thumb|300px|Erilaisia kondensaattoreita Kondensaattori (, puristaa kasaan) on kaksinapainen sähkötekniikassa käytettävä passiivikomponentti. Sen keskeisin ominaisuus on kapasitanssi, joka on kykyä tallentaa sähkövarausta. Kondensaattori varastoi energiaa sähkökenttään.
Kun varausta siirretään kondensaattorin napoihin, muodostuu niiden välille jännite, joka on suoraan verrannollinen siirretyn varauksen suuruuteen ja kääntäen verrannollinen kondensaattorin kapasitanssiin.
Kondensaattoreita voidaan tämän kapasitanssin vuoksi käyttää elektronisissa piireissä jännitevaihteluiden tasaamisessa. Kondensaattorin kyky tasata jännitevaihtelua on suoraan verrannollinen sen kapasitanssiin.
Historiaa Ensimmäisen kondensaattorin keksi Ewald Georg von Kleist Camminissa Pommerissa 11. lokakuuta 1745, yrittäessään varastoida sähköä elohopeaa täynnä olevaan pulloon. Maailmalle tieto uudesta keksinnöstä levisi kuitenkin Pieter van Musschenbroekin kautta. Hän teki kokeen vedellä täytetyllä astialla Leydenin (Leidenin) yliopistossa Hollannissa tammikuussa 1746. Tästä sai nimensä Leydenin pullo.
Rakenne Tyypillinen kondensaattori koostuu kahdesta elektrodista, joista kumpikin varastoi samansuuruisen mutta erimerkkisen sähkövarauksen. Elektrodit voivat olla esimerkiksi tasomaisia levyjä (levykondensaattori) tai sisäkkäisiä pallokuoria (pallokondensaattori). Elektrodit on eristetty toisistaan, ja kun kondensaattori kytketään jännitelähteeseen, ne saavat sähköisen varauksen ja niiden välille muodostuu sähkökenttä.
Kondensaattori varautuu myös, jos sen jompaakumpaa elektrodia kosketetaan varauksellisella kappaleella. Tällöin myös toinen elektrodi saa influenssi-ilmiön vaikutuksesta yhtä suuren, mutta vastakkaismerkkisen varauksen.
Kondensaattorin sähkökenttä on käytännöllisesti katsoen kokonaan elektrodien välissä, sillä muualla elektrodien vastakkaismerkkisten varausten aiheuttamat sähkökentät kumoavat toisensa. Levykondensaattorissa tämä sähkökenttä on käytännössä homogeeninen eli kaikkialla levyjen välissä yhtä voimakas. Sähkökentän voimakkuus on:
jossa U on levyjen välinen jännite ja d on levyjen välinen etäisyys
Epäideaalisuus
Läpilyönti Jos jännite ylittää eristeen kestokyvyn, tapahtuu läpilyönti, jolloin eriste muuttuu johtavaksi (ks. valokaari). Tätä jännitettä kutsutaan läpilyöntijännitteeksi
jossa E on eristeen dielektrinen lujuus ja d on levyjen välinen etäisyys.
Tämän estämiseksi valmistaja määrittelee kondensaattorin suurimman sallitun käyttöjännitteen.
Vuotovirta Kondensaattorin levyjen välille muodostunut sähkökenttä säilyy, vaikka jännitelähde irrotetaan, koska sähkökenttä pitää varaukset paikoillaan. Levyjen välissä olevalla eristeellä on kuitenkin johtavuutta, joka riippuu eristemateriaalista. Tämä johtavuus aiheuttaa pienen vuotovirran RLeak kondensaattorin napojen välillä, joten kondensaattori purkautuu ajan kuluessa itsekseen.
Ekvivalenttinen sarjaresistanssi ja sarjainduktanssi Kondensaattorin jalat aiheuttavat ekvivalenttisen sarjaresistanssin RESR ja ekvivalenttisen sarjainduktanssin LESL. Ekvivalenttinen sarjainduktanssi ja -resistanssi on otettava huomioon suuritaajuisia kytkentöjä suunniteltaessa, sillä taajuuden kasvaessa kapasitiivinen impedanssi pienenee ja induktiivinen impedanssi kasvaa, jolloin sarjainduktanssi ja -resistanssi määräävät kondensaattorin impedanssin.
