Grunnleggende: Forstå egenskapene til forskjellige typer kondensatorer, for å bruke dem på en hensiktsmessig og sikker måte

Kondensatorer er energilagringsenheter som er avgjørende for både analoge og digitale elektroniske kretser. De brukes i tidtaking (timing), for generering og forming av bølgeform, blokkering av likestrøm og kobling av vekselstrømssignaler, filtrering og utjevning og selvfølgelig – energilagring. På grunn av det brede spekteret av bruksområder har en overflod av kondensatortyper oppstått ved hjelp av en rekke platematerialer, isolerende dielektrikum (ikke-ledende stoff) og fysiske former. Hver av disse kondensatortypene er beregnet for et spesifikt bruksområde. Det store utvalget av alternativer betyr at det kan ta tid å sortere gjennom dem alle for å finne det optimale valget for et design med hensyn til ytelsesegenskaper, pålitelighet, levetid, stabilitet og kostnader.

Det kreves kunnskap om egenskapene til hver kondensatortype for å tilpasse kondensatoren riktig til den tiltenkte kretsutformingen. Denne kunnskapen må dekke kondensatorers elektriske, fysiske og økonomiske egenskaper.

Denne artikkelen vil beskrive de ulike typene kondensatorer, deres egenskaper og de viktigste kriteriene for å velg blant dem. Eksempler fra Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation og AVX Corporation vil bli brukt til å illustrere viktige forskjeller og egenskaper.

Hva er en kondensator?

Kondensatoren er en elektronisk enhet som lagrer energi i et elektrisk felt innvendig. Det er en grunnleggende passiv elektronikkomponent, sammen med motstander og induktorer. Alle kondensatorer består av samme grunnstruktur, to ledende plater atskilt av en isolator, kalt dielektrikum, som kan polariseres ved bruk av et elektrisk felt (figur 1). Kapasitans er proporsjonal med platearealet, A, og omvendt proporsjonal med avstanden mellom platene, d.

Figur 1: Den grunnleggende kondensatoren består av to ledende plater atskilt av et ikke-ledende dielektrikum som lagrer energi som polariserte områder i det elektriske feltet mellom de to platene. (Bildekilde: DigiKey)

Den første kondensatoren var Leydnerflasken (Leyden jar), som ble utviklet i 1745. Den besto av en glasskrukke foret med metallfolie på den indre og ytre overflaten og ble opprinnelig brukt til å lagre statiske elektriske ladninger. Benjamin Franklin brukte en for å bevise at lyn var elektrisitet, noe som ble en av de tidligste registrerte utrustningene.

Kondensansen til den grunnleggende parallelle platekondensatoren kan beregnes ved hjelp av ligning 1:

 Formel 1

Der:

C er kapasitansen i Farad

A er platearealet i kvadratmeter.

d er avstanden mellom platene i meter

ε er permittivitet til det dielektriske materialet

ε er lik den relative permittiviteten til det dielektriske, _ε r, multiplisert med permittiviteten til et vakuum, ε₀. Den relative permittiviteten, _ε r, omtales ofte som dielektrisitetskonstant, k.

Basert på ligning 1, kapasitans er direkte proporsjonal med dielektrisitetskonstanten og platearealet, og omvendt proporsjonal med avstanden mellom platene. For å øke kapasitansen kan arealet av platene økes og avstanden mellom platene kan reduseres. Siden den relative permittiviteten til et vakuum er 1, og alle dielektrikum har en relativ permittivitet større enn 1, vil innsetting av et dielektrisk produkt også øke kapasitansen til en kondensator. Kondensatorer refereres vanligvis til ved typen dielektrikum (dielektrisk materiale) som brukes (tabell 1).

Tabell 1: Egenskaper for vanlige kondensatortyper, sortert etter dielektrikum (dielektrisk materiale). (Tabellkilde: DigiKey)

Noen merknader til kolonneoppføringene:

• Den relative permittiviteten eller dielektriske konstanten til en kondensator påvirker den maksimale kapasitansverdien som kan oppnås for et gitt plateområde og dielektrisk tykkelse.
• Den dielektriske styrken er en klassifisering av dielektrikumets motstand mot spenningsgjennombrudd som en funksjon av tykkelsen.
• Minste oppnåelige dielektriske tykkelse påvirker den maksimale kapasitansen som kan realiseres, så vel som kondensatorens gjennombruddsspenning.

