Een condensator is een elektronisch onderdeel dat een elektrische lading enige tijd kan bewaren. In sommige opzichten gaat de vergelijking met een accu op: je kunt 'm opladen en weer ontladen.

De condensator is het ding, de capaciteit de de mate waarin zo'n ding lading kan opslaan.
Een condensator bestaat altijd uit twee geleiders (meestal metaal) die gescheiden zijn door een isolerende stof. Die isolerende stof kan bijv. zijn : lucht, een kunststof (plastic), een keramisch materiaal, mica of een oxide huidje op een metaal. De onderstaande tekening geeft een principe indruk. A en B zijn twee metalen platen, gescheiden door een isolerende stof E.

Als je een elektrische spanning tussen de platen zet, zal er in de isolator een tegenovergestelde ladingsverschuiving optreden. Dat komt zo: De meeste isolatiematerialen hebben moleculen die aan de ene kant meer (negatieve) elektronen bevatten dan aan de andere kant. Omdat tegenovergestelde ladingen elkaar aantrekken richten die moleculen zich naar het elektrische veld. De minnetjes willen naar de plusjes kijken en andersom. Omdat in een isolerend materiaal de elektronen gebonden zijn aan hun moleculen gaat er geen stroom lopen.

De mate waarin een condensator lading kan opslaan heet de capaciteit. Deze wordt uitgedrukt in Farad.

De waarde wordt groter met de oppervlakte van de platen. Als de platen dichter bij elkaar zitten is de capaciteit ook groter. Ook het isolatie materiaal speelt mee: Alle materialen anders dan lucht leveren een grotere capaciteit op. Die verhouding heet de diëlektrische constante van dat materiaal. Dit getal wordt aangeduid met de kleine griekse letter epsilon.

Veel plastic- achtige stoffen hebben een epsilon van 2 tot 8, maar sommige keramische materialen komen wel aan 10000.

De capaciteit van een condensator is dan ook gelijk aan epsilon E maal de oppervlakte O en gedeeld door de afstand d tussen de platen.
Die epsilon bestaat uit twee delen: De absolute epsilon of epsilon-nul = 8.854 E-12 F/m (geldig voor lucht en vacuüm), en de relatieve epsilon, die zegt hoeveel groter het is vergeleken met lucht.

C = E0 x Er x O / d
Als je alle maten in meters invult krijg je de capaciteit in Farad.

Er is een direct verband tussen de lading (energie) van een condensator, de capaciteit van die condensator en de elektrische spanning die dan over die condensator staat.
In formulevorm:

Q = U x C en Q = I x t dus: U x C = I x t
waarbij:
Q = energie [coulomb]
U = spanning [volt]
I = stroom [ampere]
t = tijd [seconden]
C = capaciteit [farad]

Bijvoorbeeld een volle 12V accu van 56 Ah lijkt wat op een hele grote condensator:
Q = U x C = I x t dus C = (I x t)/U:
(56 x 3600)/12 = 16800 Farad.

In de praktijk is de Farad een erg grote waarde. We komen meestal condensatoren tegen van milli, micro, nano, of pico Farads.

Inperfecties van praktische condensatoren.
Praktische condensatoren komen met een aantal eigenschappen die afwijken van de ideale condensator.
Hieronder zie je het vervangingsschema van een praktische condensator:

Van boven naar beneden:

C
De ideale capaciteit C waar het echt om gaat.

Dan de bijprodukten die er "gratis" bij komen:
De serieweerstand Rs.
Ten eerste van de aansluit draden, maar bij hogere frequenties wordt het ook moeilijker om die moleculen in het isolatiemateriaal iedere keer om te draaien. Daarbij ontstaat warmte, oftewel een verlies. Rs wordt ook vaak de verliesweerstand genoemd, in het engels "dielectric loss".
In het audio frequentiegebied is Rs minder dan een duizendste van de impedantie van de C. Die verhouding heet de verliesfactor of tangens-delta. (die tangens is de hoek waarmee de faseverschuiving afwijkt van de zuivere 90 graden van de ideale condensator) De Rs wordt ook vaak "Effective Series Resistance" genoemd, afgekort ESR. Ook de termen "Power factor" en "Dissipation factor" worden wel gebruikt.
Bij elektrolytische condensatoren is Rs vaak vrij groot en sterk afhankelijk van de waarde. Grote C's hebben doorgaans een lagere Rs dan kleine.

