Kondensator (elektrisk)

Reaktansen, kapasitansen

Reaktansen  for en kondensator kalles kapasitansen, og dens verdi, kapasiteten, måles i Ohm, eller Ω. (For en spole, som oppviser en induktivitet, kalles reaktansen en induktans.)
Kapasiteten kan kalles vekselstrømsmotstanden for kondensatoren. Fra formelen ses at reaktansen avtar i verdi ved stigende frekvens; den er omvendt proporsjonal med frekvensen. Jo høyere frekvens, jo bedre leder kondensatoren strøm.
Fra formelen  ses at strømmen i kondensatoren er størst når spenningen over den stiger hurtigst. Med en sinusspenning påtrykt kondensatoren er strømmen størst når  er størst, noe som skjer når spenningen stiger og går fra en negativ verdi gjennom 0. Når spenningen når toppen er stigningen  lik null og strømmen er da null. Fasen mellom strøm og spenning er derfor alltid 90 grader fra hverandre, eller radianer.
At kapasitansens strøm ligger foran spenningen i illustrasjonen, fører til at reaktansen for en kondensator får et negativt fortegn. For en spole kommer spenningen først, og fortegnet for reaktansen blir positivt.
Når en resistans tilføyes reaktansen (her: kapasitansen) danner disse to komponentene sammen en motstandstype mot strømledningen som er en mellomting mellom resistans og reaktans, kalt en impedans.

Opplading og utlading av en kondensator

Fra formelen , som kan skrives  ses at spenningen over en kondensator stiger med en hastighet som er proporsjonal med tilført likestrøm I og omvendt proporsjonal med kapasitetens størrelse C.
Det er ofte praktisk å lade opp en kondensator gjennom en motstand, eller resistans, fra en spenningskilde. Når kondensatoren er tom, altså har UC = 0 spenning over seg ved oppladingens begynnelse, blir startstrømmen I lik U/R, der U er spenningskildens spenning og R er resistansens verdi.
Med denne verdien for strømmen I = U/R ville spenningen stige linjært som dUC/dt = konstant = U/(R*C). Spennungen UC ville bli lik kildespenningen U på tiden dt = (R*C*dUC)/U, som blir dt = R*C, siden spenningsendringen dUC er lik kildespenningen U. Det ville altså tatt R*C sekunder for å fylle kondensatoren opp til kildespenningen U.
Men dette skjer ikke i praksis. Spenningen over kondensatoren begynner å stige. Dette fører inidlertid til at spenningen som ligger over motstanden etter hvert synker og blir UR = U - UC. Strømmen blir tilsvarende like mye mindre, som I = (U - UC)/R. Strømmen avtar derfor etter hvert, ladningen går saktere og saktere, men over lang til vil UC ende på U og strømmen er da blitt 0. Men dette tar mye lengre tid enn den teoretiske tiden t = R*C som nevnt over.
Funksjonene som oppladningen følger er vist nedenfor som 1. for kondensatorspenningen, 2. for spenningen over resistansen:
der t er tiden fra starten t = 0 i sekunder. Summen av funksjonene 1. og 2. er lik U.
Ved tiden t = R*C er kondensatoren ikke fylt til U, som den ville vært hvis startstrømmen ble vedvarende, men bare til 0.632 U, som er (1 - 1/e)*U. Produktet R*C beskriver hvor fort en kondensator C blir ladet til 63.2 % av U med en gitt resistans R.
Tiden er viktig i beregninger og har fått betegnelsen tidskonstanten for R-C-kombinasjonen.
Når R-C koplingen brukes som et filter for AC-signaler og kilden er en spenningskilde, blir grensefrekvensen , eller .
Ved utlading av en kondensator C med en resistans R blir tidsforløpet av kondensatorspenningen likt med tidsforløpet av resisstansspenningen ved opplading. Etter tiden R*C er spenninger sunket fra 100 til 36.8 %.

Karakterisering av komponenten kondensator, teksting

Her nevnes de egenskapene ved komponenten kondensator som er viktige nok til å være del av merkingen. Det er bare ikke-SMD-typer som kan ha plass til alle disse data. For SMD-typer kan ikke spesifikasjonene leses ut.

