Kondensaator

Kondensaator on passiivne elektri- ja elektroonikakomponent, mille põhiomadus on mahtuvus, s.o võime salvestada (mahutada ja säilitada) elektrilaengut ning seega ühtlasi energiat.

1745. aastal valmistasid Ewald Georg von Kleist ja Pieter van Musschenbroek teineteisest sõltumatult esimese kondensaatori, mida tuntakse kui leideni purki või kleisti pudelit.

Kondensaatori ehitus

Kondensaator koosneb kahest lähestikku paiknevast elektroodist, nn plaadist ja neid eraldavast dielektrikukihist. Elektroodide küljest lähtuvad kaks ühendusviiku või kontaktpinda (pindliitekondensaatoreil). Plaatideks on õhukestest metall-lehtedest (fooliumist) ribad või metallitamise teel dielektrikule kantud juhtivad pinnad. Elektroodipaarid on kokku rullitud või kokku volditud; plaadid võivad paikneda ka vaheldumisi, moodustades kaks plaadirühma (nagu kõrvaloleval pildil).

Kondensaatori mahtuvus
Kondensaatori mahtuvus on seda suurem, mida suurem on kummagi plaadi pindala A ja mida väiksem on plaatide vahekaugus d:

kus ε on dielektriku dielektriline läbitavus.

Kondensaator elektriahelas
Kondensaatori ühendamisel elektriahelasse tekib plaatide vahel elektriväli ja elektroodidele kogunevad elektrilaengud, mille tulemusena üks elektrood saab positiivse laengu +Q ja teine negatiivse laengu ‒Q. Sel puhul öeldakse, et kondensaator salvestab elektroodidele kogunenud laengu.

Salvestatav laeng Q on võrdeline kondensaatorile rakendatud pingega U: 

kus võrdeteguriks C on kondensaatori mahtuvus.

Pingestamise hetkel hakkab pinge kondensaatoril tõusma nullist, kuni saavutab toitepingega määratud väärtuse. Pinge muutumise kiirus sõltub kondensaatori mahtuvusest: mida suurem see on, seda rohkem laenguid on vaja selleks, et ületada plaatidevahelise välja põhjustatud vastumõju pinge muutumisele (samalaadselt aeglustab pooli induktiivsus voolu muutumist). Täiendavat vastumõju avaldavad elektriväljas polariseerunud (ühesuunaliselt nihkunud) dielektriku positiivsed ja negatiivsed elektrilaengud; see vastumõju on võrdeline dielektriku dielektrilise läbitavusega.

Laadimisel pannakse niisiis pingeallika laengud liikuma kondensaatori sisemise elektrilise jõu vastu. Selle jõu ületamiseks tehtav töö salvestub kondensaatoris elektrivälja energiana:

Valemis on W energia džaulides (J), C mahtuvus faradites (F) ja U pinge voltides (V).

Alalisvooluahelas laadub kondensaatorit sisselülitamise järel kiiresti: esimese ajakonstandi jooksul kasvab pinge kondensaatoril väärtuseni 0,632Umax, vastavalt väheneb laadimisvool, kuni muutub nulliks.

Vahelduvvooluahelas toimub kondensaatori perioodiline ümberlaadimine ja ahelat läbib pidevalt vool. Kondensaator avaldab vahelduvvoolule mahtuvuslikku reaktiivtakistust 

kus  on nurksagedus (radiaani sekundis) ja  ‒ sagedus (hertsides).

Kondensaatori plaatide vahele moodustunud elektriväli ja seega ka elektrilaeng jääb püsima ka pingeallika lahutamise järel, kuid hakkab pikkamööda vähenema läbi dielektriku; ka parimat dielektrikut läbib teatav lekkevool.

Liigitus
Eristatakse püsikondensaatoreid, mille mahtuvus on teatud kindla väärtusega, ja muutkondensaatoreid, mille mahtuvust saab etteantud piires sujuvalt muuta.

