Kondenzátorok

Elektronika I

Gingl Zoltán - Műszaki Informatika Tanszék, Szegedi Tudományegyetem
2020 © CC BY 4.0,

Tartalom

A lecke a kondenzátort mint gyakorlatban kapható alkatrészt mutatja be. A valódi kondenzátorok többféle formájúak, anyagúak, többféle feladatra optimalizált kivitelben készülnek. Az ideálistól valamennyire eltérően viselkednek, amit ideális komponensek kombinációjával tudunk pontosabban jellemezni.

Tartalom

A kondenzátor, mint alkatrész
Kivitelezés, anyagok
A kondenzátorok fontosabb jellemzői
Névleges érték
Értéktartomány
Tűrés
Hőmérséklettartomány, hőmérsékleti tényező
Időbeli változás
Üzemi feszültségtartomány, határértékek
Feszültségfüggés
Reális kondenzátorok modellje
Kondenzátorok választéka, felhasználási területei
Kerámiakondenzátorok
Fóliakondenzátorok, tömbkondenzátorok
Elektrolitkondenzátorok
Szuperkondenzátor
Tranziensek kezelése
Jelfeldolgozás, jelátvitel
Szenzorok

Olvasási idő: 30 perc

A kondenzátor, mint alkatrész

Kivitelezés, anyagok

  • Forma, beültetési lehetőségek
  • Technológia, dielektrikum anyaga
    • kerámia
    • oxidréteg
    • műanyag
    • kompozit anyagok
Kondenzátorok

A kondenzátorok fontosabb jellemzői

Névleges érték

A névleges, azaz a gyártás során előállítani kívánt értékre többféle specifikáció létezik. Gyakrabban használt sorokat foglal össze az alábbi táblázat.

A névleges értéket leggyakrabban számokkal jelzik a tokozáson. Kisebb méretű felületszerelt kondenzátorokon tipikusan nincs jelzés.

Értéktartomány

A kondenzátor típusától függően néhány pF-tól akár néhány F értékig terjedhet.

Tűrés

A kondenzátorok értékének pontossága általában kisebb, mint ellenállások esetén. Értéke leggyakrabban 10%-20% körüli. Speciálisabb célokra léteznek ennél pontosabb értékűek is.

Hőmérséklettartomány, hőmérsékleti tényező

A kondenzátorok értékének hőmérsékletfüggése jelentős mértékben függ a típustól. A működési hőmérséklettartományban kerámiakondenzátoroknál, elektrolit kondenzátorokbál a változás akár a névleges érték feléhez közeli is lehet.

Időbeli változás

A kondenzátor értéke a gyártást követően a külső hatások miatt valamennyit változhat. A gyártók általában megadják, hogy bizonyos idő (általában két év elteltével mekkora lehet maximális változás adott körülmények mellett. Az öregedés leginkább az elektrolit kondenzátoroknál lehet jelentős. Élettartamuk pár év is lehet, különösen akkor, ha huzamosabban magasabb hőmérsékleten működnek.

Üzemi feszültségtartomány, határértékek

A kondenzátorok adatlapja megadja, hogy a kondenzátorok milyen feszültségtartományban használhatók. Ez lehet akár pár Volt, de kV is. A kondenzátorok károsodhatnak, ha ennél nagyobb stressznek vannak kitéve.

Feszültségfüggés

Bizonyos fajta kondenzátoroknál jelentős lehet a kapacitás feszültségfüggése. Jelfeldolgozó áramkörökben használt kondenzátorok esetében különösen fontos a tulajdonságok ismerete.

