At vælge den rigtige kondensatorteknologi til en applikation

At vælge den rigtige kondensator til en applikation kan gøre en betydelig forskel i ydeevne, pålidelighed og effektivitet for produkter som f.eks. strømforsyninger til forsvar, rumfart, medicinsk teknologi, kritisk energiinfrastruktur eller hurtige elbilopladere.

Kondensatorer er vigtige komponenter i mange elektroniske kredsløb, da de lagrer og frigiver elektrisk energi, filtrerer uønskede signaler fra og udfører andre funktioner. Men ikke alle kondensatorer er lige gode, og forskellige typer kondensatorer har forskellige egenskaber, fordele og begrænsninger.

At vælge den rigtige kondensatortype er afgørende for produktdesignet. Tre almindelige muligheder - keramiske kondensatorer i flere lag (MLCC'er), film eller aluminiumelektrolyt - giver fordele og ulemper, og der er utallige variationer inden for hver kategori. At vælge den rigtige type sikrer, at det endelige produkt har nok energilagring, passer ind i den tilgængelige plads og fungerer pålideligt til den tilsigtede brug.

Argumenter for MLCC'er

MLCC'er består af skiftende lag af keramisk dielektrikum og metalelektroder, der er stablet og sintret sammen til en kompakt pakke. MLCC'er bruges i vid udstrækning i mange elektroniske enheder og giver høje kapacitansværdier i små størrelser, lav ækvivalent seriemodstand (ESR), lav lækstrøm, høj frekvensrespons og god temperaturstabilitet.

MLCC'er er velegnede til applikationer, der kræver høj effekttæthed, høj effektivitet, lav støj og høj pålidelighed. Der er dog variationer inden for denne kategori, som kan gøre en forskel i udviklingen af succesfulde produkter:

• MLCC'er med høj pålidelighed: Tilbyder høj pålidelighed, lav fejlrate, lang levetid og høj ydeevne under barske forhold. Disse egenskaber er vigtige for at opfylde strenge krav i industrier som rumfart og forsvar, herunder specifikationer under MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 og MIL-PRF-39014, samt medicinske anvendelser.
• MLCC'er til højspænding: Fungerer ved spændinger over 500 V og op til 12 kV. De er designet til applikationer, der kræver højspændingsisolering, som f.eks. strømforsyninger, pulsgeneratorer og røntgenudstyr. De har høj kapacitans, lav ESR, lav tabsfaktor og høj nedbrydningsspænding.
• MLCC'er til høje temperaturer: Fungerer ved temperaturer over +125 °C, op til +250 °C. De er designet til anvendelser, der kræver høj temperaturstabilitet, som f.eks. down-hole-boring, automotive og industrielle anvendelser. De giver høj kapacitans, lav ESR, lav temperaturkoefficient og høj modstandsdygtighed over for termisk chok.

Fordele ved filmkondensatorer

Filmkondensatorer er velegnede til anvendelser, der kræver høj effekt, høj strøm, høj spænding og høj frekvens, som f.eks. effektkonvertering, filtrering, dv/dt trigger (snubbing) og kobling. Disse kondensatorer består af en tynd film af dielektrisk materiale - f.eks. polyester, polypropylen, polycarbonat eller polyphenylensulfid - som er fastgjort mellem to metalelektroder, der enten er viklet ind i en cylindrisk form eller stablet i en flad form.

Filmkondensatorer er ofte større og dyrere end MLCC'er, men de giver høje kapacitansværdier, høje spændingsværdier, lav ESR, lav spredningsfaktor, høj frekvensrespons og lang levetid. Fordelene ved denne teknologi omfatter højere spændingsværdier, lineær ændring af kapacitans med spænding og temperatur, ingen piezoelektrisk støj, selvhelende evne og lang levetid.