Vesianalogia pienoiskuva|Vesianalogiassa kondensaattori on muovikalvo, joka on suljettu putken sisälle. Animaatiossa näkyy kuinka kalvo venyy ja kutistuu veden virtauksen takia, mikä kuvaa kondensaattorin varautumista ja purkautumista. Vesianalogiassa johdossa kulkevia latauksen kuljettajia kuvataan veden virtauksena putkessa. Kondensaattori on kuin putkessa oleva muovikalvo. Vesimolekyylit eivät voi kulkea kalvon lävitse mutta vesi voi venyttää kalvoa. Analogia selvittää muutamaa näkökulmaa kondensaattoreista:
Virta muuttaa kondensaattorin varausta niin kuin vedenvirtaus muuttaa kalvon venymistä. Mitä enemmän kondensaattoria on ladattu, sen suurempi on jännitehäviö. Voidaan havaita vesianalogiasta siten että mitä enemmän kalvoa venytetään sen enemmän se alkaa vastustamaan venytystä. Varaus voi virrata kondensaattorin “läpi” vaikka elektronit eivät pääse puolelta toiselle. Vesianalogiassa tätä kuvaa veden virtaaminen putkessa, vaikka vesimolekyylit eivät voikaan läpäistä kalvoa. Virtaus ei silti voi jatkua samaan suuntaan loputtomiin tai kalvo repeää eli virta pääsee kulkemaan kondensaattorin läpi. Kapasitanssi kuvaa sitä kuinka paljon varausta voidaan varastoida yhdelle kondensaattorin levylle. Hyvin venyvä kalvo kuvaa korkeampaa kapasitanssia kuin huonosti venyvä kalvo. Latautunut kondensaattori varastoi potentiaalienergiaa kuten venyvä kalvo.
Kapasitanssi
Kondensaattorin kapasitanssi (symboli C) on suure, joka kuvaa varauksen (Q) suuruutta suhteessa elektrodien väliseen potentiaalieroon (U). Näin ollen
Kapasitanssin SI-järjestelmän mukainen yksikkö on faradi [F], joka vastaa yhden coulombin varausta yhden voltin jännitteellä.
Faradi on hyvin suuri yksikkö käytännön sovellutuksiin, joten yleensä käytetään etuliiteyksiköitä pikofaradi (pF), nanofaradi (nF), mikrofaradi (μF) ja millifaradi (mF). Pöyhönen, Otso. Sähkötekniikan käsikirja I. Tammi, 1975, s. 24
Kapasitanssin laskeminen kondensaattorikytkennöissä
Rinnakkain kytkettyjen kondensaattorien C1, C2,... Cn kapasitanssi on kapasitanssien summa
Kun rinnakkain kytketyt kondensaattorit kytketään jännitteeseen V, on kaikkien kondensaattoreiden jännite sama.
Sarjaan kytkettyjen kondensaattorien C1, C2,... Cn kapasitanssi on
Kun sarjaan kytketyt kondensaattorit kytketään jännitteeseen V, saavat kaikki kondensaattorit samansuuruisen varauksen Q. Kokonaisjännite V on kondensaattoreiden jännitteiden summa.
Tasavirta ei kulje kondensaattorin läpi, koska sen levyjen välissä on eriste. Mutta jos se kytketään muuttuvaan jännitteeseen, myös levyjen varaus muuttuu, ja kondensaattorin latautuessa tai purkautuessa jännitelähteestä levyihin tai päinvastoin kulkee virta, jonka suuruus on , jossa C on kapasitanssi, U jännite ja t aika.
Kapasitanssi voidaan määrittää siis kondensaattorin virran i suhteena jännitteen U muutosnopeuteen dU/dt yhtälöllä .
Kondensaattorin elektrodit ovat yleensä metallilevyjä tai -kalvoja. Kahdesta yhtä suuresta samansuuntaisesta levyelektrodista koostuvan levykondensaattorin kapasitanssi on
missä A on elektrodin pinta-ala, d on levyjen välinen etäisyys, ε0 on tyhjiön permittiivisyys ja εr on levyjen välissä olevan eristeen suhteellinen permittiivisyys. Levyjen koon kasvaessa varauksen määrä kasvaa. Myös levyjen välisen etäisyyden pienentyessä varauskyvyn määrä kasvaa, mutta samalla pienenee jännitteen sietokyky eristeen ohi-/läpilyönnin vuoksi.
Kondensaattoriin varautunut energia Kondensaattoriin varautunut energia voidaan määrittää laskemalla kondensaattorin varaamiseksi tarvittava työ.
Olkoon kondensaattorin kapasitanssi C, ja sen kokonaisvaraus Q. Kondensaattoria varatessa sen hetkellinen varaus on q(t), ja potentiaaliero napojen välillä on u(t) = q(t)/C. Kun pieni varaus dq siirretään elektrodilta toiselle potentiaalieron u yli, tehdään työ dW:
Kondensaattorin kokonaisenergia saadaan integroimalla tämä infinitesimaalisen pieni siirto koko siirrettävän varauksen Q yli:
Koska toisaalta kondensaattorin kapasitanssi saadaan yhtälöstä
ja sen jännitteen ja sähkökentän välillä vallitsee yhteys
saadaan tästä kondensaattorin sähkökentän energian tiheydelle lauseke
Tämä energiantiheyden lauseke pätee yleisesti kaikille sähkökentille, ei vain kondensaattoreissa.