Reális kondenzátorok lineáris modellje

A reális kondenzátorok viselkedésének leírására többféle teljességű modell létezik. Az egyik leggyakrabban használt az alábbi:

Rs C

C: a reális kondenzátorhoz rendelt kapacitás

RS, ESR: ekvivalens soros ellenállás. Ez a leggyakrabban használt komponens, ami az ideális viselkedéstől való eltérést modellezi. Nem az értékét adják meg, hanem a kondenzátor impedanciájához adott járulákát. Ehhez az alábbi egyszerűbb modellt használjuk:

Az ellenállás, azaz az impedancia valós része veszteséget okoz, ezért az úgynevezett veszteségi tényezőt (DF=dissipation factor) definiálják az impedancia valós és képzetes részének hányadosaként. A képzetes rész nagysága \( \frac {1}{\omega C} \), így ez a hányados \( \omega \cdot R_S \cdot C \). A komplex síkon ez éppen a képzetes tengellyel bezárt δ szög tangense, tg δ, ezért veszteségi szöget is szokás említeni. Mivel kis szög esetén tg δ≈δ, az érték maga a veszteségi szögnek is vehető. Adatlapokban legtöbbször 1 kHz-en vagy 10 kHz-en adják meg az értéket. Az alábbi ábra mutatja be a mennyiségeket az impedancia komplex síkú ábrázolásával:

A modell további komponensekkel pontosatható. A reális kondenzátorok viselkedésének legteljesebb leírására használt modell az alábbi:

RL RD RS C CD LS

LS, ESL: ekvivalens soros induktivitás. Elsősorban a nagyfrekvenciás viselkedést befolyásolja, rezonanciafrekvenciát is jelent a kapacitás értékével együtt.

RL: szigetelési ellenállás, szivárgást (leakage) modellező ellenállás. Előfordul az is, hogy a szivárgást árammal jellemzik, nem feltétlen érvényes a lineáris modell.

RD és CD: dielektromos abszorpciót modellező komponensek. A dielektromos abszorpció azt jelenti, hogy ha a kondenzátort kisütjük, valamennyi maradék töltés maradhat rajta a dielektrikum nemlineáris viselkedése miatt.

Érdemes szem előtt tartani, hogy ezek a modellek lineáris komponensekből állnak, így a nemlineáris viselkedést nem vagy csak korlátozottan írhatják le. A feszültségfüggés, szivárgó áram bizonyos kondenzátoroknál külön figyelmet igényelhet.

Referenciák

Kondenzátorok választéka, felhasználási területei

Kerámiakondenzátorok

  • Kis méretűek, SMD kivitelben (chip capacitor) is készülnek
  • pF-uF tartomány
  • Kis veszteség
  • Jelentős hőmérsékletfüggés többféle dielektrikumnál, a teljes működési hőmérséklettartományban 10-15%, de akár még több is lehet.
  • NPO dielektrikum: kiváló hőmérsékleti koefficiens (kb. 30ppm/K), értéktartománya szűkebb (pF-tól pár nF-ig
  • A kis méretűek alacsony induktivitásúak, jó nagyfrekvenciás tulajdonságúak.
  • Ideálisak csatolásmentesítésre, nagyfrekvenciás szűrésre, DC/DC konverterekhez 10nF, 100nF): tápáramkörökben. Az integrált áramkörök tápfeszültségeihez a lehető legközelebb kell elhelyezni. Ekkor a gyors áramfelvételeket, terheléseket biztosítják, így az áramkörök tápvezetékein kevésbé jelennek meg zavarjelek. Minden aktív áramkör, integrált áramkör esetén kötelező a használatuk. Ezt csatolásmentesítésnek (decoupling), esetleg hidegítésnek nevezik, többféle megoldása ismert.