Kapasiteten

Denne verdien er den som får den største skriften. Verdien mF er ikke i praktisk bruk, det brukes heller uF, som eksempelvis 47000 uF. For noen små typer, særlig noe eldre, brukes uuF for pF. F-en er ofte utelatt. Av og til er også alle bokstaver utelatt, da gjelder uF eller pF. Multiplikatorbokstaven kan brukes som komma, som 6n8 for 6.8 nF. Dette for å unngå at et lite punktum blir oversett. Kapasiteten kan også være gitt med fargekoder.
Verdiene er oftest finne i E6-rekken med seks verdier per dekade: 1, 1.5, 2.2, 3.3, 4.7, 6.8, (10).

Toleranse

Med toleranse menes kapasitetsverdiens nøyaktighet. Den er ofte +/-5, 10 eller 20 %. For elektrolyttverdier kan + og - verdiene være forskjellige, som +50/-20 %.

Maksimal spenning

Foruten kapasiteten karakteriseres en kondensator som komponent av maksimal tillatt spenning mellom polene, eller platene. Når spenningen, og derved feltstyrken, blir stor nok vil dielektrikumet oppleve et såkalt overslag; en kanal som oppstår i dielektrikumet blir plutselig godt ledende og all energi fra kondensatoren tømmes over denne lederen. Alt etter mengden av lagret energi kan denne hendelsen være ganske dramatisk. Hendelsen er til vanlig destruktiv når det ikke skjer i vakuum eller i en gass. Et slikt overslag skjer også i vakuum når feltstyrken blir noe større enn 1000 V/mm.
Merkingen er et tall, og bokstaven V kan være angitt eller ikke.

Temperaturområde

Dette blir ofte angitt for elektrolyttkondensatorer. 80 og 120 grader C er typiske verdier for maksimal langtidstemperatur.

Skjerm

Terminalen som er koplet til det ytterste sjiktet i en rullet foliekondensator er angitt med en ring nær denne enden. Terminalen på denne siden kan koples til jord for å virke som skjerm for kondensatorens signal på den andre terminalen. Signalet vil da forstyrres og forstyrre minimalt.

Merkevarenavnet

Merkevarenavnet kan være angitt.

SMD-kondensatorer

Moderne kondensatorer fremstilles for å loddes direkte på printkortets overflate, de har altså ingen tilledninger. De lages så små som mulig. Materialet for ikke-elektrolytter er alltid keramisk og kondensatoren er bygd opp med masse tynne stablete sjikt. Elektrolyttkondensatorer baserer seg på transisjonsmetallet tantal, et grunnstoff. Kvaliteten på kondensatorene er delt i to hovedgrupper av EIA-spesifikasjoner og i IEC 60384-8/9/21/22; klasse 1 (gode) og klasse 2 (dårligere). For klasse 1 er spesifikasjonene NP0 og C0G i bruk. En typisk klasse 2 spesifikasjon er X7R, men det fins mange flere. Hovedsakelig er temperaturkoeffisienten spesifisert; den utgjør nullen i betegnelsen NP0 og C0G. Ellers er parametre som kapasitetsvariasjon med tilført spenning viktig fordi den sier noe om hvor mye forvrengning kondensatoren kan innføre. Frem til nylig (2008) var det ikke mulig å lage klasse 1 SMD kondensatorer med verdier over cirka 4.7 nF. Nylig (2008) er det imidlertid kommet små klasse 1 kondensatorer på markedet, med verdier opp til cirka 220 nF i 25 og 50 V utførelser.
Typisk blir klasse 2 kondensatorer brukt til avkoplinger og andre ukritiske formål, mens klasse 1 brukes i signalveier og for stabil tids- eller frekvensstyring. X7R-typer har langt mindre volum enn NP0-typer for samme kapasitet og maksimalspenning, og også lavere pris.
Målene sett ovenfra («footprint») er gitt i tusendels tommer (0.0254 mm) som LengdeBredde. 0404 ville slik bety ca 1×1 mm. 0805 og 0603 er små verdier, 1210 en noe større.

