Kondensaatori mahtuvus, tüübid, arvutused, kontrollimine ja valik

Kondensaatori mahtuvus näitab, kui palju laengut komponent suudab teatud pinge juures koguda. Kondensaatori mahtuvuse valem: C = Q / V, kus C on mahtuvus faradites, Q on laeng kulonites ja V on pinge voltides.

Üks farad on väga suur mahtuvus, seetõttu näeme tavalistes komponentides enamasti mikrofaradeid µF, nanofaradeid nF ja pikofaradeid pF. 1 µF = 1000 nF ja 1 nF = 1000 pF.

Mis on kondensaator ja kuidas see töötab?

Kondensaator on passiivne elektriahela komponent, mis kogub elektrilaengut ja energiat elektriväljas. Lihtsaim mudel koosneb kahest juhtivast elektroodist, mida eraldab dielektrik.

Dielektrik ei lase elektroodidel ühineda, kuid elektriväli võimaldab süsteemis energiat koguda. Lamekondensaatori mahtuvus suureneb elektroodide pindala ja dielektrilise läbilaskvuse suurenemisel ning väheneb elektroodidevahelise kauguse suurenemisel.

Ideaalse alalisvooluahelas ei lase laetud kondensaator püsiseisundis enam voolu läbi. Tegelik komponent ei ole ideaalne: selles esineb lekkevool, mistõttu laeng võib aja jooksul väheneda.

Vahelduvvoolu- ja muutuva signaali ahelates laetakse ja tühjendatakse kondensaatorit pidevalt. Seetõttu kasutatakse seda signaali sidumiseks, toitefiltreerimiseks, müra summutamiseks, RC-ahelates ja energia lühiajaliseks salvestamiseks. Analog Devices liigitab need funktsioonid kondensaatorite peamiste rakendusgruppide alla.

Kondensaatorite tüübid

Üht „parimat“ kondensaatori tüüpi ei ole olemas. Analog Devices märgib, et komponendi tegelik lekkevool, ESR, ESL, dielektriline neeldumine ja muud omadused võivad põhjustada olukorra, kus ühele ahelale sobiv kondensaator ei sobi teisele.

Tabelis on esitatud kondensaatoritüüpide võrdlus ning allpool on toodud üksikasjalikum kirjeldus.

Keraamilised C0G/NP0 kondensaatorid

C0G, mida nimetatakse ka NP0-ks, on esimese klassi keraamilised kondensaatorid, millel on väga stabiilsed elektrilised omadused. Nende mahtuvus ei muutu peaaegu üldse temperatuuri, sageduse ega ühendatud alalispinge mõjul, mistõttu sobivad need ahelatesse, kus on oluline täpsus.

Peamine puudus on suhteliselt väike mahtuvus, mistõttu kasutatakse C0G/NP0 kondensaatoreid enamasti RF-ahelates, täpsetes filtrites, generaatorites, resonantsi- ja ajastusahelates.

Valimisel tuleb kontrollida mahtuvuse tolerantsi, tööpinge, korpuse suurust ja temperatuurivahemikku. „Murata“ märgib, et C0G-kondensaatorite mahtuvus sõltub ühendatud pingest märksa vähem kui X5R- või X7R-kondensaatorite puhul.

Keraamilised X7R ja muud 2. klassi MLCC kondensaatorid

X7R, X5R ja muud 2. klassi mitmekihilised keraamilised kondensaatorid võimaldavad mahutada suhteliselt suurt mahtuvust väga väikesesse SMD korpusesse. Tänu madalale ESR-ile ja ESL-ile on need eriti tõhusad kõrgsagedusmüra summutamisel.

Tuleb arvestada, et dokumentatsioonis märgitud nimimahtuvus ei pruugi reaalsetes tingimustes püsida: seda võivad vähendada alalisvoolu eelpinget, temperatuur, vananemine ja vahelduva pinge amplituud. Näiteks võib 10 µF kondensaatoril, millele mõjub nimiväärtusele lähedane pinge, olla märkimisväärselt väiksem efektiivne mahtuvus.

Seetõttu ei tohi X7R-kondensaatorit valida ainult nimiväärtuse (mikrofaradites) järgi – tasub kontrollida tootja alalisvoolu eelpinge graafikuid, arvestada pingevaru ja valida suurem korpus või mitu kondensaatorit paralleelselt.

Alumiiniumelektrolüütkondensaatorid

Alumiiniumelektrolüütkondensaatorid pakuvad suurt mahtuvust – alates mõnest mikrofaradist kuni tuhandete mikrofaraditeni – suhteliselt madala hinna eest. Seetõttu kasutatakse neid sageli energia salvestamiseks, tasandaja pulsatsioonide tasandamiseks, toiteallikate stabiliseerimiseks ja aeglasemate koormuse muutuste kompenseerimiseks.