Der er flere kategorier af filmkondensatorer, som kan påvirke, hvilken der er den rigtige til en applikation:

• Kondensatorer med metalliseret polyesterfilm bruger et tyndt lag metal, som f.eks. aluminium eller zink, der er deponeret på polyesterfilmen som elektroder. De har høj kapacitans, lav ESR, lave omkostninger og gode selvhelbredende egenskaber. De opfylder behovene for generelle anvendelser som bypass, kobling og afkobling.
• Kondensatorer med metalliseret polypropylenfilm bruger polypropylenfilm som elektroder med et tyndt lag metal, f.eks. aluminium eller zink. De er kendetegnet ved høj kapacitans, lav ESR, lav tabsfaktor, høj frekvensrespons og høj stabilitet. De er velegnede til applikationer med høj ydeevne, som f.eks. effektfaktorkorrektion, filtrering og dv/dt trigger (snubbing).
• Polykarbonatfilmkondensatorer bruger en polykarbonatfilm som dielektrisk materiale. De har høj kapacitans, høj spænding, lav temperaturkoefficient og høj pålidelighed. De er velegnede til applikationer, der kræver høj temperaturstabilitet, som f.eks. timing, sensing og præcisionskredsløb.
• Kondensatorer med polyphenylensulfidfilm bruger polyphenylensulfidfilm som dielektrisk materiale. De har høj kapacitans, høj temperaturklassificering, lav ESR, lav tabsfaktor og høj frekvensrespons. Velegnede applikationer omfatter dem, der kræver ydeevne ved høje temperaturer, som f.eks. bilindustrien, industrien og telekommunikation.
• Kondensatorer med metalliseret papirfilm bruger metalliseret papirfilm som dielektrisk materiale. De har høj kapacitans, høj spænding, lav ESR, lav tabsfaktor og gode selvhelbredende egenskaber. De er velegnede til applikationer, der kræver højspændingsisolering, som f.eks. strømforsyninger, pulsgeneratorer og røntgenudstyr.

Elektrolytiske kondensatorer af aluminium

Elektrolytkondensatorer i aluminium er velegnede til anvendelser, der kræver høj kapacitet, høj spænding og lav frekvens, såsom udjævning, filtrering og energilagring.

Med evnen til at lagre store mængder elektrisk energi i forhold til sin størrelse kan en elektrolytkondensator i aluminium bruges til at udjævne strømforsyningen i elektroniske apparater. De kan have en kortere levetid end MLCC'er og filmalternativer, og fordi de er polariserede med en positiv og en negativ terminal, kan de blive beskadiget, hvis de installeres baglæns. De kan også løbende lække en lille mængde strøm og er ikke så stabile ved høje frekvenser sammenlignet med alternativer.

Elektrolytkondensatorer i aluminium fås i forskellige elektrolyttyper, f.eks. flydende, fast eller hybrid, som har forskellige egenskaber med hensyn til ydeevne, stabilitet og pålidelighed:

• Flydende elektrolytkondensatorer i aluminium bruger en flydende elektrolytopløsning som katode. De har høj kapacitans, høj spænding og lave omkostninger. Men de har også en høj ESR, høj lækstrøm, høj tabsfaktor og begrænset levetid. De er velegnede til generelle formål som udjævning, filtrering og energilagring.
• Kondensatorer med fast aluminiumelektrolyt har et fast elektrolytmateriale - såsom mangandioxid eller ledende polymer - til katoden. De har en lav ESR, lav lækstrøm, lav spredningsfaktor og lang levetid. Men de har også lavere kapacitans, lavere spænding og højere omkostninger end kondensatorer med flydende elektrolyt. De er velegnede til højtydende applikationer som f.eks. switching-strømforsyninger, LED-drivere og lydforstærkere.
• Hybride elektrolytiske aluminiumskondensatorer bruger en kombination af flydende og faste elektrolytter som katode. De tilbyder en balance mellem kapacitans, mærkespænding, ESR, lækstrøm, spredningsfaktor og levetid. De er velegnede til applikationer, der kræver høj effekttæthed, høj pålidelighed og høj temperatur, som f.eks. bilbranchen, industrien og telekommunikation.

