Energiatárolók, kondenzátorok
2010/4. lapszám | Polgár Viktor | 19 072 |
Figylem! Ez a cikk 14 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A XXI. században tovább folytatódott a hihetetlen módon felgyorsult technikai fejlődés és ez megmutatkozik az elektronika fejlődésében is. Ma már a korábban elképzelhetetlennek tartott berendezések, készülékek kerülnek le a tervezők asztaláról, rögtön gyártásra kész állapotban, végül a késztermékek a mindennapi életben kerülnek alkalmazásra. Sorozatban készülnek a biztonságos üzemvitelhez nélkülözhetetlen szünetmentes áramforrások, az aktív és passzív szűrők, a híradástechnikai „csodák” stb. A fenti eszközök azonban nem képzelhetők el kondenzátorok nélkül.
Mit is kell ezekről tudni?
Az elektromos töltések tárolására készített technikai eszközöket kondenzátoroknak (régies nevén „sűrítő”-nek) nevezzük. Minden kondenzátor legalább két párhuzamos vezető anyagból (fegyverzet) és a közöttük lévő szigetelőanyagból (dielektrikum) áll. Az első kondenzátor a leydeni palack volt, amelyet Pieter von Musschenbroek készített 1746-ban a leydeni egyetemen. Az elektronikában a kondenzátorokat kétféle módon csoportosíthatjuk.
- A dielektrikum fajtája szerint:
- Levegő
- Ásványolaj
- Papír + ásványolaj
- Műanyag (pl. stiroflex)
- Kerámia
- Fém-oxid (elektrolit kondenzátorok esetén)
- Szerkezeti felépítés szerint:
- fix értékű
- változtatható kapacitású
Kapacitás
A kapacitás a kondenzátor legfontosabb jellemzője. Minden test alkalmas töltések fogadására, tárolására, ezt nevezzük idegen szóval kapacitásnak, C-vel jelöljük (capacitor). A kapacitás definíció szerint a kondenzátorban felhalmozódott töltések és az ezek által létrehozott feszültség hányadosa, vagyis: C = Q/U. A kapacitás jellemző az adott rendszerre. Főként annak szerkezeti kialakításától és a benne található dielektrikumtól függ, illetve kisebb mértékben a saját feszültségétől, töltésétől. Ha ez a függés jellemzővé válik, akkor nemlineáris kondenzátorról beszélünk. Bizonyos alkalmazásokban ezt az összefüggést használják ki. Például ilyen a variocap dióda (bár ez valójában nem tipikus kondenzátor, de a működési elve szerint valóban egy dióda belsejében kialakult feszültségfüggő síkkondenzátorról van szó. A vonatkozó összefüggés alapján a kapacitás mértékegysége a Farad (F): 1 F kapacitása van annak a rendszernek, amelybe 1 As töltést téve 1 V feszültség lép fel. A kondenzátor legegyszerűbb változata a síkkondenzátor. Ezt két párhuzamos fémlemez (fegyverzet) képezi, amik között szigetelőanyag található. Bonyolultabb megvalósítása a tömbkondenzátor, ami több síkkondenzátor egymás mellé helyezését jelenti. Tekercselt kivitelű kondenzátorokat használnak olcsó, kevésbé igényes alkalmazásokban (pl. fénycsőgyújtó).
Névleges feszültség
A dielektrikum anyagától és vastagságától függő legnagyobb feszültséget, amelynél a kondenzátor dielektrikuma még biztosan nem károsodik, a kondenzátor névleges feszültségének nevezzük. A gyakorlatban ez jóval nagyobb szokott lenni a kondenzátor üzemi feszültségénél. Értékének túllépése esetén – egyszerűen szólva – a kondenzátor tönkremegy. Valójában a dielektrikum megváltozása (károsodása) okozza a tönkremenetelt (átütést). A károsodás hatására a belső feszültségviszonyok megváltoznak, nagyobb igénybevételnek teszik ki a tekercset, amely további átütésekhez vezethet. A mai technikai színvonalon már elvárás minden nagyteljesítményű kondenzátor robbanás elleni védelme, amit a túlnyomás elve alapján kialakított valamilyen mechanikai vagy elektronikus kialakítás lát el. Legelterjedtebb módja túlnyomásos szakadó szállal történő biztosítás. A fém vagy műanyag házon belül keletkező túlnyomás hatására a rugalmas kialakítással rendelkező fedél („membrán”) megemelkedik és a kondenzátor tekercs (háromfázis esetében tekercsek) kivezetőit (amelyeket ékalakban meggyengítettek) a kidomborodó membrán elszakítja. Ezáltal teljesen leválik a hálózatról, és nem okoz környezeti károsodást a meghibásodott kondenzátor.
A technika fejlődésével megváltozott gyártásstruktúra különleges alkatrészeket, különleges kondenzátorokat követel meg.
