Terug naar de Basis pagina

Home

De condensator

Er is een apart hoofdstuk over condensatoren dat uitgebreid een aantal parasitaire eigenschappen van condensatoren beschrijft, en wat dat betekent in audio toepassingen.

Hier een beknopte uitleg over de basis beginselen.

Een condensator bestaat uit twee geleidende platen die gescheiden zijn door een isolatie materiaal. Zo'n samenstel is in staat om een elektrische lading op te slaan.

Fig 1. Condensator

Als er een elektrische spanning op gezet wordt ontstaat er in het isolatie materiaal E (dat kan ook lucht zijn) een ladingsverschuiving. De elektronen in het isolatie materiaal willen naar de positive plaat. Als we de condensator losnemen van de spanningsbron blijft de spanning in principe staan. (Breng in herinnering dat tegengestelde elektrische ladingen elkaar aantrekken)

De mate waarin een condensator lading kan opslaan bij een gegeven spanning noemen we de capaciteit.  De hoeveelheid lading wordt uitgedrukt in Coulomb. 

1 Coulomb is de lading die verplaatst wordt door een stroom van 1 Ampere gedurende 1 seconde. Dat is ook gelijk aan 6.25 * 10¹⁸  elektronen. (miljoen * miljoen * miljoen)

De capaciteit van condensatoren wordt uitgedrukt in de eenheid Farad. De Farad is de capaciteit waarbij er 1 Coulomb of 1 Ampere-seconde opgeslagen is bij een spanning van 1 Volt.

De dimensie van de Farad kan dus geschreven worden als Ampere * Seconde / Volt

De capaciteit is evenredig met de oppervlakte van de platen, en omgekeerd evenredig met de afstand tussen de platen. Verder is een eigenschap van het isolatie materiaal van belang: de relatieve diëlektrische constante. Dit is een dimensieloos getal dat aangeeft hoeveel groter de capaciteit met dit materiaal is t.o.v. lucht. Dit getal duiden we aan met de kleine griekse letter epsilon. Er is ook nog de absolute diëlektrische constante, dat is een natuurconstante met de waarde 8.854 10¹²  Farad / meter. Dit getal wordt aangeduid als "epsilon-nul"

C = O / a * epsilon-r * epsilon-0.  Hier is C de capaciteit in Farad, O de oppervlakte in m2, a de afstand in meter, epsilon-r de relatieve diëlektrische constante, en epsilon-0 de absolute diëlektrische constante.

Een geladen condensator bevat ook een hoeveelheid energie.  Deze is E = ½ C * V²   in  Joule = Watt Seconde = Newton Meter.

Als er een constante stroom in een condensator vloeit neemt de spanning evenredig met de tijd toe. 

U = I * t / C.   U in Volt, I in Ampere, t in seconden, C in Farad.

Je kunt deze formule gebruiken om bijv. de rimpelspanning van een voedings circuit te berekenen.  Neem bijv. een circuit met een belastingsstroom van 2A en een buffer condensator van 10 milli Farad (10,000 uF = 10. 10-3 F). Er is een dubbelfasige gelijkrichter, dus de buffercondensator wordt 100 x per seconde bijgeladen.

De rimpelspanning is dan: Ur = 2 * 0.01 / 10. 10-3 = 2 Volt.   (omdat het bijladen van de condensator ook wat tijd neemt heb je in de praktijk wat minder rimpelspanning)

De formule kent de volgende omkeringen:  I = U * C  / t  ,      C =  (t * I) / U    en      t = U * C / I  

De condensator in combinatie met wisselspanning.

Als we een sinusvormige wisselspanning op een condensator zetten  zien we dat er een stroom gaat lopen die evenredig is met de snelheid waarmee de spanning verandert.

D.w.z. dat de stroom nul is als de spanning niet meer verandert (maximaal is) en maximaal is als de spanning door nul gaat (want dan verandert de spanning het snelst). De stroom ijlt vóór op de spanning.

Degenen die bekend zijn met de differentiaal rekening zullen herkennen dat de stroom de 1e afgeleide van de spanning is, c.q. dat de spanning de naar de tijd geintegreerde van de stroom is..

Fig  2. Faseverschuiving bij een condensator. De stroom loopt vóór op de spanning.

Als we een wisselspanning aanleggen met een hogere frequentie zien we dat de stroom toeneemt. Dat komt omdat de lading sneller in-en uit de condensator gebracht moet worden.

De wisselstroom door een condensator is dan ook  I = U * 2 * pi * f * C    I in Ampere, U in Volt, 2 * pi = 6.28,  f in Hertz en C in Farad.

De schijnbare weerstand van een condensator is Xc = 1 / (2 * pi * f * C) in Ohm  (Deze formule houdt geen rekening met de faseverschuiving, Daardoor onstaaat er een fout tot zo'n 30% bij het rekenen aan bepaalde circuits)

Condensatoren paralell.  (De capaciteit neemt toe: het is alsof de oppervlakte van de platen toeneemt)

Fig. 3. Condensatoren parallel.

De vervangings capaciteit is de som van de afzonderlijke capaciteiten.  Cv = C1 + C2 + C3 + .... enz.

Als je een bepaalde spanning op een aantal paralell geschakelde condensatoren wilt zetten moeten alle condensatoren tenminste die spanning kunnen verdragen.  

Condensatoren in serie.  (De capaciteit neemt af: het is alsof de afstand tussen de platen toeneemt)

Fig, 4. Condensatoren in serie

De vervangings capaciteit is  1/ Cv = (1/ C1 + 1/C2 + 1/ C3 + enz...) 

Voor twee condensatoren geldt:

 Cv =  C1 * C2  / (C1 + C2)  (net als bij weerstanden parallel) Je mag deze formule niet uitbreiden naar meer condensatoren.

N.B. Bij condensatoren in serie moet je ook letten op de spannings verdeling. De kleinste condensator zal de grootste spanning voeren, zolang het om wisselspanning gaat. Als er voornamelijk een (hoge) gelijkspanning aanwezig is hangt de spanningsverdeling af van de (nogal onbepaalde) lekweerstanden. In sommige gevallen moet je expliciet weerstanden toevoegen om de gelijkspannings verdeling in de hand te houden.

Condensatoren in de praktijk

In de elektronica praktijk komen condensatoren in een veelheid van bouwwijzen. Na de capaciteit is de belangrijkste parameter wel de maximale werkspanning. Als je een grotere spanning aanlegt kan er doorslag optreden, en wordt de condensator beschadigd.
Vrijwel alle praktische condensatoren komen ook met een aantal onvolkomenheden of inperfecties. In het condensator hoofdstuk ga ik dieper in op die inperfecties en op wat dat betekent in de audio praktijk.

Top