Condensator

Een condensator is een passief elektrisch component, dat in veel elektronische schakelingen wordt gebruikt, en een elektrische lading kan opslaan.
De meest eenvoudige condensator bestaat uit een tweetal geleidende platen, die op een geringe afstand van elkaar zijn gescheiden, met daartussen een isolerend materiaal (diëlektricum). De isolerende tussenstof tussen de platen van moderne condensatoren kan lucht of polystyreen zijn, aluminiumoxide of een ander isolatiemateriaal.
Een condensator heeft de eigenschap wisselspanning door te laten en gelijkspanning te blokkeren.

Basisformules

Het vermogen van een condensator om een elektrische lading op te slaan wordt de capaciteit genoemd en wordt uitgedrukt in de eenheid farad ( symbool F ). Als standaardefinitie hiervoor geldt:

Een condensator die een lading van 1 coulomb bevat terwijl er een spanning van 1 volt tussen de platen staat, heeft een capaciteit van 1 farad.

De spanning over een condensator is rechtevenredig met de lading op de condensator. Het verband tussen de spanning U in volt en de lading Q in coulomb wordt gegeven door:

• Q = C • U

hierin is:

• C de capaciteit in farad ( F )
• U de spanning in volt ( V )
• In de praktijk wordt (bijna) uitsluitend met microfarad = μF ( 10 ^-6F ) en met picofarad = pF ( 10 ^-12F ) gewerkt. Ook wordt wel de term nanofarad = nF ( 10 ^-9F ) gebruikt.

De capaciteit C wordt bepaald door:

• Het oppervlak A van de geleiders in m²
• De afstand d tussen de geleiders in m
• De diëlektrische constante ε tussen de geleiders in F/m

Het verband tussen deze grootheden ligt besloten in:

• C =   ε . A /d

Gelijkspanning ( RC-tijd )

Als een condensator op een gelijkspanningsbron met een spanning U wordt aangesloten, dan zal de condensator binnen een bepaalde tijd een lading Q aannemen. De snelheid waarmee de condensator wordt geladen, hangt af van de grootte van de weerstand R en de capaciteit van de condensator C.
Het verband tussen R en C wordt uitgedrukt in de tijdconstante τ van de schakeling, waarbij:

• τ = R • C (sec)

Het opladen gebeurt volgens een e-kromme.

• Het getal e – meestal de constante e genoemd – is het grondtal van de natuurlijke logaritme 2,7182818.....

Zoals uit de grafiek blijkt, is de condensatorspanning U na τ seconden gestegen tot 0,632 U_max en na 5τ tot ongeveer 100 % van de aangelegde spanning U.

• In formulevorm:U = U_max ( 1 - e ^{t / τ})

Ook het ontladen van de condensator gebeurt volgens een e-kromme, maar dan in omgekeerde zin.

• In formulevorm:U = U_max • e ^{t / τ}
• Terwijl de spanning over de condensator toeneemt, neemt de spanning over de weerstand R en de stroom I door de hele schakeling exponentieel af.

Rekenvoorbeeld

De laadtijd berekenen, als R = 20 kΩ en C = 32 μF.

Wisselspanning

Bij een aangelegde wisselspanning met frequentie f, wordt de condensator afwisselend geladen, ontladen en tegengesteld geladen, waardoor ( schijnbaar ) stroom wordt doorgelaten. De stroom door de condensator hangt direct samen met de hoeksnelheid ω = 2πf van het net en de capaciteit C van de condensator.
Hoe hoger de frequentie f, hoe groter de stroom I, en ook: hoe groter de capaciteit C hoe groter de stroom I.

• Op de afbeelding is één periode van 50 Hz door een sinusoïde weergegeven, uitgedrukt in de hoeksnelheid ω met als eenheid: radialen/seconde ( rad/sec ).

Voor één periode geldt, dat ω = 2π rad = 360⁰ ( tijdsduur: 1/50 = 0,02 sec )

Capacitieve reactantie

In bijgaande RC-schakeling is:

• Z_C = de capacitieve reactantie in  1 /ωC in Ω
• Z_R = de weerstand R in Ω

Door de capaciteit C zijn de stroom I en de spanning U_C niet meer in fase met elkaar.¹⁾ Bij een capaciteit verschuift namelijk de stroom I over een hoek van 90⁰ ten opzichte van de spanning U_C. Dit komt tot uitdrukking in de impedantiedriehoek, waar de capacitieve reactantie Z_C loodrecht op de weerstand Z_R = R staat. Uit deze impedantiedriehoek volgt ook de totale impedantie:

Impedantiedriehoek

De spanningen U_C en U_R volgen uit:

U_C = I • Z_C = I •  1 /ωC

U_R = I • Z_R

Hieruit is de stroom I af te leiden:

I = U_C • ωC

Rekenvoorbeeld

De capacitieve reactantie Z_C berekenen, als C = 8 μF en f = 50 Hz.