Főbb kondenzátortípusok
- Elektrolit kondenzátorok
Az alumíniumfóliás elektrolit kondenzátorok egyik fegyverzete alumíniumfólia, amelyre elektrokémiai eljárással alumíniumoxid kerül. Az alumíniumoxid dielektrikumként működik. Így a kondenzátor egyik fegyverzete az alumíniumfólia, a másik fegyverzet az elektrolit (folyadék vagy gél formájában). Ezeknek a kondenzátoroknak kis térfogat mellett nagy kapacitásuk van (0,5 mikrofarádtól kezdve ma már akár 100 mF-ig is terjedhetnek), de veszteségeik jelentékenyek lehetnek. Az elektrolit kondenzátorok legfontosabb felhasználási területe a váltakozófeszültségből egyenirányított egyenfeszültségek stabilizálása tápegységekben, valamint szűrőkondenzátorként az alacsony frekvenciás váltóáramú összetevők kiszűrése. Általánosságban elmondható róla, hogy nagyfrekvenciás tulajdonságai rosszak, veszteségi tényezője viszonylag magas, értéke bizonytalan, ugyanakkor fajlagos kapacitás értéke magas. Komoly hátránya, hogy polaritás érzékeny. Léteznek váltakozó áramú változatok is, ezekben kettős anódfólián van oxidréteg. Ezek fajlagos kapacitása fele akkora. - Tantál kondenzátorok
Tulajdonságai hasonlóak az alumínium-elektrolit kondenzátorokéhoz. Fajlagos kapacitásuk még magasabb, nagy frekvenciás tulajdonságai pedig sokkal jobbak. Kevésbé öregszik és szélesebb hőmérséklet-tartományt visel el.
- Fóliakondenzátorok
Leggyakrabban tömb, illetve tekercselt kivitelben készülnek. A tömb kivitel szórt induktivitása és ekvivalens soros ellenállása alacsonyabb, ezért magasabb frekvenciákon jobban használható. A tekercselt kivitelt egyszerűbb gyártani, ezért ára alacsonyabb. A felhasznált fólia anyagától függően különböző tulajdonságokra lehet optimalizálni.
– Polisztirol – Viszonylag rossz fajlagos kapacitású kondenzátor, korlátozott hőmérséklettűréssel. Kedvező öregedési tulajdonságai miatt precíziós analóg elektronikában alkalmazzák. Veszteségi tényezője alacsony.
– Polipropilén
– MKP öngyógyuló kisfeszültségű kondenzátor
Hosszú élettartam, öngyógyuló képesség, alacsony veszteségi tényező (általában <0,2 W/kvar)
– MKPg öngyógyuló kisfeszültségű kondenzátor
Az MKP-nek megfelelő tulajdonságokon kívül térkitöltő anyagként semleges gáz (általában nitrogén) védi a levegő káros hatásaitól a tekercselemeket, és meghibásodás esetén a gáz távozik a kondenzátorból: „teljesen száraz kivitel”.
– MSD öngyógyuló középfeszültségű kondenzátor
MKP elemekből álló száraz kivitelű középfeszültségű kondenzátorok …10000 V AC-ig. Szilárd anyagokból felépített „száraz” kondenzátor, túlnyomás védelemmel.
– Radiális, kis induktivitású DC kondenzátorok
Rendkívül kis soros ellenállással és nagy impulzusállósággal rendelkező kondenzátorok általában 500…1600 V DC tartományban. Elsősorban puffer kondenzátornak ajánlható, magas effektív áramértéknél. Szintén nagyon jó öngyógyító jellemzőkkel bírnak.
– Axiális, kis induktivitású DC kondenzátorok
A viszonylag magas feszültségig alkalmazott …5000 V DC ellenére száraz technológiával rendelkező, jó impulzus állóképességgel és kapacitás-térfogat aránnyal rendelkező kondenzátorok. Elsősorban puffer kondenzátorként használhatjuk , de megszakító áramkörökhöz is megfelelő. A házban a kondenzátor részeit szilárd gyanta (PUR) veszi körül. Nagyon jó öngyógyító jellemzőkkel bírnak.
– Poliészter
Leginkább magasfeszültségű alkalmazásra javasolt. Veszteségi tényezője viszonylag magas, ezért nagy frekvenciákon nem használják.
– Poliamid
A poliészterhez hasonló, de magasabb működési hőmérsékletet is tolerál.
– Polikarbonát
Kiváló szigetelési tulajdonságai miatt nagy feszültségeknél népszerű.
– Teflon
Nagyon kedvező magas frekvenciás tulajdonságokkal rendelkezik, ezért gyakran alkalmazzák mikrohullámú, illetve rádiófrekvenciás alkalmazásokban. Nagyon jó stabilitás, magas átütési szilárdság és kis veszteségi tényező jellemzi, még magas hőmérsékletek mellett is. Hátránya, hogy alacsony dielektromos állandója miatt a fajlagos kapacitása alacsony, valamint igen drága.
– Kerámiakondenzátorok
Kis méretű, fémezett kerámialemezekből álló kondenzátor. Az egyszerűbbek egy darab tárcsa alakú kerámia lemezből állnak. A magasabb értékeket több téglalap alakú lemezből készítik (ún. multilayer). A felhasznált kerámiaanyagtól függően osztályokba sorolják őket.
