En mycket viktig och ofta använd komponent inom radiotekniken och elektroniken är kondensatorn. Som visas i figur UPPGRADERING-5.1.1 består en kondensator i princip av två ledande ytor (plattor, skikt eller elektroder) som är åtskilda av en isolator – det så kallade dielektrikumet.
De geometriska måtten bestämmer en viktig egenskap hos en kondensator, nämligen förmågan att lagra laddning. Denna förmåga kallas kapacitans och betecknas med formelbokstaven $C$. Ju större kapacitansen är, desto mer elektrisk laddning $Q$ kan lagras. Om den pålagda spänningen ökas lagras också mer laddning.
Följande formel visar sambandet.
$$Q = C \cdot U $$Enheten för laddningen $Q$ är $\unit{\ampere\second}$
Enheten för kapacitansen $C$ är $\unit{\ampere\second\per\volt}$ eller kort farad $\unit{\farad}$, till minne av den engelske naturforskaren Michael Faraday (1791 – 1867). $\qty{1}{\farad}$ är kapacitansen hos en kondensator i vilken laddningen $\qty{1}{\ampere\second}$ lagras vid spänningen $\qty{1}{\volt}$.
Läggs en spänning på en kondensator uppstår ett elektriskt fält $E$ mellan de ledande plattorna. Detta samband har vi redan lärt känna i kapitlet om det elektriska fältet: Ju högre pålagd spänning och ju mindre avstånd mellan plattorna, desto starkare är det elektriska fältet. Matematiskt uttrycks det så här:
$$E = \frac{U}{d}$$För att beräkna kondensatorns kapacitans ur måtten används följande formel:
$$C = \frac{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \cdot A}{d}$$Formelns storheter är:
| Material | $\varepsilon_r$ |
|---|---|
| Luft (torr) | 1,00059 |
| Massiv PE (polyeten) | 2,29 |
| Skum-PE | 1,5 |
| PTFE (teflon) | 2,0 |
Man konstaterar först att spänningen $U$ inte förekommer i formeln, så kapacitansen beror inte på spänningen. Kapacitansen hos en kondensator minskar när plattavståndet blir större, och ökar när plattytan blir större eller när dielektrikumets $\varepsilon_r$ blir högre.
Låt oss först betrakta kondensatorn vid likström. I figur UPPGRADERING-5.1.3 visas en krets för uppladdning av en kondensator. Vi antar att kondensatorn $C$ från början är oladdad, alltså ännu inte har lagrat någon elektrisk laddning. När strömbrytaren sluts ansluts kondensatorn $C$ via ett motstånd $R$ till en likspänningskälla (batteri).
Den pålagda spänningen skapar ett elektriskt fält mellan kondensatorplattorna. Detta fält orsakar en omfördelning av laddning: Elektroner trycks från spänningskällans minuspol till den anslutna kondensatorplattan, så att ett överskott av elektroner bildas där. Samtidigt dras elektroner från den motsatta plattan till spänningskällans pluspol, så att det uppstår ett underskott av elektroner. Trots att ingen ström flyter genom dielektrikumet leder denna laddningsseparation till att kondensatorn laddas upp.
Det betyder: I början flyter en hög ström som bara begränsas av motståndet $R$. Med tiden lagras mer och mer laddning i kondensatorn. Därför minskar strömmen kontinuerligt, medan spänningen $U_C$ över kondensatorn stiger tills den är fullt uppladdad. I detta tillstånd flyter till sist ingen ström längre.
Förloppet sker dock inte momentant utan med fördröjning. Kondensatorspänningen stiger enligt en så kallad exponentialfunktion, som visas i figur UPPGRADERING-5.1.4. Hur lång tid uppladdningen tar beror på seriemotståndet: Ju större motstånd, desto längre tar det innan kondensatorn är ”helt” laddad. Med ett oscilloskop, som i figur UPPGRADERING-5.1.5, som vi redan har lärt känna, kan detta tidsförlopp tydligt observeras och undersökas.
Vid urladdning flyter strömmen i motsatt riktning mot laddströmmen och spänningen över kondensatorn byggs långsamt ned.
Vid växelström och växelspänning måste vi ta hänsyn till ytterligare en viktig aspekt: En kondensator beter sig som ett frekvensberoende motstånd. Detta kan beskrivas med sambandet
$$|X_C| = \frac{1}{\omega\cdot C} = \frac{1}{2\pi\cdot f \cdot C}$$och kallas kapacitiv reaktans $X_C$.
De exakta fysikaliska bakgrunderna lär vi känna längre fram. Redan nu är det viktigt att veta att en kondensators reaktans är omvänt proportionell mot frekvensen: Minskar man frekvensen blir den kapacitiva reaktansen $X_C$ större. Ökar man däremot frekvensen minskar reaktansen i motsvarande grad.
Nu har vi lärt känna några grundläggande elektriska egenskaper hos en kondensator, och härnäst ska vi titta på de olika utförandena. Figur UPPGRADERING-5.1.6 visar olika typer av kondensatorer.
Som dielektrikum, alltså isolatorskikt, kan olika material användas:
Beroende på uppbyggnad skiljer man dessutom på:
Luftkondensatorer och keramiska kondensatorer, som visas i figur UPPGRADERING-5.1.7, används gärna till exempel i HF-filter.
Elektrolytkondensatorer (kort elko) innehåller en tunn, uppruggad aluminiumfolie som är nedsänkt i en elektrolyt (t. ex. borax). Elektrolyten orsakar en kemisk oxidation av aluminiumytan. Oxidskiktet som bildas är mycket tunt, och därför ökar kapacitansen kraftigt trots liten storlek. Det tunna skiktet har dock en begränsad spänningshållfasthet, som anges på elkon. Elektrolytkondensatorer får bara användas med likspänning. Polariteten måste därför beaktas, annars bryts oxidskiktet ned och spänningshållfastheten sjunker. Kondensatorn förstörs. Alla andra kondensatorer kan också anslutas till växelspänning.
För lindade filmkondensatorer bearbetas plaster i särskilda processer till extremt tunna folier, förses med elektroder och lindas sedan till en rulle eller läggs i skikt och fogas samman till en kondensator, som visas i figur UPPGRADERING-5.1.8. Vid sidan av keramiska kondensatorer och elektrolytkondensatorer hör de till de mest använda kondensatortyperna.
Vridkondensatorer används ofta i slutsteg och anpassningsnät. Hos dem kan kapacitansen ställas in genom att en del av plattorna är monterade på en isolerad axel och roterar mellan fasta plattor. Därmed ändras plattornas verksamma överlappningsyta och därmed kapacitansen, som visas i figur UPPGRADERING-5.1.9. Trimkondensatorer arbetar enligt en liknande princip men är inte avsedda för regelbunden justering. De används i stället för engångs- eller tillfällig justering av kretsar, till exempel vid idrifttagning eller kalibrering.
Kretssymbolerna för de olika kondensatorerna skiljer sig också åt, som visas i figur UPPGRADERING-5.1.10.
Symbolernas betydelse: a) Fast kondensator b) polariserad kondensator / elektrolytkondensator (elko) / tantalkondensator c) vridkondensator d) trimkondensator för justering