Parallelschakeling van condensatoren

Door condensatoren parallel te plaatsen, wordt in feite het oppervlak van de platen vergroot, en neemt de capaciteit toe. Om die reden geldt dan ook, dat de capaciteiten van de condensatoren bij elkaar worden opgeteld, om tot de vervangingscapaciteit C_p te komen.

• C_p = C₁ + C₂ + …… C_n

De spanning U is voor alle condensatoren gelijk.

Serieschakeling van condensatoren

Door condensatoren in serie te schakelen, is de stroom I door elke condensator gelijk, maar vormen de spanningen over de afzonderlijke condensatoren samen de aangelegde spanning U.

Voor de vervangingscapaciteit C_s, geldt het volgende:

• 

Bij twee condensatoren parallel, wordt de formule teruggebracht tot:

• 

Toepassingen

Starter van een TL-lamp

Condensatoren vinden in de elektrotechniek en in de elektronica zeer veel toepassingen. Het gaat te ver om al deze toepassingen hier te noemen, maar de voornaamste hiervan mogen niet ontbreken.

• Tijdelijke opslag van energie: Condensatoren worden gebruikt om veranderingen in elektrische lading te overbruggen en af te vlakken, zoals in gelijkrichters
• Blokkeren van gelijkspanning in filters: een filter kan worden gebruikt om een ongewenst frequentiegebied uit een signaal te verwijderen
• Greinachercascade (verdubbelaar): voor het creëren van hoge spanningen
• Als geheugencel in computers voor tijdelijke dataopslag: Dynamic RAM
• Voor de toonregeling in audioapparatuur
• Bij TL-verlichting sluit de condensator in de starter de optredende hogere harmonischen kort, en zorgt dat de onderbreking van de stroom in het neonlampje bij het starten vonkvrij gebeurt.
• Cos φ-compensatie in netten en installaties¹⁾ met behulp van condensatorbatterijen.

Opbouw van condensatoren

Er zijn enkele methoden om condensatoren te fabriceren. De voornaamste zijn wel:

• Film/folie condensatoren. Bij deze bouwwijze worden twee metaalfolies en twee kunststoffilms om-en-om opgerold. Aan elke metaalfolie wordt een draad verbonden.
• Tantaalcondensatoren. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de poreusheid van een bepaalde legering van het metaal Tantalum.
• Keramische condensatoren. Deze zijn opgebouwd uit een opeenstapeling van laagjes geleidermateriaal en isolatie. Het diëlektricum is een mengsel van diverse metaaloxiden.

Elektrolytische condensator

Naast de gebruikelijke condensatoren, zijn er ook condensatoren met een afwijkend diëlektricum, namelijk met een
elektrolyt ²⁾ of een ander bijzonder diëlektricum. Deze elektrolytische condensatoren - meestal elco's genoemd - hebben een speciale eigenschap. Een elco is namelijk gepolariseerd. Dit houdt in, dat de elco een positieve pool heeft en een negatieve pool. Dit betekent, dat een elco niet bestand is tegen het aanleggen van de verkeerde polariteit. In dat geval zal de elco defect raken en kan deze ontploffen.
Voor bijvoorbeeld het afvlakken van voedingsspanning na gelijkrichting, worden vaak elco's toegepast, aangezien deze een zeer hoge capaciteit kunnen bereiken.

Bronvermelding

Bronnen, noten en/of referenties:

• ¹⁾ Bij een zuiver ohmse belasting – gevormd door verwarmingsweerstanden of gloeilampen - bereiken de stroom I en de spanning U beide tegelijkertijd het minimum en het maximum. Door de aanwezigheid van een inductief net zijn de stroom en de spanning niet meer in fase met elkaar : de faseverschuiving.

Aangezien deze faseverschuiving tot grotere belastingen van de installate of het net zorgt, worden aan de grootte daarvan eisen gesteld en moet worden gezorgd, dat een gestelde grens niet wordt overschreden.

Dit gebeurt door cosφ-compensatie, met behulp van condensatorbatterijen.

• ²⁾ Een elektrolyt is een vloeistof die ionen bevat en hierdoor geleidend is. Als elekrolyt in elco’s werd vroeger boorzuur ( H₃BO₃ ) verwerkt. Tegenwoordig wordt het diëlektricum in elco's voornamelijk gevormd door een dun laagje aluminiumoxide ( Al₂O₃ ).