Cda en Rda
Cda en Rda modelleren de diëlectrische absorptie. Veel condensatoren hebben de eigenschap om, als ze wat langer onder een gelijkspanning staan en dan kortstondig ontladen worden, na enige tijd weer wat spanning te produceren. Het lijkt wel of er wat lading geabsorbeerd is in het isolatie materiaal, en dat die lading er weer langzaam uitkomt. Vooral elektrolytische condensatoren vertonen dit effect. Het verschijnsel speelt zich af op een tijdschaal van een aantal seconden tot vele minuten. Cda is hooguit enkele procenten van C en Rda is typisch een flink aantal Mega-ohms. Het netto effect is dat de condensator bij extreem lage frequenties (ver onder 1 Herz) een wat grotere waarde lijkt te hebben.

Rleak
Rleak is de lekweerstand. Geen enkel isolatiemateriaal is perfect, en er treedt altijd een beetje lek op. Bij de meeste condensatoren is Rleak honderden tot duizenden Mega-ohms. Alleen elektrolytische condensatoren hebben vaak wat lagere lekweerstanden, maar meestal is de lekstroom klein genoeg om een lading uren of dagen te bewaren. Vandaar dat de spanning op een ongebruikte car-audio condensator vaak nog weken aanwezig is.

Polariteit
De diode D en diens serieweerstand Rd vind je alleen in elektrolytische condensatoren. Deze mogen alleen met een bepaalde polariteit aangesloten worden. De spanning mag niet omkeren. Als dat wel gebeurt gaat er al gauw een flinke lekstroom lopen, en de condensator kan in korte tijd intern zo heet worden dat 'ie explodeert. Ook als de elko niet echt stuk gaat kan de waarde door zo'n ompoling blijvend teruglopen, en kan de lekweerstand blijvend kleiner worden. Let dus altijd goed op met aansluiten.

De serie zelfinductie Ls.
Voornamelijk van de aansluitdraden, maar ook van de wikkelingen van foliecondensatoren en veel aluminium condensatoren). Ls ligt typisch in het bereik van enkele tientallen nano-Henry. In het algemeen hoe kleiner de afmetingen van de condensator hoe kleiner de zelfinductie. Soms wordt niet de Ls opgegeven, maar de frequentie waarbij Ls resoneert met C. (serie resonantie)

Dan zijn er nog wat eigenschappen die niet in het vervangingsschema staan:

Frequentieafhankelijkheid.
Vooral Rs neemt bij sommige diëlectrica nogal toe bij hogere frequenties (MHz'en) en C neemt wel eens af.

Temperatuurscoëfficient.
Alle eigenschappen zijn afhankelijk van de temperatuur. De C kan zowel toenemen als afnemen. Bij nagenoeg alle kunststof folie kondensatoren praten we over afwijkingen van hooguit een paar procent bij een realistisch huiskamer temperatuur bereik. De lekweerstand neemt meestal af met de temperatuur. Elektrolytische condensatoren en sommige keramische types kunnen wel 20% afwijken bij 50 graden. Foliecondenatoren zijn minder temperatuursafhankelijk.

Spanningsafhankelijkheid.
Bij sommige materialen is de C afhankelijk van de spanning over de condensator. Zulke spanningsafhankelijkheid veroorzaakt in principe intermodulatievervorming. Bij enkele keramische materialen met hoge epsilon is er een flinke spanningsafhankelijkheid. Deze spanningsafhankelijkheid zal zich sterker manifesteren naarmate de spanning dichter bij de maximaal toegestane spanning komt. Het is dus verstandig de werkspanning hoog genoeg te kiezen.

Fabricage toleranties.
Met name elektrolytische condensatoren komen met een vrij grote aanmaak tolerantie. (soms wel -20 tot + 50 %) Je vindt elko's dan ook alleen in de grovere reekswaarden Andere condensator types komen met 10% of 5% tolerantie. Echte precisie condensatoren zijn zeldzaam en duur, en kunnen -zeker in de audio techniek- altijd vermeden worden. Maar met capacitetsmeting kan je altijd de juiste waardes bij elkaar vinden.