Kondensatorkonstruksjon

Kondensatorer er tilgjengelige i en rekke fysiske monteringskonfigurasjoner, inkludert aksial-, radial- og overflatemontering (figur 2).

Figur 2: Kondensatormontering eller konfigurasjonstyper inkluderer aksial-, radial- og overflatemontering. Overflatemontering er svært mye brukt nå for tiden. (Bildekilde: DigiKey)

Aksialkonstruksjonen er basert på alternative lag av metallfolie og dielektrikum, eller et dielektrikum metallisert på begge sider rullet inn i en sylindrisk form. Tilkoblinger til de ledende platene kan være via en innsatt flik eller en rund ledende endehette.

Radialtypen består vanligvis av vekslende metallag og dielektriske lag. Metallag er forbundet (bro) i endene. Radial- og aksialkonfigurasjoner er beregnet for hullmontering.

Overflatemonteringskondensatorer er også avhengige av vekslende ledende og dielektriske lag. Metallagene i hver ende er forbundet med en loddehette for overflatemontering.

Kondensatorkretsmodell

Kretsmodellen for en kondensator omfatter alle tre passive kretselementer (figur 3).

Figur 3: Kretsmodellen for en kondensator består av de kapasitive, induktive og resistive elementene. (Bildekilde: DigiKey)

Kretsmodellen til en kondensator består av et serieresistivt element som representerer den ohmiske motstanden til de ledende elementene sammen med den dielektriske motstanden. Dette kalles ekvivalent seriemotstand, eller effektiv seriemotstand (equivalent series resistance / effective series resistance – ESR).

De dielektriske effektene oppstår når vekselstrømssignaler (AC-signaler) påføres kondensatoren. Vekselstrømsspenninger (AC) gjør at at polariseringen av dielektrikumet veksler i hver syklus, noe som forårsaker intern oppvarming. Den dielektriske oppvarmingen er en funksjon til materialet og måles som spredningsfaktoren til dielektrikumet. Tapsfaktoren (dissipation factor – DF) er en funksjon til kondensatorens kapasitans og ESR, den kan beregnes ved hjelp av ligning 2:

 Formel 2

Der:

X_C er kapasitiv reaktans i ohm (Ω)

ESR er ekvivalent seriemotstand (i Ω)

Spredningsfaktoren er frekvensavhengig på grunn av begrepet kapasitiv reaktans og er dimensjonsløs, ofte uttrykt i prosent. En lavere tapsfaktor resulterer i mindre oppvarming og derfor lavere tap.

Det finnes et serieinduktivt element, kalt effektiv serieinduktans eller tilsvarende serieinduktans (equivalent series inductance / effective series inductance – ESL). Dette representerer leder- og ledningsbaneinduktans. Serieinduktansen og kapasitansen gir opphav til en serieresonans. Under seriens resonansfrekvens viser enheten primært kapasitiv adferd, alt i alt er enheten mer induktiv. Denne serieinduktansen kan være problematisk i mange høyfrekvensutrustninger. Leverandører minimerer induktans ved å bruke den lagdelte konstruksjonen som vises i konfigurasjonene av komponenter for radialmontering og overflatemontering

Den parallelle motstanden representerer isolasjonsmotstanden til dielektrikumet. Verdiene til de forskjellige modellkomponentene er avhengige av kondensatorkonfigurasjonen og materialene som er valgt for konstruksjonen.

Keramiske kondensatorer

Disse kondensatorene bruker et keramisk dielektrikum. Det er to klasser av keramikkondensatorer, klasse 1 og klasse 2. Klasse 1 er basert på paraelektrisk keramikk som titandioksid. Keramiske kondensatorer i denne klassen har høy stabilitet, god temperaturkoeffisient for kapasitans og lavt tap. På grunn av deres iboende nøyaktighet brukes de i oscillatorer, filtre og andre RF-utrustninger.

Keramiske kondensatorer i klasse 2 bruker et keramisk dielektrikum basert på ferroelektriske materialer som bariumtitanat. På grunn av den høye dielektriske konstanten til disse materialene tilbyr keramiske kondensatorer i klasse 2 en høyere kapasitans per volumenhet, men har lavere nøyaktighet og stabilitet enn kondensatorer i klasse 1. De brukes til utrustninger med bypass og koblinger der den absolutte kapasitansverdien ikke er kritisk.

Murata Electronics sin GCM1885C2A101JA16 er et eksempel på en keramisk kondensator (figur 4). Kondensatoren på 100 pikofarad (pF) i klasse 1 har 5 % toleranse, er klassifisert til 100 volt og leveres i en konfigurasjon for overflatemontering. Denne kondensatoren er beregnet på bruk i bilindustri med en temperaturklassifisering fra -55 °C til +125 °C.