Referenciák

Fóliakondenzátorok, tömbkondenzátorok

  • A dielektrikum anyaga valamilyen műanyag (pl. polipropilén, poliészter, polikarbonát), papír.
  • A sokféle típus különböző területeken rendelkezik jó tulajdonságokkal, például:
    • jó tűrési érték (akár 1%)
    • kis hőmérsékleti tényező
    • kis veszteség
    • az ideálishoz közeli viselkedés középfrekvenciás tartományba
  • Alkalmazási területek
    • Jelfeldolgozó áramkörök
    • Szűrőkörök
    • Csatolásmentesítés
    • Időzítő áramkörök, mintavételező áramkörök
    • Elektromágneses, rádiófrekvenciás interferencia (EMI/RFI) csökkentése

Referenciák

Elektrolitkondenzátorok

  • Nagy kapacitásúak, pár uF-tól pár 10 mF értékig
  • Alacsony frekvenciatartományban használhatók (pár 10 kHz-ig)
  • Jelentősebb veszteségük lehet, ez akár melegedést is okozhat
  • Polarizáltak, csak adott polaritású feszültséget viselnek el.
  • Altípusok
    • Alumínium elektrolit: nagyobb kapacitás, nagyobb feszültségtartomány
    • Tantálkondenzátorok: kisebb kapacitás, nagyobb frekvenciatartomány, kisebb szivárgó áram és veszteség, kisebb méret.
  • Alkalmazási területek
    • Egyenirányított tápfeszültség simítása
    • Energiatárolás, ideiglenes tápforrás (kis teljesítményű akkumulátorok helyettesítése)
    • Csatolásmentesítés alacsony frekvencián

Referenciák

Szuperkondenzátor

  • Különösen nagy kapacitásúak, több F értékig
  • Átmenetet képeznek a kondenzátorok és akkumulátorok között, elektrosztatikus és elektrokémiai működést kombinálnak
  • Kis feszültségen, pár Voltig használhatók
  • Polarizáltak, csak adott polaritású feszültséget viselnek el.
  • Alkalmazási területek
    • Energiatárolás, ideiglenes tápforrás
    • Elemek, akkumulátorok helyettesítése

Referenciák

Tranziensek kezelése

Elektronikusan vezérelt mechanikus kapcsolók, félvezető kapcsolók be- és kikapcsolásakor jelentős tranziensek léphetnek fel. Az úgynevezett snubber áramkörök a kapcsolóval párhuzamosan kötött soros R és C tagokkal biztosítják a tranziensek hatásának csökkentését, a kapcsolók védelmét. A kondenzátor a tranziensek idejéig jelentős áramot vezethet, normális működés esetén elhanyagolható hatású.

Indító és futási kondenzátorokat használnak egyfázisú váltóáramú motorok megfelelő működtetéséhez is.

R C S

Referenciák

Jelfeldolgozás, jelátvitel

Kapacitások periodikus kapcsolásával sokféle feladat megoldható. Ilyen elven implementálható frekvenciával hangolható ellenállás. A bemeneti feszültség az egyik fél periódusban feltölti a kondenzátort, a másik félperiódusban a kondenzátor a töltését a kimeneten leadja. Az áram így arányos a bementi feszültséggel és a frekvenciával.

Hasonló elven készíthetők feszültségkonverterek, melyekkel a feszültség polaritása megváltoztatható, feszültség kétszerezhető, többszörözhető.

Kondenzátorok használhatók galvanikus leválasztására is. Készítenek digitális leválasztó áramköröket, melyek a digitális jelet nagyfrekvenciásan modulálják, kondenzátorokon keresztül továbbítják, a vevő oldalon demodulálják. Így a két oldal közötti potenciálkülönbség nagy is lehet, a kondenzátorok csak a nagyfrekvenciás jelet továbbítják.

Referenciák

Szenzorok

Sokféle szenzor létezik, melyek azon alapulnak, hogy a kapacitás függ a környezettől. Az alábbi felsorolás említ néhány szenzort, melyekről részletesebb információ található az Referenciákban.

  • Mikrofon
  • Nedvesség, folyadékszint
  • Távolság
  • Gyorsulás

Referenciák

Elektronika I

Gingl Zoltán - Műszaki Informatika Tanszék, Szegedi Tudományegyetem
2020 © CC BY 4.0,

Jelen tananyag a Szegedi Tudományegyetemen készült az Európai Unió támogatásával. Projektazonosító: EFOP-3.4.3-16-2016-00014