Bouwvorm.
Aluminium condensatoren zijn bijna altijd cylindrisch. De aansluit draden zitten aan weerstkanten (axiaal) of beide aan één kant (radiaal). Tantaal condensatoren komen meestal in druppel vorm, met de aansluitingen aan 1 kant. De SMD uitvoeringen zijn meestal rechthoekige blokjes. Film condensatoren zijn cylindrisch of enigszins plat. Aansluit draden zitten axiaal bij de cylinders, of dwars aan de korte kant. Film condensatoren lenen zich wat minder voor SMD technieken, vanwege de hoge temperatuur bij het solderen. Keramische condensatoren komen vaak als schijf of als een tamelijk plat rechthoekig blokje. De draadjes meestal evenwijdig.

Zelfherstellend vermogen.
Met name bij gemetalliseerd-folie condensatoren zal er, als er onverhoopt een kleine doorslag plaats vindt, een geringe hoeveelheid metallisatie verdampen, waardoor de korstluiting voorbij is. Deze eigenschap is belangrijk voor de toepassing in netfilters. Zie verderop.

Veroudering.
Met name aluminium elko's lopen op een termijn van 15 tot 30 jaar wel eens zo terug in waarde dat er bij een krap gedimensioneerde voeding een probleem kan ontstaan. (brom) De mate waarin deze veroudering optreedt hangt sterk af van de werktemperatuur van de condensator. Voor alle condensatoren geldt dat ze sneller verouderen of eerder stuk gaan als ze bij hogere temperaturen gebruikt worden.

Afmetingen.
Condensatoren lopen sterk uiteen in afmetingen. In het algemeen geldt dat 'ie groter wordt bij grotere capaciteit, en ook groter bij hogere werkspanning. Diëlectrica met een hoge epsilon geven een evenredig kleinere condensator. Daarnaast zijn er construktieve aspecten die de grootte mee- bepalen. In de loop der jaren heeft men kans gezien om condensatoren aanzienlijk kleiner te maken, ook bij dezelfde materialen.

Toepassen
Hieronder een samenvatting van de imperfecties van condensatoren en wanneer je er wel of niet rekening mee moet houden.

Polariteit van elektrolytische condensatoren (zowel tantaal als aluminium):
Nooit gebruiken in omgekeerde polariteit of met wisselspanning, dus niet in luidspreker-wisselfilters.

Bipolaire elko's kunnen weliswaar omgepoold worden, maar er blijft een risico met de mogelijke niet-lineariteit (THD) en met de tolerantie op de capaciteit. Verder is de ESR hoger dan die van een enkele elko, en zeker hoger dan die van een folie condensator. Beter niet gebruiken in luidspreker wisselfilters. Door hogere vereiste capaciteitswaardes in deze filters ontkom je soms niet aan het gebruik van bipoliare elco's.

Effective Series Resistance, ESR.
Voor bijna alle types condensatoren ligt de ESR ruim onder 1 Ohm, veelal nog veel lager. De ESR kan interessant zijn als de belastings weerstand van de (koppel) condensator erg laag is, zoals in een luidspreker wisselfilter, maar meestal is ook daar de capacitieve impedantie van de condensator ook bij de hoogste audiofrequenties nog steeds veel groter dan de ESR, of is de bedradingsweerstand de beperkende factor. Op andere plaatsen in de audio elektronica worden condensatoren zo gebruikt dat de ESR totaal oninteressant is. Bij ontkoppelcondensatoren voor hoogfrequente (digitale) circuits is een beetje ESR zelfs gunstig, omdat dat voorkomt dat er in combinatie met de altijd aanwezige zelfinducties resonantiekringen met een hoge Q-factor kunnen ontstaan. Dan is het middel erger dan de kwaal.
Bij elko's in schakelende voedingen willen we wel een lage ESR, omdat daar vaak grote piekstromen lopen. De dissipatie (=warmte ontwikkeling) van die elko kan dan te groot worden. Ook ligt er er een EMC probleem op de loer als die hoogfrequente piekstromen niet goed afgefilterd worden. Voor schakelende voedingen bestaan er speciale low-ESR elko's. Bij afstemkringen in radio/TV- ontvangers willen we wel vaak een grote Q-factor, en dan is de ESR ook van belang.
Powerfactor, Dissipation Factor, Tangens Delta. Dit zijn andere definities van ESR. Zie boven.