Különleges kondenzátorok
Az eddig leírtak a kondenzátorok legfontosabb jellemzőire adtak betekintést, általuk megismerhettük általában a kondenzátorokat. Az elektronika szakadatlan fejlődése „rendet vágott” a kondenzátorok gyártásában, felépítésében, kivitelében, szerkezeti kialakításában egyaránt.
Előtérbe kerültek a speciális, egyedi célra kialakított, kondenzátorok, amelyet általánosan különleges kondenzátoroknak nevezünk. Tekintsünk át néhány fajtát az igazán különleges kondenzátotokból!
AC/DC kondenzátorok
Köszönhetően a nagy AC feszültség-terhelhetőségüknek és áram-terhelhetőségüknek ezek általában a teljesítményelektronikában használatosak. Rendre műgyantával vannak töltve, így meggátolható, hogy a ház belsejében levegő káros ionizációt („részletörést”) okozzon.
Ezen kondenzátorok rendkívül jó kapacitás/térfogat aránnyal és öngyógyuló képességgel rendelkeznek.A biztonságos működést a beépített (és a már előzőkben említett) túlnyomás védelem biztosítja.
Un = 420-5000 V AC/700-5000 V DC.
Radiális kis induktvitású DC kondenzátorok
Jellemzőjük: rendkívül kicsi soros ellenállás, nagy impulzusállósság, jó öngyógyító képesség. 500-1600 V DC
Axiális, kis induktivitású kondenzátor
Nagy feszültségük ellenére száraz technológiával és drága szigetelők nélkül készülnek. A kondenzátorelemeket műgyanta (PUR) veszi körül, jellemzőjük az impulzusállósság, kedvező kapacitás/arány, jó öngyógyító képesség. Ezek speciális változata az AC/DC kivitel.
A kis induktivitásuk miatt optimálisak nagy áramú (200-400 A) alkalmazások számára közepes frekvenciákon. 280-2100 V AC/550-5000 V DC
Léteznek kifejezetten az elöregedett áramátalakítók karbantartásához tervezett kondenzátorok is. Ezek olyan öngyógyuló, kiemelkedő teljesítménystabilitással bíró DC-kondenzátorok, amelyek a hagyományos MP-kondenzátorokhoz hasonlóan szabvány méretekkel rendelkeznek. A kis veszteségű polipropilén dielektrikum jóval magasabb AC terhelést tesz lehetővé, mint az MP-kondenzátorok papír dielektrikuma. A biztonságról az olaj helyett alkalmazott szilárd gyanta gondoskodik. Gyanta esetében nincs impregnáló olaj szivárgás és a külső behatások ellen is erősebb védelmet nyújt. Az ilyen kondenzátorok specifikussága miatt a gyártók általában vállalják a szériagyártáson kívüli, egyedi igényeknek megfelelő kondenzátorok legyártását is.
Ma már lehetőségünk van nem csak a vasúti vontatásban alkalmazott speciális kondenzátorok egyedi rendelésére, hanem lényegében bármilyen paraméterű kondenzátort gyártathatunk, ugyanolyan minőségben, mint a szériagyártású kondenzátorok. A nagyon alacsony önellenállástól kezdve a magas impulzusáramon vagy magas működési áramerősségen keresztül a ház anyagáig bezárólag meghatározhatjuk, pontosan mire van szükségünk. Ne féljünk kihasználni ezt a lehetőséget, pontosabb, biztonságosabb, hosszabb távú működést nyerünk ezáltal!
Összességében, az előbbiekben ismertetett kondenzátorok jellemzői a következők:
– nagy áramterhelhetőség,
– kiváló térfogat/kapacitás arány
– nagy túlfeszültségállósság
– jó öngyógyuló képesség,
– az élettartam végéig stabil, állandó értékű kapacitás,
– biztonságos üzemvitel (túlnyomásos védelem),
– nagy energiasűrűségüknek köszönhetően alkalmasok sorba kötött elektrolit kondenzátorok és hasábházas fóliakondenzátorok kiváltására,
– kialakításuk: kompakt cilinderes kivitel, alumínium vagy műanyag házzal.
Összegzés
Jelen cikkben leírt kondenzátorok bemutatásával a cikk írójának nem lehetett más célja mint kinyitni a „világot” a felhasználók számára, megismertetni velük a kondenzátorok gyártásában tapasztalt rendkívül nagy fejlődést és felhívni a figyelmet arra a tényre, hogy ma már a kondenzátorok gyártásában sincs lehetetlen, a felhasználó (ha tudja, hogy hol keresse) mindig megtalálja a számára megfelelő kondenzátort.
A különleges kondenzátorok (mint a neve is mutatja) széles palettával rendelkeznek, nincs olyan területe az elektronikának, amely „fehér folt” lenne, azaz hiány lenne bármely kondenzátorból.
A cikkben ismertetett kondenzátorok valamelyike biztosan beleillik a felhasználók által támasztott követelményekbe.
Minden felhasználónak (legyen igény nagysorozatúra vagy egy-egy darabosra) hasznos keresgélést és sikeres találkozást kíván a cikk szerzője a felhasználó általa megálmodott kondenzátorral.
