Velge riktig kondensatorteknologi for en gitt konstruksjon

Valg av riktig kondensator for en konstruksjon kan utgjøre en stor forskjell i ytelsen, påliteligheten og effektiviteten til produkter, for eksempel strømforsyninger for forsvarsteknologi, romfartsteknologi, medisinsk teknologi, kritisk energiinfrastruktur eller raske ladere til elbiler.

Kondensatorer er viktige komponenter i mange elektroniske kretser, siden de lagrer og frigjør elektrisk energi, filtrerer ut uønskede signaler og utfører andre funksjoner. Ikke alle kondensatorer er like, og forskjellige typer har varierende egenskaper, fordeler og begrensninger.

Valg av riktig kondensatortype er avgjørende i produktkonstruksjon. Tre vanlige alternativer – keramiske kondensatorer med flere lag (MLCC – multilayer ceramic capacitor), film eller aluminiumelektrolytt – gir fordeler og ulemper, og det finnes utallige variasjoner i hver kategori. Valg av riktig type sikrer at sluttproduktet har nok energilagring, passer i den tilgjengelige plassen og fungerer pålitelig for den tiltenkte bruken.

Derfor er MLCC-er et fornuftig valg

MLCC består av alternerende lag av keramisk dielektrisk materiale og metallelektroder stablet og sintret sammen for å danne en kompakt kapsling. MLCC-er er mye brukt i mange elektroniske enheter, og de gir høye kapasitansverdier i små størrelser, lav ekvivalent seriemotstand (ESR – equivalent series resistance), lav lekkasjestrøm, høy frekvensrespons og god temperaturstabilitet.

MLCC-er er egnet for konstruksjoner som krever høy effekttetthet, høy virkningsgrad, lav støy og høy pålitelighet. Det er imidlertid variasjoner i denne kategorien som kan utgjøre en forskjell i utviklingen av vellykkede produkter:

• MLCC-er med høy pålitelighet: Tilbyr høy pålitelighet, lav feilrate, lang levetid og høy ytelse under tøffe forhold. Disse egenskapene er viktige for å oppfylle strenge krav i industrier som luftfart og forsvar, inkludert spesifikasjoner under MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 og MIL-PRF-39014, samt medisinske konstruksjoner.
• MLCC-er for høye spenninger: Fungerer ved spenninger på over 500 V og opptil 12 kV. De er utviklet for konstruksjoner som krever høyspenningsisolering, for eksempel strømforsyninger, pulsgeneratorer og røntgenutstyr. De har høy kapasitans, lav ESR, lav avledningsfaktor og høy gjennombruddsspenning.
• MLCC-er for høye temperaturer: Fungerer ved temperaturer på over +125 °C, opptil +250 °C. De er utviklet for bruksområder som krever høy temperaturstabilitet, for eksempel nedihull-boring, i biler og i industrielle områder. De gir høy kapasitans, lav ESR, lav temperaturkoeffisient og høy motstand mot varmesjokk.

Fordeler forbundet med filmkondensatorer

Filmkondensatorer er egnet for bruksområder som krever høy effekt, høy strøm, høy spenning og høy frekvens, for eksempel strømomforming, filtrering, demping (snubbing) og kobling. Disse kondensatorene består av en tynn film med dielektrisk materiale – for eksempel polyester, polypropylen, polykarbonat eller polyfenylensulfid – som er plassert mellom to metallelektroder, enten viklet til en sylindrisk form eller stablet i en flat form.

Filmkondensatorer er ofte større og dyrere enn MLCC-er, men de gir høye kapasitansverdier, høye spenningsklassifiseringer, lav ESR, lav avledningsfaktor, høy frekvensrespons og lang levetid. Fordelene med denne teknologien inkluderer høyere spenningsverdier, lineær kapasitansendring med spenning og temperatur, ingen piezoelektrisk støy, selvhelbredende egenskaper og lang levetid.