L, of Zelfinductie
Van alle condensatoren is de zelfinductie zo gering dat die in het audiofrequente gebied geen enkele rol speelt. (zelfs niet in luidspreker wisselfilters) Voor ontkoppel condensatoren in snelle digitale circuits verdienen gelaagde keramische SMD-types de voorkeur, vooral door hun zeer korte verbindings draden/paden.
In de (analoge) audio techniek moet er alleen op de Ls gelet worden bij het ontkoppelen van geintegreerde spannings regelaars en OpAmps. Zulke circuits vereisen een goede ontkoppeling tot tientallen megaherzen. Als dat niet goed gedaan is kan het circuit heel hoogfrequent gaan oscilleren. Hier voldoet een kleine keramische C van 100 nF, als 'ie maar dicht op het te ontkoppelen circuit zit en met korte draadjes aangesloten wordt.

DA, Diëlektrische Absorptie
De DA speelt zich af op een tijdschaal van vele seconden tot minuten. Het effect is alleen van belang bij nauwkeurige timer circuits of integrator circuits in langzame analoge rekenschakelingen (allebei achterhaald). In de audio techniek heeft DA geen enkele betekenis. En zo DA nog merkbaar zou zijn bij (de laagste) audio frequenties: het effect is dat de capaciteit wat groter wordt bij de laagste frequenties. Zowel voor koppel- als ontkoppel condensatoren is dit juist voordelig, want daar willen we juist een grote capaciteit !

Temperatuur coëfficient.
In geen enkel audioversterker circuit is de waarde van een condensator zo critisch dat je je zorgen moet maken om de Tcoef. Alleen in het afstemdeel van radio/tv ontvangers worden nog wel eens maatregelen genomen om temperatuurverloop tegen te gaan. En natuurlijk in sommige industriële/medische/militaire/automotive toepassingen. Isolatie- of lekweerstand.
Alleen voor koppelcondensatoren die een grote DC-spanning moeten blokkeren is het nuttig om naar de lekweerstand te kijken. Neem hiervoor beter geen elektrolytische condensatoren. Als je condensatoren in serie wilt schakelen om het geheel bruikbaar te maken voor een veel hogere (DC) spanning dan die van de afzonderlijke condensatoren, dan moet je er voor zorgen dat de (DC) spannings verdeling door paralelle weerstanden bepaald wordt. De lekweerstanden van de condensatoren kunnen een grote spreiding vertonen, en daar mag je niet op vertrouwen.

Veroudering.
Aluminiumcondensatoren kunnen in waarde teruglopen op een termijn van 15+ jaar. Meestal merk je er niets van, maar soms is er een toegenomen brom-nivo. Bij te kleine voedings condensatoren wordt het maximale uitgangsvermogen niet meer gehaald, maar ook dat valt niet gauw op. Eigenlijk kun je er alleen door een capaciteitsmeting achter komen of de elko's in waarde zijn teruggelopen.

Harmonische- of intermodulatievervorming
Van elektrolytische condensatoren is het bekend dat die in geringe mate lijden aan deze mate van vervorming. In praktische versterkerschakelingen gebruiken we elco's (om een handvol andere redenen) niet op zodanige plaatsen dat je daar last van zou kunnen hebben. Ook andere condensatoren worden steeds zo gebruikt dat evt. vervorming slechts voor een heel klein deel in het signaal terecht komt. Bij koppel- en ontkoppel condensatoren streven we er steeds naar dat ze in de signaal band (het audio frequentebereik) een lage impedantie hebben, d.w.z dat er weinig signaalspanning over staat. Als die lage impedantie dan ietsje spannings afhankelijk blijkt zal er ook maar een fractie van dat ietsje in het signaal terecht komen.
Als je toch nog bang bent voor vervorming van condensatoren neem dan exemplaren met een maximaal toegestane spanning die flink groter is dan de signaalspanning waarbij je 'm gebruikt.

Aanmaak tolerantie.
Voor voedings-, koppel- en ontkoppel condensatoren is de precieze waarde nooit critisch. Neem de naast-grotere reeks-waarde. Alleen in filtercircuits (luidspreker wisselfilter, klankregeling, equalizer) is de waarde wat critischer. Maar zelfs dan geldt dat een afwijking van 10% minder dan 1 dB verschil oplevert, en dat is vrijwel altijd onhoorbaar.

© website ontwerp & updates: Rob van Gameren 27-10-2002