Figur 4: GCM1885C2A101JA16 er en klasse 1 kjeramisk kondensator for overflatemontering på 100 pF med 5 % toleranse og en klassifisering på 100 volt. (Bildekilde: Murata Electronics)

Filmkondensatorer

Filmkondensatorer bruker en tynn plastfilm som dielektrikum. Ledende plater kan implementeres enten som folielag eller som to tynne lag metallisering, ett lag på hver side av plastfilmen. Plasten som brukes til dielektrikum bestemmer egenskapene til kondensatorene. Filmkondensatorer finnes i mange former:

Polypropylen (PP): Disse har spesielt god toleranse og stabilitet med lav ESR og ESL og klassifisering for spenningsgjennombrudd. På grunn av temperaturgrensene til dielektrikumet er de kun tilgjengelige som enheter med ledere. PP-kondensatorene finnes i utrustninger med kretser der høy effekt eller høy spenning møtes, som ikke-linjære strømforsyninger (switch mode power supply), ballastkretser, høyfrekvente utladningskretser og i lydsystemer der deres lave ESR og ESL er verdsatt for signalintegritetsformål.

Polyetylentereftalat (PET): Også kalt polyesterkondensatorer eller mylakondensatorer, disse kondensatorene er de mest volumetrisk effektive av filmkondensatorene på grunn av deres høyere dielektrisitetskonstant. De brukes vanligvis som enheter med radiale ledere. De brukes til kapasitive utrustninger med generelle formål.

Polyfenylensulfid (PPS): Disse kondensatorene produseres bare som metalliserte film-enheter. De har spesielt god temperaturstabilitet og brukes derfor i kretser som krever god frekvensstabilitet.

Et eksempel på PPS-filmkondensator er ECH-U1H101JX5 fra Panasonic Electronics Corporation. 100 pF-enheten har en toleranse på 5 %, er nominell til 50 volt og kommer i en konfigurasjon for overflatemontering. Den har et driftstemperaturområde fra -55 °C til 125 °C og er beregnet på generelle elektronikkutrustninger.

Polyetylennaftalat (PEN): I likhet med PPS-kondensatorene er disse bare tilgjengelige i en konstruksjon med metallisert film. De har høy temperaturtoleranse og er tilgjengelige i konfigurasjon for overflatemontering. Utrustninger fokuserer på de som krever ytelser med høy temperatur og høy spenning.

Polytetrafluoretylenkondensatorer (PTFE-kondensatorer) eller teflonkondensatorer er kjent for sin toleranse for høy temperatur og høy spenning. De er produsert i både metallisert konstruksjon og folie-konstruksjon. PTFE-kondensatorer finner for det meste i utrustninger som har eksponering for høy temperatur.

Elektrolytiske kondensatorer

Elektrolyttkondensatorer er bemerkelsesverdige for sine høye kapasitansverdier og sin høye volumetriske virkningsgrad. Dette oppnås ved å bruke en flytende elektrolytt som en av platene i kondensatoren. En aluminium-elektrolyttkondensator (elektrolyttkondensator av aluminium) består av fire separate lag: en aluminiumsfoliekatode; en elektrolytt-gjennombløt papirseparator; en aluminiumanode som er blitt kjemisk behandlet for å danne et veldig tynt aluminiumoksydlag; og til slutt, en annen papirseparator. Denne montasjen blir deretter valset og plassert i en forseglet metallboks.

Elektrolyttkondensator er polariserte likestrømsenheter (DC), noe som betyr at den påførte spenningen må påføres de angitte positive og negative terminalene. Unnlatelse av riktig tilkobling av elektrolyttkondensatoren kan føre til eksplosiv svikt, selv om kabinettene har trykkavlastningsmembraner for å håndtere reaksjonen og minimere skadepotensialet.

De viktigste fordelene med elektrolyttkondensatoren er høye kapasitansverdier, liten størrelse og relativt lave kostnader. Kapasitansverdiene har et bredt toleranseområde og relativt høye lekkasjestrømmer. De vanligste bruksområdene for elektrolyttkondensatorer er som filterkondensatorer i både lineære strømforsyninger og ikke-lineære strømforsyninger (switching power supplies) (figur 5).