Enamik neist on polaarsed, mistõttu vale ühendamine või lubatud pinge ületamine võib põhjustada ülekuumenemist, elektrolüüdi lekkimist või riket. Valimisel tuleb arvesse võtta mitte ainult mahtuvust ja nimipinget, vaid ka ESR-i, lubatud impulssvoolu, töötemperatuuri ja deklareeritud kasutusiga.

Elektrolüüt aurustub aja jooksul, mistõttu maht väheneb ja ESR suureneb. „Panasonic“ märgib, et alumiiniumelektrolüütkondensaatorite kasutusaja puhul rakendatakse sageli ligikaudset reeglit „10 °C – kahekordne kasutusiga“: töötemperatuuri alandamisel umbes 10 °C võrra võib kasutusiga ligikaudselt kahekordistuda.

Kile kondensaatorid

Kile kondensaatorites kasutatakse dielektrikuna polüpropüleeni, polüestri või muud plastkilet. Need kondensaatorid on tavaliselt mittepolaarsed, stabiilsed, neil on väikesed kaod ja nad taluvad suuri impulss- ja vahelduvvoolu.

Polüpropüleenkondensaatoreid hinnatakse eriti nende väikeste dielektriliste kadude, hea stabiilsuse ja kõrge pingega töötamise võime tõttu. Neid kasutatakse DC-link-ahelates, impulssmuundurites, helitehnikas, vahelduvvoolufiltrites jms. Väike ESR võimaldab kilekondensaatoritel taluda suuremat impulssvoolu, kuid võrreldes MLCC- või elektrolüütkondensaatoritega on sama mahtuvusega kilekondensaator füüsiliselt enamasti suurem.

Polümeerkondensaatorid ja tantaalkondensaatorid

Polümeeri- ja tantaalkondensaatoreid kasutatakse siis, kui on vaja suhteliselt suurt mahtuvust kompaktse SMD-korpuses. Tantaalkondensaatorid iseloomustavad stabiilset mahtuvust, väikest lekkevoolu ja häid sagedusomadusi, kuid on polaarsed ning tundlikud ülepinge ja suurte sisselülitusvoolude suhtes. Seetõttu tuleb projekteerimisel arvestada piisava pingevaruga.

Klassikalised MnO₂-tantaalkondensaatorid võivad rikke korral minna lühisesse, mistõttu võib nende kaitsmiseks olla vaja voolu piiramist. Polümeerkondensaatorites kasutatav juhtiv polümeer tagab märkimisväärselt madalama ESR-i, parema pulsatsioonide summutamise ja suurema lubatud pulsatsioonivoolu. Seetõttu sobivad need protsessorite, serverite, sidevarustuse ja DC/DC-muundurite toiteahelatesse.

Mootorikondensaatorid

Mootorikondensaatorid on mõeldud ühefaasiliste vahelduvvoolumootorite käivitamishetke tekitamiseks või nende töö säilitamiseks. Käivituskondensaator („motor start“) on tavaliselt suurema mahtuvusega ja ühendatakse vooluahelasse vaid lühikeseks ajaks, kuni mootor saavutab töökäigu. Töökondensaator („motor run“) jääb pidevalt ühendatuks, mistõttu peab see olema kohandatud pikaajalisele vahelduvvoolukoormusele, temperatuurile ja pulseerivale voolule.

Mootori kondensaator: käivitus- või töökondensaator?

Eesti kasutavad müüjad sageli üldmõistet „mootori käivituskondensaator“, kuid tehnilisest seisukohast ei tohi valikut teha ainult toote nime järgi. IEC-il on eraldi nõuded vahelduvvoolumootorite kondensaatorite toimimisele ja eraldi käivituskondensaatoritele.

IEC 60252-1 hõlmab kondensaatoreid, mis ühendatakse ühefaasiliste asünkroonmootoritega, samuti teatud juhtumeid, kus kolmefaasilised mootorid töötavad ühefaasilises süsteemis. Standard kirjeldab tööpõhimõtet, katseid, nimiparameetreid, ohutus- ja kasutusnõudeid.

Seetõttu tuleb ventilaatori, pumba, väravaajami või kompressori kondensaatori vahetamisel lähtuda eelkõige originaalkomponendi märgistusest ja seadme dokumentatsioonist, mitte põhimõttest „sarnane suurus ja 450 V – tähendab, et sobib“.