Enamik kondensaatoreid on püsikondensaatorid. Neid liigitatakse elektroode eraldava dielektrikukihi järgi; levinuimad on keraamika-, plastkile- ja elektrolüütkondensaatorid. Dielektrikuna on olnud kasutusel ka immutatud paber, vilk, klaas jm. Kondensaatorite eriliigi moodustavad superkondensaatorid, mida kasutatakse peamiselt elektrilaengu akumuleerimiseks.

Keraamika- ja plastkilekondensaatorite mahtuvuse suurusjärk ulatub 1 pikofaradist kuni 100 mikrofaradini, elektrolüütkondensaatoritel 1 mikrofaradist kuni 1 faradini ja superkondensaatoritel kilofaraditeni.

Keraamikakondensaator

Keraamikakondensaatorid jagunevad dielektriku omaduste järgi esimest liiki ja teist liiki kondensaatoreiks (ingl class 1 capacitor, class 2 capacitor):
esimest liiki (klass 1) kondensaatorite dielektrik on väikese läbitavusega (kuni 100) kõrgsageduskeraamikast; neil on väikesed kaod kõrgete sagedusteni ja nõrk mahtuvuse temperatuurisõltuvus;
teist liiki (klass 2) kondensaatorite ferrelektrilisest materjalist dielektriku läbitavus võib ulatuda 14 000-ni, nii et väikeste mõõtmete juures on võimalik saada suuri mahtuvusi, kuid suhteliselt suur on ka energiakadu ning mahtuvus sõltub tugevasti ja mittelineaarselt temperatuurist.

Traatviikudega ketta-, tableti- ja liistakukujulisi kondensaatoreil on plaatideks 0,1...1 mm paksuse keraamilise aluse mõlemale küljele sadestatud hõbedakiht, mille külge on joodetud viigud ja mis on kaetud emailikihiga. Esimest liiki keraamikast valmistatakse tugi- ja läbiviikkondensaatoreid sagedustele üle 30 MHz; nende üks viik joodetakse šassii külge.

Kilekondensaator
Kilekondensaatori dielektrikuks on õhuke sünteeskile (kasutatavad materjalid on tabelis). Elektroodid võivad olla fooliumist (õhukesest metall-lehest) või kilele pihustatud metallikihist.

Elektrolüütkondensaator

Elektrolüütkondensaatoris ehk oksiidkondensaatoris toimib dielektrikuna oksiidikiht, mis on elektrokeemiliselt formeeritud alumiiniumist või tantaalist (harvemini nioobiumist) elektroodile. Kondensaatori teise elektroodi moodustab oksiidikihiga tihedalt kokkupuutuv elektrolüüt. Oksiidikiht püsib vajaliku paksusega selle hapniku arvel, mis eraldub elektrolüüdist kondensaatorit läbiva lekkevoolu mõjul.

Elektrolüütkondensaator on polaarne seadis: anoodiks on metallelektrood ja katoodiks elektrolüüt; sellest tuleneb, et niisugune kondensaator on mõeldud kasutamiseks alalis- (ja pulseer-) voolu ahelais, kusjuures anood tuleb ühendada pingeallika plussiga.

Alumiiniumelektrolüütkondensaatoris asetseb oksiidikiht alumiiniumfooliumist lindil; see on anoodplaat. Katoodina toimib vedel või sültjas elektrolüüt, millega on immutatud dielektriku vastu surutud kiudainest lint. Katoodiga loob kontakti teine, oksüdeerimata fooliumlint. Rulli keeratud sektsioon paikneb alumiiniumkestas. Mittepolaarseil kondensaatoreil on oksüdeeritud ka teine fooliumlint; nende mahtuvus on poole väiksem niisama suure polaarse kondensaatori mahtuvusest.

Paremate omadustega ja väiksemad on söövitatud alumiiniumfooliumist mahtpoorse katoodiga elektrolüütkondensaatorid, samuti kokkupressitud oksüdeeritud tantaaliterakestest anoodiga kondensaatorid. Elektrolüüt on sõltuvalt tüübist märg või kuiv (näiteks polümeersest materjalist).