Det finnes flere kategorier av filmkondensatorer som kan påvirke hvilken som er riktig for en gitt konstruksjon:

• Metalliserte polyesterfilmkondensatorer bruker et tynt lag metall, for eksempel aluminium eller sink, avsatt på polyesterfilmen som elektroder. De tilbyr høy kapasitans, lav ESR, lav pris og gode selvhelbredende egenskaper. De oppfyller behovene til generelle bruksområder som forbikobling, kobling og frakobling.
• Metalliserte polypropylenfilmkondensatorer bruker polypropylenfilm som elektroder med et tynt lag metall, for eksempel aluminium eller sink. De er preget av høy kapasitans, lav ESR, lav avledningsfaktor, høy frekvensrespons og høy stabilitet. De er egnet for konstruksjoner med høy ytelse, for eksempel effektfaktorkorrigering, filtrering og demping.
• Polykarbonatfilmkondensatorer bruker en polykarbonatfilm som dielektrisk materiale. De tilbyr høy kapasitans, høy spenningsklassifisering, lav temperaturkoeffisient og høy pålitelighet. Disse er egnet for konstruksjoner som krever høy temperaturstabilitet, for eksempel timing-, sensor- og presisjonskretser.
• Polyfenylensulfidfilm-kondensatorer bruker polyfenylensulfidfilm som dielektrisk materiale. De tilbyr høy kapasitans, høy temperaturklassifisering, lav ESR, lav avledningsfaktor og høy frekvensrespons. De er også egnet for bruksområder som krever høy temperaturytelse, for eksempel kjøretøy, industri og telekommunikasjon.
• Metallisert papirfilm-kondensatorer er avhengige av metallisert papirfilm som dielektrisk materiale. De tilbyr høy kapasitans, høy spenningsklassifisering, lav ESR, lav avledningsfaktor og gode selvhelbredende egenskaper. De er egnet for konstruksjoner som krever høyspenningsisolering, for eksempel strømforsyninger, pulsgeneratorer og røntgenutstyr.

Aluminium-elektrolyttkondensatorer

Aluminium-elektrolyttkondensatorer er egnet for bruksområder som krever høy kapasitans, høy spenning og lav frekvens, for eksempel utjevning, filtrering og energilagring.

Med evnen til å lagre store mengder elektrisk energi tatt i betraktning dens lille størrelse, er en aluminium-elektrolyttkondensator egnet for utjevning i strømforsyninger i elektroniske enheter. De kan ha kortere levetid enn MLCC-er og filmalternativer, og fordi de er polarisert med en positiv og en negativ terminal, kan de bli skadet hvis de installeres feil vei. De kan også kontinuerlig lekke en liten mengde strøm, og de er ikke så stabile ved høye frekvenser sammenlignet med alternativene.

Aluminium-elektrolyttkondensatorer er tilgjengelige i forskjellige elektrolyttyper, for eksempel væske, faststoff eller hybrid, som har forskjellige egenskaper for ytelse, stabilitet og pålitelighet:

• Flytende aluminium-elektrolyttkondensatorer bruker en flytende elektrolyttløsning som katode. De har høy kapasitans, høy spenningsklassifisering og lav pris. De har imidlertid også høy ESR, høy lekkasjestrøm, høy avledningsfaktor og begrenset levetid. De er egnet for generelle bruksområder, for eksempel utjevning, filtrering og energilagring.
• Faste aluminium-elektrolyttkondensatorer har et fast elektrolyttmateriale – for eksempel mangandioksid eller ledende polymer – som katode. De tilbyr lav ESR, lav lekkasjestrøm, lav avledningsfaktor og lang levetid. De har imidlertid også lavere kapasitans, lavere spenningsklassifisering og høyere pris enn væskebaserte elektrolyttkondensatorer. De er egnet for konstruksjoner med høy ytelse, for eksempel ikke-lineære strømforsyninger, lysdiodedrivere og lydforsterkere.
• Hybrid aluminium-elektrolyttkondensatorer bruker en kombinasjon av flytende og faste elektrolytter som katode. De tilbyr en balanse mellom kapasitans, spenningsklassifisering, ESR, lekkasjestrøm, avledningsfaktor og levetid. De er egnet for konstruksjoner som krever høy effekttetthet, høy pålitelighet og høy temperaturytelse, for eksempel kjøretøy, industri og telekommunikasjon.