Neid tüüpe ei tohi omavoliliselt vahetada isegi siis, kui nende maht on sarnane. Mootori kondensaatori vahetamisel tuleb valida sama või tootja poolt lubatud µF väärtus, mitte väiksem VAC pinge, sobiv käivitus-/töörežiim, töökategooria ja mehaaniline ühendus. Käivituskondensaatorite puhul on oluline ka lubatud sisselülituste arv ja töötsükkel – KEMETi spetsifikatsioonides on tööaeg otseselt seotud sisselülituste arvuga tunnis. Selliseid kondensaatoreid kasutatakse ventilaatorites, pumpades, kompressorites, konditsioneerides ja muudes ühefaasilistes ajamites.

X- ja Y-klassi ohutuskondensaatorid

X- ja Y-klassi ohutuskondensaatorid on mõeldud otse elektrivõrguga seotud elektromagnetilise häirete summutamise ahelatele. X-klassi kondensaator ühendatakse faasi ja nulljuhtme vahele – selle rikke korral on kõige olulisem vähendada tuleohtu. Y-klassi kondensaator ühendatakse faasi või nulljuhtme ja kaitsealuse maanduse vahele, mistõttu võib selle rike põhjustada elektrilöögi ohtu.

Sel põhjusel kehtivad Y-klassi kondensaatoritele rangemad isolatsiooni-, impulspinge- ja lekkevoolu nõuded. Tavalist, vaid nõuetekohasele pingele arvutatud kondensaatorit ei tohi kasutada sertifitseeritud X- või Y-klassi komponendi asemel.

Valimisel tuleb kontrollida konkreetset klassi – näiteks X1, X2, Y1 või Y2 –, nimipinget VAC, impulspingekindlust, sertifitseerimismärke ja kohaldatavat IEC-standardit. KEMETi selgituses on esitatud X- ja Y-kondensaatorite ühendamise võrdlus ning nende erinevate rikkeohtude võrdlus.

Kondensaatori märgistus – mida tuleb teada?

Võtame näiteks Eesti turul pakutava toote: toote kirjelduses on märgitud 16 µF ±5 %, 450 VAC, –40…+70 °C. Need neli parameetrit vastavad neljale erinevale küsimusele:

milline on mahtuvus,

milline on selle tolerants,

millisele pingele komponent on mõeldud,

millisel temperatuuril on lubatud seda kasutada.

16 µF on nimimahtuvus. See ei tähenda, et iga uus komponent peab laboris näitama täpselt 16,000 µF – selleks ongi ette nähtud tolerants.

Kui kondensaatori nimiväärtus on 16 µF ±5 %, siis on aritmeetiline nimivahemik:

Seega on uue komponendi spetsifikatsioonide tolerantsivahemik 15,2–16,8 µF. Siiski ei piisa ainult sellest testist kõigi rikete kindlakstegemiseks, kuna jäävad veel ESR, lekkevool ja muud parameetrid.

450 VAC näitab vahelduvvoolu tööpinge klassi. Seda ei tohi mehaaniliselt samastada märkega 450 VDC. Näiteks märgib „Lemona“ 330 µF elektrolüütkondensaatori puhul 400 VDC, samas kui LT mootorite toodetel on sageli märgitud 450 VAC – need on erinevate töörežiimide jaoks mõeldud komponendid.

–40…+70 °C on temperatuurivahemik, milles kondensaatorit on lubatud kasutada.

Muud märgistused:

Polariteet on eriti oluline alumiiniumelektrolüüt- ja paljude tantaalkondensaatorite puhul. Asenduskomponent tuleb paigaldada vastavalt konkreetse komponendi märgistusele, ei tohi tugineda ainult korpuse kujule.

ESR – ekvivalentne jadatakistus. Mida suurem vahelduv- või impulssvool kondensaatori kaudu voolab, seda olulisemaks muutuvad ESR-kaod ja soojus. Analog Devices nimetab ESR-i üheks peamiseks tegelikuks tööparameetriks.

ESL – ekvivalentne järjestikune induktiivsus. Kõrgetel sagedustel võib see olla eriti oluline, et kondensaatori parameetrid ei kalduks ideaalsetest väärtustest kõrvale. Seetõttu ei ole suur elektrolüütkondensaator ja väike keraamiline kondensaator automaatselt omavahel asendatavad ainult sellepärast, et nende nimimaht on sama.

Kuidas kondensaatorit valida?

Kõige praktilisem viis on hinnata asendajat mitte ühe arvu, vaid kriteeriumide süsteemi alusel.