Superkondensaator

Parima energia mahutamise võimega on super- ehk kaksikkihtkondensaator ‒ kahekihilise ioondielektrikuga kondensaator-akumulaator, mille mahtuvust mõõdetakse faradites ja kilofaradites.

Superkondensaatoris moodustab elektrolüüt juhtiva ühendustee kahe elektroodi vahel. Sellega erineb ta elektrolüütkondensaatorist, milles elektrolüüt on ise üheks elektroodiks (negatiivseks "plaadiks"). Samas on superkondensaator nagu elektrolüütkondensaatorgi polaarne komponent.

Ühe elemendi pinge jääb enamasti vahemikku 2‒3 V, sisetakistus 0,2‒20 mΩ. Elementide jadaühendusega saadakse kondensaatormooduli vajalik tööpinge ja mitme jadaahela rööbiti ühendamise teel vajalik võimsus. Energiatihedus (kondensaatori massi 1 kg kohta) võib ulatuda väärtuseni 100 Wh/kg.

Superkondensaatorid konkureerivad ühelt poolt elektrolüütkondensaatoritega ja teiselt poolt liitiumioonakudega. Toodetakse ka hübriidkondensaatorid, milles on lisaks kaksikkihile Li-ioon-struktuuriga redokselektrood. Võrdlustabelist on näha, et energiatiheduse poolest jäävad ka parimad superkodensaatorid akudest kaugele maha, ent on võimelised andma lühiajaliselt palju tugevamat voolu.

Muutkondensaator
Muutkondensaatoreina on kasutusel seadekondensaatorid lülituse esmareguleerimiseks ja häälestuskondensaatorid võnkeringide häälestamiseks; viimased on olnud kasutusel põhiliselt raadioaparatuuris.

Seadekondensaator ehk trimmerkondensaator koosneb paigalseisvast ja pööratavast osast, vastavalt staatorist ja rootorist. Põhiliselt kasutatakse keraamilise dielektrikuga seadekondensaatoreid, mille plaatideks on staatori ja rootori pinnale sadestatud hõbedasektorid. Rootori pööramisel muutub sektorite omavaheline asend ning seega ka mahtuvus. Kondensaatori mahtuvuse alg- ja lõppväärtuste nimiväärtused on näiteks 1,5/5, 2/7, 3/10, 4/27 pF.

Häälestuskondensaatori ehk pöördkondensaatori staatori ja rootori plaadipakkide paar moodustab sektsiooni. Raadiovastuvõtjates on olnud kasutusel kahe- ja kolmesektsioonilised pöördkondensaatorid. Tänapäeva elektroonikalülitustes kasutatakse muudetavate mahtuvustena peamiselt liikumatute osadeta pooljuhtseadiseid ‒ mahtuvusdioode.