Leverandøroppkjøp utvider kondensatorsortimentet

Knowles og Cornell Dubilier Electronics (CDE) er to ledende produsenter av kondensatorer, og de tilbyr et bredt utvalg av kondensatorteknologier og -produkter. Knowles kjøpte CDE i 2023, og kombinerte de komplementære fordelene til begge selskapene, inkludert CDEs filmkondensatorer og aluminium-elektrolyttkondensatorer og Knowles Precision Devices’ film og MLCC-er.

Knowles tilbyr et omfattende sortiment av MLCC-er i standard overflatemonterte kapslinger og båndkapslinger eller radial-lederkapslinger, som spenner fra under en pikofarad til hundrevis av mikrofarad, med klassifiseringer fra 6,3 V til 12 kV. Knowles MLCC-er er tilgjengelige i forskjellige dielektriske materialer med forskjellige temperaturkoeffisienter, dielektrikumkonstanter og aldringshastigheter.

Knowles sin FlexiCap™-produksjonsmetode bruker et egenutviklet fleksibelt termineringsmateriale av epoksypolymer som påføres under den vanlige nikkelbarrierefinishen, og muliggjør en større grad av kortbøying enn konvensjonelle kondensatorer. StackiCap™-serien gir betydelig reduksjon i kretskortplass for en tilsvarende kapasitansverdi i tilfeller der kortplass er svært ettertraktet. For eksempel er en standardbrikke på 150 nanofarad (nF) i en 8060-kapslingsstørrelse tilgjengelig i en mye mindre 3640-kapslingsstørrelse.

Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (figur 1) er en FlexiCap-overflatemontert MLCC som kan lagre 0,56 mikrofarad (µF) elektrisk ladning, med en toleranse på ±10 %, og den er konstruert for å håndtere opptil 500 V. Den er én del av en produktfamilie med DC-klassifiserte MLCC-er, som varierer fra 0,2 picofarad (pF) til 22 µF og i kapslingsstørrelser fra 0402 til 8060.

Figur 1: En representasjon av Knowles Syfer 2220Y5000564KXT. (Bildekilde: Knowles)

Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 (figur 2) er en StackiCap MLCC som kan lagre 1 µF elektrisk ladning, med en toleranse på ±10 %, og den er klassifisert for 630 V.

Figur 2: Illustrasjon av StackiCap-kapsling for Knowles Sifer 2220Y6300105KETWS2 og lignende MLCC-er. (Bildekilde: Knowles)

Knowles CDE tilbyr et bredt utvalg av standard og tilpassede skruterminaler, klikkfestemoduler og kortmonterte kondensatorer for bruk i kritiske konstruksjoner – alt fra defibrillatorer og medisinsk bildeutstyr, til radarsystemer og UPS-reservestrøm for store datasystemer.

CDEs 477XMPL002MG19R er en del av XMPL-polymerbrikkekondensatorserien for konstruksjoner som krever høyere spennings- og/eller kapasitanskrav. Med lav ESR og robuste rippelstrømklassifiseringer, utkonkurrerer de overflatemonterte elektrolytter som er større, og de gir lengre levetid, bedre stabilitet med temperaturendringer og lavere ESR ved høyere frekvenser. Standard kapasitansverdier for serien varierer nå fra 6,8 µF til 470 µF, med en maksimal arbeidsspenning på 35 V_DC i en støpt kapsling som måler 7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm.

CDEs Type FCA-akrylfilmkondensatorer, for eksempel FCA0805C104M-J2, er en del av et omfattende utvalg av filmkondensatorer, og de tilbyr høye kapasitansverdier i standard overflatemonterte kapslingsstørrelser. Serien tilbyr et kapasitansområde på 0,10 µF til 1,0 µF. Som koblingskondensatorer i lydkretser, kan de gi forvrengningsfri lyd og høyfrekvensfiltrering.

Konklusjon

Kondensatorer er viktige elektroniske komponenter, og det å velge den riktige er avgjørende i produktkonstruksjon. Heldigvis gir Knowles og Cornell Dubilier Electronics tilgang til et stort utvalg av vanlige typer med flere variasjoner, samt spesielle typer som er utviklet for bestemte konstruksjoner.