Näiteks küsimusele „kas ma saan 16 V elektrolüütkondensaatori asendada 25 V-ga?“ ei ole ühtset vastust. Tavalises madalpingelises alalisvooluahelas on see võimalik, kui ühtivad mahtuvus ( ), polaarsus, ESR, ripple-voolu nõuded, temperatuur, suurus ja muud ahela tingimused.

Seda loogikat ei saa aga üle kanda X/Y-turvakondensaatoritele ega vahelduvvoolumootori kondensaatoritele. Seal ei asenda „kõrgem pinge“ üksi sobivat tehnoloogiat, vahelduvvooluklassi, töörežiimi ega standarditele vastavust.

Samuti ei tohiks elektrolüütkondensaatorit automaatselt asendada sama nimimahtuvusega MLCC-ga. TDK märgib, et MLCC-l on madalam ESR ja see võib vähendada pulsatsioone, kuid see võib muuta tagasisideahela stabiilsust, ning 2. klassi MLCC efektiivne mahtuvus sõltub alalisvoolu mõjust.

Kuidas kontrollida kondensaatorit multimeetriga?

Esimene diagnostikaetapp on visuaalne. Puhunenud korpus, elektrolüüdi lekkimine, praod või termilise kahjustuse märgid on tõsine hoiatus. Kuid normaalselt välja nägev kondensaator ei ole veel tõend selle kohta, et selle mahtuvus ja ESR on korras.

Fluke märgib, et digitaalne multimeeter määrab mahtuvuse kindlaks, laadides kondensaatorit teadaoleva vooluga ja arvutades mahtuvuse pinge muutuse alusel.

Lülitage toide täielikult välja ja veenduge, et vooluahelas ei ole jäänud toitepinget.

Laadige kondensaator tühjaks ja veenduge multimeetriga, et see on tõepoolest tühjaks laetud.

Ühendage kondensaator vooluringist lahti, kuna teised komponendid võivad tulemust moonutada.

Lülitage multimeetri mahtuvuse režiim sisse ja oodake, kuni mõõtmistulemus stabiliseerub.

Võrrelge saadud tulemust nimimahtuvuse ja lubatud hälbega; kui vooluring on ESR-tundlik, tehke täiendav ESR/LCR-mõõtmine.

Näiteks peaks 470 µF kondensaatori ja 20 kΩ takisti tühjenemisaeg olema umbes 9,4 s. Kui kondensaatoril oleks alguses 400 V, jääks viie sekundi pärast alles umbes 235 V. Seetõttu mõõdetakse ohutuse tagamiseks jääkpinge, mitte ei oodata, kuni möödub paar sekundit.

Kondensaatorite praktilised arvutused

Kondensaatorite paralleelühendus

Paralleelselt ühendatud kondensaatorite mahtuvused liidetakse:

Seega annavad 10 µF ja 100 nF ehk 0,1 µF paralleelselt ühendatuna ideaaljuhul 10,1 µF kogumahtuvuse. See ühendamise reegel on esitatud OpenStaxi füüsikavõrrandites.

Praktikas võib sellist kombinatsiooni kasutada mitte ainult nimimahtuvuse suurendamiseks. Erineva konstruktsiooniga kondensaatoritel võivad olla väga erinevad ESR- ja ESL-väärtused, mistõttu nende sageduslik käitumine ei ole identne.

Kaks ühesugust kondensaatorit järjestikku

Jadaühenduse puhul:

Kui mõlemad kondensaatorid on 100 µF, on ideaalne kogumaht 50 µF.

See ei tähenda, et mis tahes kahte kondensaatorit saaks lihtsalt järjestikku ühendada, et „kahekordistada lubatud pinget“. Reaalses projektis tuleb kontrollida pinge jaotust, lekkevoolu ja muid parameetreid, mistõttu järgitakse kõrgepinge konstruktsioonides konkreetset projekteerimisdokumentatsiooni.

Energia ja ohutus

100 µF kondensaator kogub 24 V pingel:

Sama 100 µF kondensaator kogub 400 V pingel:

Mahtuvus jäi samaks, kuid energia suurenes rohkem kui 270 korda, kuna see sõltub V²-st. Just seetõttu ei saa kondensaatori µF-väärtuse põhjal üksi järeldada selle ohutust.

Kõige sagedasemad rikked ja küsimused

Lühike kondensaatori valiku loogika: määrake esmalt kindlaks kondensaatori funktsioon, seejärel mahtuvus ja tööpinge, seejärel AC/DC ja ohutusklass, polaarsus, ESR/ripple ja temperatuur ning viimases etapis füüsiline suurus ja ühendused. Keerulisemas vooluahelas kinnitab lõpliku valiku tootja spetsifikatsioon, mitte komponendi värv ega ainult µF-märge.