Elektrolyttkondensatorer

For å oppnå store kapasitetsverdier på små volum er det tre veier å gå: 1) Å bruke et materiale med svært høy permittivitet (dielektrisitetskonstant). 2) Å få ned avstanden mellom platene. 3) Å få opp platenes arealer.
Den første metoden brukes blant annet i små, moderne, overflatemonterte komponenter med høyperimittive keramiske stoffer. De er ikke elektrolyttkondensatorer.
De to siste metodene er samtidig i bruk i såkalte elektrolyttkondensatorer. En elektrolytt er en løsning av et stoff som i vann spaltes i ioner, som en syre eller base, og som derfor leder elektrisk strøm godt. Man lar elektrolytten kjemisk danne et n-atomtykt ikke-ledende sjikt på den ene kondensatorpolen og selv opptre som intern leder med kontakt til den andre polen. (n er et lavt tall.) Flatene er gjort svært skrukkete, eller matte, ved etsing for å øke den effektive overflaten. Kondensatorer fremstilt på denne måten er polariserte; de tåler likespenning i kun en gitt retning. Feilpolarisering vil kunne skade komponenten permanent. Tilkoplingene er merket med + og -. Det går ikke DC strøm igjennom en kondensator, men ved oppladning og utladning kan det gå strøm i begge retninger i tilkoblingene til kondensatoren.
Elektrolyttkondensatorer er noe mere begrenset i frekvensområdet enn andre kondensatorer. Over frekvenser rundt 1 MHz blir den beheftet med tap. I apparater hvor kondensatoren også skal avkople høyere frekvenser, bør den parallellkoples med en annen type kondensator med lavere verdi.
Elektrolyttkondensatorer kan skades ved lang tids lagring (år). Ved fremstillingen blir sjiktet dannet ved at kondensatoren blir gitt en spenning. Uten bruk i lang tid vil sjiktet kunne skades av elektrolytten. I apparater som har stått ubrukte lenge vil elektrolyttkondensatorene lett kortslutte ved påslag. Langsom økning (i løpet av timer) av driftsspenningen kan kunne redde dem fra dette.

Variabel kapasitet

Det fremstilles kondensatorer som har variabel, innstillbar kapasitet. Opp til 1970-årene ble slike kondensatorer laget mekanisk, men slike er ikke i bruk lenger, kanskje med unntak av i effektsendere. Også i dag stilles mottakerfrekvenser, som ved satelittsignaler og DAB-radio, inn med LC-resonanskretser, men funksjonene er blitt mere usynlige for brukeren, da styringen gjøres digitalt og mere eller mindre automatisk.

Avstemming

Den viktigste bruken for variable kondensatorer er å stille inn frekvensen for en kringkaster som skal mottas. Dette gjøres ved å stille inn resonansfrekvensen i flere LC-kretser med kondensatoren C, hvor L har en fast verdi, men kan koples om for forskjellige bølgebånd, Det finnes naturligvis systemer med fast C, der induktansen varieres for antennefrekvensen, men slike systemer er sjeldnere.

Mekanisk

En mekanisk utførelse for en slik avstemmingskondensator har to seksjoner for en tiltenkt bruk i en superheterodynmottaker. I en slik mottaker må ikke bare antennekretsen innstilles til senderens bærebølge, men også den lokale oscillatoren, som får en frekvens som ligger i en fast frekvensavstand til antennesignalet. Av denne grunn er de to seksjonene utformet med litt forskjellige dimensjoner. I bedre mottakere var det flere like seksjoner for antennesignalet.

Elektrisk

I dag benyttes såkalte kapasitetsdioder til avstemning. Dette er dioder som drives i sperreretningen og derfor ikke fører likestrøm. Sperresjiktet i PN-overgangen endrer lengden med sperrespenningen; høy spenning øker lengden av sperresjiktet og fører til lav kapasitet. Den samme likespenningen brukes for å stille inn kapasiteten til flere kapasitetsdioder i forskjellige resonanskretser. Styrespenningen kan tilføres hver enkelt diode via en stor serieresistans (motstand), siden dioden sperrer for strøm. Slik holdes tapene i resonanskretsen lave.
En slik løsning er mye billigere, volumsparende og fleksibel enn ved bruk av en mekanisk kondensator. Diodene kan innebygges i integrerte krestser som bare trenger noen få ekstra komponenter for å utgjøre en komplett mottaker.

