Kondensatorer

Lidt teori

En pladekondensators kapacitet kan beregnes ved hjælp af Gauss’ lov:

$$C=\epsilon_0\cdot \frac{A}{d}$$

Hvor $\epsilon_0$ er en fysisk konstant som kaldes permittiviteten, $A$ er en af pladernes areal (antager de er lige store), og $d$ er afstanden mellem pladerne.

Fra ovenstående ligning kan vi se at større plader ($A$) giver større kapacitet, og mindre afstand, $d$, giver større kapacitet.

Ofte er der ikke plads til store kondensatorer hvorfor der i praksis anvendes forskellige tricks til at forøge kapaciteten af en kondensator – uden at rumfanget bliver for stort.

Et trick er at anvende dielektrisk materiale imellem pladerne. De dielektriske atomer/molekyler vender sig (eller placeres) med $+$ imod $-$ i det eksterne felt, og med $-$ imod $+$ i det eksterne felt. Resultatet er at der dannes små E-felter i modsat retning af det ydre E-felt (mellem pladerne). Derved reduceres det samlede E-felt. Det ses fra nedenstående beregning at kapaciteten derved forøges:

$$Q=U\cdot C$$

$$C=\frac{Q}{U}=\frac{Q}{E\cdot d}$$

Design ligningen for en pladekondensator skal nu korriges og bliver:

$$C=\epsilon_r \cdot \epsilon_0\cdot \frac{A}{d}$$

$\epsilon_r$ er en korrektionsfaktor så produktet $\epsilon_r\cdot \epsilon_0$ giver permittiviteten i det aktuelle materiale. $\epsilon_r$ kaldes også den dielektriske konstant.

Et andet trick er at øge det effektive overfladeareal af pladerne ved at ætse overfladen. Det gøres f.eks. i aluminium elektrolytkondensatorer, se foto af overflade nedenfor (kilde: Wikipedia, bruger Elcap, eget arbejde):

Ifølge Rubycon med flere kan det effektive areal gøres 10-150 gange større end det tilsyneladende ved at ætse overfladen. Med det tilsyneladende areal, mener jeg det areal som du kan måle med lineal hvis du skiller en elektrolyt-kondensator af. Om producenten vælger en faktor i den lave ende 10 – eller i den høje ende, dvs. 150, afhænger af kondensatorens anvendelse, f.eks.: spændingsområde og krav til kondensatorens livstid.

Et tredje trick, som f.eks. også anvendes i aluminium elektrolyt-kondensatorer er at opnå meget små $d$ værdier (afstand mellem “pladerne” ved at anodisere det dielektriske materiale (isolatoren) på anodens overflade. Aluminium oxiderer naturligt, men ved at anodisere oxid på aluminium opnås veldefineret og robust lag – men også et lag hvor det dielektriske materiale er placeret korrekt i forhold til det eksterne E-felt. Vi har nu en stor overflade (på grund af ætsning) og et tyndt dielektrikum (på grund af anodisering), men hvordan placeres den anden “plade” tæt på dielektrikum? Det gøres ved at anvende en flydende “plade”. Elektrolytten er en ledende væske som kan komme så tæt på dielektrikum og den ætsede overflade som muligt og som derved udgør den anden “plade”.

Elektrolytkondesatorernes store ulempe

Elektrolytkondensatorer er smarte fordi de, på relativ lille plads, opnår høje kapacitetsværdier. Det gøres ved at anvende alle tre tricks nævnt ovenfor. Når elektrolytkondensatorer dannes, formes oxideringslaget, dvs. dielektrikum, ved en proces kaldet anodisering. Dette tynde oxideringslag tåler desværre kun spændinger med samme fortegn som anvendtes under anodiseringen – vendes spændingen ødelægges kondensatoren. I praksis tåler elektrolytkondensatorer op til omkring 0,4V i forkert retning inden de tager skade. Det stiller nogle krav til hvordan kondensatortypen indsættes i kredsløb.

Videoer om kondensatorer:

Doc Schuster forklarer hvordan dielektrikum forøger kapacitet af en kondensator.

RimStarOrg viser her hvordan du kan bygge din egen kondensator og her hvordan en elektrolytkondensator kan bygges.

Let’s See Inside skiller en elektrolyt kondensator ad (skru evt. ned for lyden).

ElectronicsNotes forklarer om fremstilling af elektrolyt-kondensatorer og om anvendelse.

Kemet viser lidt om fremstilling af elektrolytkondensatorer.