Figur 5: Eksempler på elektrolyttkondensatorer; alle har en kapasitans på 10 mikrofarad (µF). (Bildekilde: Kemet and AVX Corp.)

Med henvisning til figur 5 fra venstre til høyre, er ESK106M063AC3FA fra Kemet en aluminium-elektrolyttkondensator med radiale ledere på 10 µF, 20 %, 63 volt. Den kan betjenes ved temperaturer opptil 85 °C og har en levetid på 2000 timer. Den er beregnet på elektrolytisk bruk for generelle formål, inkludert filtrerings-, frakoblings- og bypass-operasjoner.

Et alternativ til aluminium-elektrolyttkondensatorer er aluminium-polymerkondensator (polymerkondensator av aluminium) som erstatter den flytende elektrolytten med en fast polymer-elektrolytt. Aluminium-polymerkondensatoren har lavere ESR enn aluminium-elektrolyttkondensatoren, samt lengre levetid. I likhet med alle elektrolytiske kondensatorer er de polariserte og benyttes i strømforsyninger som filter- og frakoblingskondensatorer.

Kemet A758BG106M1EDAE070 er en aluminium-polymerkondensator på 10 µF, 25 volt med radiale ledere, som har lengre levetid og større stabilitet over et bredt temperaturområde. Den er beregnet på industriell og kommersiell bruk, for eksempel mobiltelefonladere og medisinsk elektronikk.

Tantallkondensatorer er en annen form for elektrolyttkondensator. I dette tilfellet dannes et tantaloksid-lag kjemisk på tantalfolie. Deres volumetriske virkningsgrad er bedre enn en aluminium-elektrolyttkondensatorer, men de maksimale spenningsnivåene er generelt lavere. Tantalkondensatorer har lavere ESR og høyere temperaturtoleranse enn aluminiumselektrolytikk, noe som betyr at de kan motstå loddeprosessen bedre.

Kemet T350E106K016AT er en tantalkondensator på 10 µF, 10 %, 16 volt med radiale ledere. Det tilbyr fordelene med liten størrelse, lav lekkasje og lav avledningsfaktor for filtrering, bypass, vekselstrømkobling og tidtaking (timing).

Den endelige typen elektrolyttkondensator er nioboksid-elektrolytt. Nioboksid-elektrolyttkondensatoren (niob-elektrolyttkondensatoren) ble utviklet under tid med tantalmangel, og erstatter tantal med niobium, den har niobpentoksid som elektrolytt. På grunn av den høyere dielektrisitetskonstanten, tilbyr den mindre kapslingsstørrelse per kapasitansenhet.

Et eksempel på nioboksid-elektrolyttkondensator er NOJB106M010RWJ fra AVX Corp. Dette er en 10 µF, 20%, 10 volts kondensator i en konfigurasjon for overflatemontering. I likhet med tantallelektrolytikeren brukes den til filtrering, bypass og vekselstrømkobling.

Glimmer kondensatorer

Glimmerkondensatorer (for det meste sølvglimmer – silver mica) er karakterisert ved stram kapasitanstoleranse (±1 %), lav temperaturkoeffisient for kapasitans (typisk 50 ppm/°C), eksepsjonelt lav spredningsfaktor og en lav kapasitansvariasjon med påført spenning. Den lille (smale) toleransen og høye stabiliteten gjør dem egnet for RF-kretser. Dielektrisk glimmer (mica dielectric) er forsølvet på begge sider for å gi de ledende overflatene. Glimmer er et stabilt mineral som ikke påvirker med de vanligste elektroniske forurensningene.

Cornell Dubilier Electronics sinMC12FD101J-F er en 100 pF, 5 %, 500 volt glimmerkondensator i en konfigurasjon for overflatemontering (figur 6). Den brukes i RF-utrustninger som MRI, mobile radioer, effektforsterkere og oscillatorer. De er temperaturklassifisert til drift i området fra -55 °C til 125 °C.

Figur 6: Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F er en overflatemontert glimmerkondensator beregnet på RF-utrustninger. (Bildekilde: Cornell Dubilier Electronics)

Konklusjon

Kondensatorer er en viktig komponent i elektronikkdesign og konstruksjon. Gjennom årene har et bredt spekter av enhetstyper blitt utviklet med ulike egenskaper som gjør noen kondensatorteknologier spesielt egnet til spesifikke bruksområder. For designere er det verdt å tilegne seg god arbeidserfaring med de ulike typene, konfigurasjonene og spesifikasjonene for å sikre at det optimale valget blir gjort for en gitt bruk.