Tunnussuurused ja aseskeem
Nimimahtuvus vastab enamasti E-eelisarvurea E6, E12 või E24 väärtustele, peamiselt kõrgsageduskondensaatoreid toodetakse ka ridade E48, E96 ja E192 järgi.
Tolerants ehk mahtuvushälve näitab, mitu protsenti võib kondensaatori tegelik väärtus olla suurem või väiksem nimiväärtusest. Tolerants on enamasti +/‒ 20, 10 või 5%, kõrgsageduskondensaatoreil ka 2, 1 või 0,5%. Kuni 10-pikofaradiste kondensaatorite tolerants antakse absoluutväärtustes: +/‒ 0,1, 0,25, 0,5, 1 ja 2 pF. Elektrolüütkondensaatoreil võivad hälbed olla vahemikus ‒20% kuni +100%.
Nimipinge on suurim alalispinge, millega kondensaator võib kestvalt töötada.
Mahtuvuse temperatuuritegur näitab mahtuvuse suhtelist muutust temperatuuri muutumisel 1 K (kraadi) võrra. Kui mahtuvus temperatuuri tõustes suureneb, on see tegur positiivne, vastasel juhul negatiivne. Temperatuuritegur on normitud esimest liiki dielektrikuga keraamikakondensaatoreil. Teist liiki dielektrikuga kondensaatorite mahtuvus sõltub temperatuurist suures ulatuses.
Isolatsioonitakistus on kondensaatori alalisvoolutakistus etteantud pingel. Isolatsioonitakistus on teist liiki keraamika- ja paberkondensaatoreil vähemalt 100 MΩ, esimest liiki keraamikakondensaatoreil 1 GΩ ja kilekondensaatoreil 10 GΩ. Isolatsioonitakistus on seda väiksem, mida suurem on kondensaatori elektroodide pindala; seepärast iseloomustatakse suurema, mikrofaradites esitatava nimimahtuvuse korral dielektriku kvaliteeti isolatsioonitakistuse ja mahtuvuse korrutisega (MΩ×µF), s.o. ajakonstandiga sekundites.
Lekkevool on kondensaatorit nimipingel läbiv juhtivusvool; seda mõõdetakse mõni minut pärast pingestamist, et stabiilne vool jõuaks välja kujuneda. Lekkevooluga iseloomustatakse eelkõige elektrolüütkondensaatoreid.
Kaonurga δ tangens iseloomustab kondensaatori dielektrikus tekkivat energiakadu. Aktiivenergia kadu , kus Q on reaktiivvõimsus.

Kondensaatori idealiseeritud aseskeem koosneb vastavalt IEC spetsifikatsioonile 60384-1 järgmistest komponentidest:
 C – kondensaatori mahtuvus;
 Risol – dielektriku isolatsioonitakistus, elektrolüütkondensaatoritel vastavalt RLeak – lekkevoolu kaudu avaldatud takistus;
 ESR (ingl Equivalent Series Resistance) – ekvivalentne jadatakistus, mis koosneb juhtmete takistusest ja muid energiakadusid väljendavast aktiivtakistusest;
 ESL (ingl Equivalent Series Inductivity L) – ekvivalentne jadainduktiivsus, mis võtab kokku kõik komponendi parasiitinduktiivsused.

Markeering kondensaatoril
Nimimahtuvus esitatakse suuremail kondensaatoreil koos ühikutähisega, näiteks elektrolüütkondensaatoril 4700 µF . Väiksematel seadistel väljendatakse ühikut ühe tähega: p pikofarad, n nanofarad ja µ mikrofarad. See täht paikneb nimimahtuvust väljendava arvu järel, kui see on täisarv (nt. 47p tähendab 47 pF), koma asemel (5n6 tähendab 5,6 nF) või asendab nulli ja koma (µ68 tähendab 0,68 µF).

Väikestel kondensaatoritel võib mahtuvus olla märgitud kolme numbriga: kaks esimest väljendavad mahtuvusväärtust pikofaradites ja kolmas 10 astendajat, nt 394 = 39 × 104 = 390 000 pF = 390 nF.

Kondensaatorite rööp- ja jadaühendus
 

Rööpühenduses ehk paralleelühenduses kondensaatoritele rakendub ühesuurune pinge. Sel juhul võrdub kogumahtuvus rööbiti ühendatud kondensaatorite mahtuvuste summaga:
 
Koos mahtuvusega suureneb ka vahelduvvoolukoormus. Koguvool Itot jaguneb kondensaatorite vahel võrdeliselt nende mahtuvusele:
 
Jadaühenduses ehk järjestikühenduses kondensaatoreid läbib ühesuurune vool. Niisuguse ühenduse korral on kogumahtuvuse pöördväärtus võrdne eri kondensaatorite mahtuvuste pöördväärtuste summaga:

Siit näiteks kahe jadaühenduses kondensaatori C1 ja C2 kogumahtuvus

Vahelduvpinge jaguneb jadamisi ühendatud kondensaatorite vahel pöördvõrdeliselt nende mahtuvusele. Jadaühendust kasutatakse mahtuvuslikus pingejaguris (näiteks kõrgepinge mõõtmisel).

Vaata ka
Mahtuvus
Superkondensaator