingskondensatoarar, som vist i Fig. 53. AD- og DA-omformarar er òg svært følsame for lokale spenningsfall og treng avkoplingskondensatoar tett på forsyningspinnane.

* **Koplingskondensator**: Ein kondensator kopla i serie vert ofte nytta for å blokkera likespennings, samstundes som høgfrekvente signal slepp gjennom. Ein slik kondensator vert kalla ein kopplingskondensator.

* **Analog signalhandsaming**: Innan analog signalhandsaming vert kondensatorar nytta både i passive- og aktive filtere. Kondensatorar er mindre utsett for å verta påverka av elektrisk støy enn spolar og vert difor føretrekte i aktive filtere (i passive filtere med orden større enn ein kjem ein ikkje unna spolar). Kondensatorar inngår òg i integratorar, derivatorar, timerar, S/H.krinsar, presisjonslikerettarar, etc. Inann signalhandsaming vert det ofte nytta polypropolyenkondensatoar, men C0G/NPO keramiske kondensatorar høver òg bra når det handlar om små verdiar.

## Sjå òg

* Kapasitans
* RC-ledd
* Elektrokjemisk kondensator
* Spole

## Referansar