Trimming

Før kapasitetsdionenes tid ble det brukt variable kondensatorer som var tiltenkt en fast innstilling med skrujern i et verksted eller ved apparatets produksjon. Denne funksjonen gjøres også i dag for at de forskjellige avstemte kretsene skal arbeide på nøyaktig de samme frekvensene over hele frekvensbåndet. I dag utføres slikt ved å stille inn styrespenningens detaljerte endring med ønsket frekvens, gjerne lagret i en digital hukommelse, men i en overgangstid ble detaljene stilt inn med trimmepotentiometre, variable resistanser.

Super- og hyperkondensatorer

Disse baserer seg på relativt nye teknologier og danner en mellomting mellom batterier og kondensatorer. De har lavere kapasitet per volum en batterier, men tillater store og hyppige lade/utladestrømmer. De kan brukes både til energi og til statiske formål. Kapasiteter kan være svært store, som 10 000 F.

Kvalitet

Kondensatorer er ganske gode komponenter; de har svært små tap og de følger de fundamentale fysikalske beskrivelsene ganske nøye.
Elektrolyttkondensatorer er et unntak her; de har forholdsvis kort levetid og er ikke svært stabile i verdiene sine. Kapasiteten avtar mot høye frekvenser. De tåler ikke spenning i begge retninger og de danner forholdsvis lett en kortslutning eller åpen krets med årene.
Elektrolyttkondensatorer er ikke dårlige komponenter og lever lenge, men i forhold til andre kondensatorer, som lever «evig» er de dårligere. Det som belaster slike kondensatorer mest er langtids høye temperaturer og langtids ikke-bruk, eller i koplinger som ikke legger på en DC-spenning til kondensatoren.
Fysikalsk-teoretisk sett kan en kondensator ikke avgi varme. I praksis har den små tap, hovedsakelig dielektriske. For beregninger er slike tap ensbetydende med en liten seriemotstand føyd til kapasitetssymbolet, som her vil ha en frekvensavhengig verdi.

Praktisk bruk

Kondensatoren har svært mange bruksområder, både for teknologier for kraft og signalbehandling. Den har også blitt brukt til avstemning, under variabel kapasitet.

Superkondensatorer i trikker

Flere byer har tatt i bruk trikker med superkondensatorer, i noen tilfeller sammen med batterier. På den måten spares energi, og en unngår kontaktledninger og stolper, som kan være upraktiske, kostnadskrevende og plasskrevende, og som ofte – særlig i historiske byer – regnes for uestetiske.

Glatting

Elektrolyttkondensatorer blir brukt i kraftforsyninger i apparater for å jevne ut den likerettede spenningen slik at likespenningen opprettholdes mellom hver periode (enkel likeretting) eller halvperiode (dobbel likeretting). Jo større verdi på kapasiteten, jo lavere rippelspenning blir levert.

Fasekompensering

Kondensatorer blir brukt i transformatoranlegg for kompensere for induktive laster i strømnettet. Slik kan reaktive strømmer, og derfor energitap, minimeres.

Avkopling

Logiske, eller digitale, kretser kan være ganske følsomme for feilfunksjon på grunn av hurtige spenningssprang som kan oppstå på tilkoplingspinnen for strømforsyningen (oftest +). Til vanlig er det den digitale kretsen selv som forårsaker slike sprang, som helst består av svært kortvarige, negativt gående pulser (få nanosekunder). Sprangene oppstår fordi noen interne transistorkretser kan trekke en ikke uvesentlig mengde strøm den korte tiden mens de hurtig skifter mellom tilstanden «0» og «1», og omvendt. Jo hurtigere kretsen kan arbeide, jo større er problemet. Tilledningen til kretsens forsyningspinne(r) kan være flere cm lang, og denne strekningen oppviser en i dette tilfellet signifikant induktivitet, som ikke motsetter seg slike pulser (induktiviteter har høy reaktans/impedans for høye frekvenser). I praksis settes det derfor en såkalt avkoplingskondensator mellom forsyningspinnen og jord, eller mellom positiv og negativ forsyning, så nær tilkoplingene som praktisk mulig. Kondensatoren leverer da strømmen til 0/1 og 1/0 pulsene uten at spenningen på forsyningspinnen reduseres. Kapasitetsverdien av en slik avkoplingskondensator er typisk (nesten alltid) 100 nF. Større digitale kretser har gjerne flere forsyningspinner, og det blir brukt en kondensator per forsyningspinne. Feil som oppstår ved ikke å bruke slik avkopling, kan være ekstremt vanskelig å finne. Det er vanlig å bruke slik avkopling også for analoge kretser, spesielt operasjonsforsterkere, men her for å sikre at det ikke oppstår oscillasjoner ved høye frekvenser.