Kondensaattori sähköisissä piireissä Kondensaattori ei päästä lävitseen varauksenkuljettajia, sillä sen elektrodit on galvaanisesti eristetty toisistaan eristeellä. Kuitenkin lyhyen aikaa jännitteen kytkemisen jälkeen kondensaattorin elektrodeihin kulkee sähkövirta, joka aiheuttaa sähkökentän elektrodien välille ja varaa kondensaattorin elektrodit vastakkaismerkkisillä varauksilla. Kun näin varautunut kondensaattori kytketään kuormaan, sähkökenttään varastoitunut energia muuttuu takaisin sähkövirraksi. Virta kulkee, kunnes kondensaattorin varaus on purkautunut, eli sähkökenttä on poistunut.
Vaihtovirtapiireissä kondensaattorin varaus latautuu ja purkautuu sitä useammin, mitä suurempi taajuus on. Tästä seuraa, että kondensaattorin keskimääräinen lataus- ja purkausvirta kasvavat taajuuden kasvaessa. Kondensaattorin vastus vaihtovirralle on siis kääntäen verrannollinen taajuuteen. Tätä vastustavaa ominaisuutta vaihtovirtapiireissä kutsutaan kapasitiiviseksi reaktanssiksi (XC, yksikkö ohmi), joka määritellään yhtälöllä
missä f on vaihtovirran taajuus ja
C kondensaattorin kapasitanssi. Vaihtovirtapiireissä kondensaattorin jännitteellä ja virralla on 90° vaihe-ero virran ollessa jännitettä edellä.
Vaihesiirron takia kondensaattoripiirien laskennassa voidaan käyttää kompleksilukulaskentaa. Esimerkiksi kapasitiivinen reaktanssi voidaan tulkita piirin impedanssin imaginääriseksi komponentiksi.
Tunnistaminen Kondensaattorin arvotiedot merkitään yleisesti numeroin, vinoviivoin ja kirjaimin seuraavassa muodossa: kapasitanssi / toleranssi / jännitteenkesto. Kirjaimen ollessa numeroiden välissä tai edessä tulkitaan kirjain samalla desimaalipilkuksi.
Merkinnöissä perusyksikkönä on yleensä pikofaradi (pF).
Kirjain M merkitsee mikrofaradia (µF) (eli miljoona pF, M = ’mega’). Kirjain K merkitsee nanofaradia (nF) (eli tuhat pF, K = ’kilo’). Kirjain E merkitsee pikofaradia (pF).
Esimerkiksi 4M7 / 10 / 100 tulkitaan 4,7 µF, 10 % toleranssilla ja 100 V jännitteenkestolla. 44K / 10 / 100 tulkitaan 44 nF, 10 % toleranssilla ja 100 V jännitteenkestolla. 3E3 / 10 / 400 tulkitaan 3,3 pF, 10 % toleranssilla ja 400 V jännitteenkestolla.
Toinen merkintätapa on kirjoittaa vain kapasitanssiarvo pikofaradeina siten, että viimeinen numero tarkoittaa lopussa olevien nollien määrää. Esimerkki: 473 tarkoittaa lukua jossa on 47 ja kolme nollaa eli 47 000 pF = 47 nF.
Kondensaattorityypit Muovieristeiset kondensaattorit Muovikalvokondensaattori on kulutuselektroniikassa yleisin kondensaattori, joka valetaan epoksiin ja niitä valmistetaan radiaali- sekä aksiaalirakenteisina. Suosio johtuu suuresta C * U -tulosta tilavuusyksikköön nähden, pienistä häviöistä, suuresta pulssinsietokyvystä ja kohtalaisesta lämpötilavakaudesta.
Polyesterikondensaattorit (KT, KS) ovat hyvin tavallisia, koska ne ovat halpoja, mutta ominaisuuksiltaan aika heikkoja. Eristeenä käytetään polyesterikalvoa ja levyinä metallifolioliuskoja, jotka ovat yleensä alumiinia. KT-lyhenne tulee saksan sanoista 'Kunststoff, Teraftalat'.
Metalloitu Polyesterikondensaattorit (MKT, MKS) ovat hyvin pitkälti samanlaisia kuin polyesterikondensaattorit, mutta niissä ei ole erillistä metallikalvoa, vaan muovikalvonpintaan on höyrystetty ohut metallikalvo toiselle puolelle. Nämä kondensaattorit ovat sikäli hyviä, että ne voivat itse korjaantua läpilyönnistä, koska metallikalvo höyrystyy ja läpilyöntikohta poistuu, koska metallit eivät kosketa toisiaan. Lisäksi MKT:t ovat pienempiä kuin KT:t, mutta eivät kestä suuria taajuuksia.
Polykarbonaattikondensaattorit ovat ominaisuuksiltaan hieman parempia kuin polyesterikondensaattorit. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi kytkentäkondensaattoreina.
Polystyreenikondensaattorit soveltuvat melkoisen vaativiin käyttötarkoituksiin, kuten aikavakiopiireihin ja suurtaajuuskäyttöön.
Harvemmin käytettyjä muovieristeisiä kondensaattoreita ovat polypropyleeni- ja polytetrafuorieteenikondensaattorit.
Keraamiset kondensaattorit pienoiskuva|199x199px|Keraaminen kondensaattori