Støydempning

Flere elektriske apparater sender ut uønsket elektromagnetisk stråling, altså radiobølger, ved bruk. Denne strålingen er ofte svært bredbåndet og kan derfor forstyrre arbeidet til flere apparater som nytter slike bølger for sine funksjoner. Dette kan være radio- og TV-mottak og trådløse forbindelser for nettverk som Bluetooth og WiFi, samt for mobiltelefoner. Apparater som sender ut spesielt mye stråling danner gjerne også gnister. Eksempler er elektriske motorer med kommutatorer (støvsugere, kjøkkenmaskiner), lysbrytere og klassiske ringeklokker. Tilledningene virker da som effektive sendeantenner. For å dempe slik støy brukes kondensatorer alle steder i slike apparater der slik støy ellers ville blitt generert. Støyen dempes fordi kondensatorer leder godt for de høye frekvensene som forstyrrer, men uten å forandre funksjonaliteten ved lysnettets lave 50 Hz frekvens. I tillegg fører forhindringen av gnister til lengre levetid for apparatene selv. Slik innebygget støydempning i apparater er påbudt ved lov, og elektromagnetisk støy er derfor ikke å forvente fra noen moderne apparater, kanskje unntatt den klassiske ringeklokken.

Eventuell brannfare

Ved kontinuerlig, men ujevn radiostøy i et hus bør oppmerksomheten rettes mot at det kan ha oppstått en dårlig elektrisk forbindelse i lysnettet et sted, og at dette kan være et varsel om brannfare. Slik støy bør derfor tas alvorlig. Dette feilsøkes ved primært å enkeltvis frakople sikringskurser, sekundært lamper og varmeovner. Å føle etter forhøyet temperatur ved sikringer, nettuttak (stikkontakter) og koplingsbokser kan hjelpe. Kilden kan også søkes med en bærbar analog radio som ikke står innstilt til noen sender. I en boligblokk bør naboer kontaktes, eller den ansvarlige myndighet, spør kommunen eller brannvesenet hvem det er.

Koblingskondensator

Siden kondensatoren ikke har galvanisk forbindelse mellom platene blokkerer den for likestrøm / likespenning. Frekvensavhengig leder den vekselstrøm. Kondensatoren blir derfor brukt til å separere ut et AC-signal som ligger på toppen av en likespenning, slik at det dannes et signal som varierer rundt null. Kondensatoren kan likeledes brukes til å legge et AC-signal på toppen av et knutepunkt som oppviser en likespenning. Det sistnevnte er typisk for en inngang, det førstnevnte for en utgang av et forsterkertrinn, men det er også typisk å sette inn en kondensator mellom forsterkertrinn som har forskjellige DC arbeidsnivåer.

Tidsforsinkelse

I elektronikken blir kondensatoren brukt som en tidsforsinkelse ved å koble den i serie med en motstand til en kilde. Ved å variere verdien på kondensatoren og/eller motstanden, kan det fastsettes hvor lang tid det skal ta før kondensatoren har ladet seg opp til et visst spenningsnivå. Tiden det tar fra kondensatoren har ladet seg opp fra 0V til 63 % av forsyningsspenningen kalles tidskonstanten og regnes ut ved τ = R*C der R er motstandens resistans i Ohm og C er kondensatorens kapasitans i Farad.
Etter 5 tidskonstanter regnes kondensatoren for fulladet.
Den samme formelen kan også brukes om utladningen av kondensatoren. Den vil da på en tidskonstants tid lade seg ut til 37 % av den opprinnelige spenningen, og etter 5 tidskonstanter regnes den å være helt utladet (0,67 % gjenstår).

Filtre

Kondensatorer (kapasitanser), spoler (induktanser) og motstandere (resistanser) brukes til å bygge opp lavpass-, høypass-, bandpass- og bandstoppfiltre i aktive (forsterkende) kretser eller i passive kretser, som ikke inneholder videre komponenttyper, blant annet pol.