Leverandøropkøb udvider kondensatorporteføljen

Knowles og Cornell Dubilier Electronics (CDE) er to førende producenter af kondensatorer, der tilbyder en bred vifte af kondensatorteknologier og -produkter. Knowles opkøbte CDE i 2023 og kombinerede de to virksomheders komplementære styrker, herunder CDE's filmkondensatorer og elektrolytiske aluminiumskondensatorer og Knowles Precision Devices' film- og MLCC'er.

Knowles tilbyder en omfattende portefølje af MLCC'er i standard overflademonteringspakker og bånd- eller radiale ledningspakker, der spænder fra under en picofarad til hundredvis af mikrofarader, med nominelle værdier fra 6,3 V til 12 kV. Knowles MLCC'er fås i forskellige dielektriske materialer med forskellige temperaturkoefficienter, dielektriske konstanter og ældningshastigheder.

Knowles' FlexiCap™-produktionsmetode anvender et proprietært fleksibelt epoxypolymer-termineringsmateriale, der påføres under den sædvanlige nikkelbarrierefinish, og som giver plads til en større grad af bøjning af kortet end konventionelle kondensatorer. StackiCap™-serien giver en betydelig reduktion i PCB-areal for en tilsvarende kapacitansværdi i tilfælde, hvor pladsen på kortet er trang; for eksempel kan en standard 150 nanofarads (nF)-chip i en 8060-kabinetstørrelse fås i en meget mindre 3640-kabinetstørrelse.

Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (figur 1) er en FlexiCap overflademonteret MLCC, der kan lagre 0,56 mikrofarad (µF) elektrisk ladning - med en tolerance på ±10 % - og er designet til at håndtere op til 500 V. Det er en del af en produktfamilie af DC-klassificerede MLCC'er, der spænder fra 0,2 picofarad (pF) til 22 µF og i kabinetstørrelser fra 0402 til 8060.

Figur 1: En gengivelse af Knowles Syfer 2220Y5000564KXT. (Billedkilde: Knowles)

Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 (figur 2) er en StackiCap MLCC, der kan lagre 1 µF elektrisk ladning med en tolerance på ±10 % og er beregnet til 630 V.

Figur 2: Illustration af StackiCap-emballage til Knowles Sifer 2220Y6300105KETWS2 og lignende MLCC'er. (Billedkilde: Knowles)

Knowles CDE tilbyder et bredt udvalg af standard- og specialkondensatorer med skrueterminal, snap-in og kortmontering til brug i kritiske applikationer, lige fra defibrillatorer og medicinsk billeddannelse til radarsystemer og UPS-strømforsyninger til store datasystemer.

CDE's 477XMPL002MG19R er en del af XMPL-polymerchipkondensatorserien til applikationer, der kræver højere spænding og/eller kapacitans. Med lav ESR og robuste rippelstrømsværdier overgår de overflademonterede elektrolytter af større størrelse og giver længere levetid, større stabilitet ved temperaturændringer og lavere ESR ved højere frekvenser. Seriens standardkapacitetsværdier spænder nu fra 6,8 µF til 470 µF med en maksimal arbejdsspænding på 35 V_DC i en formstøbt pakke, der måler 7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm.

Blandt et omfattende udvalg af filmkondensatorer tilbyder CDE's type FCA-akrylfilmkondensatorer som FCA0805C104M-J2 høje kapacitansværdier i standardstørrelser til overflademontering. Serien tilbyder et kapacitansområde fra 0,10 µF til 1,0 µF. Som koblingskondensatorer i lydkredsløb kan de give forvrængningsfri lyd og filtrering af høje frekvenser.

Konklusion

Kondensatorer er vigtige elektroniske komponenter, og det er afgørende for produktdesignet at vælge den rigtige. Heldigvis giver Knowles og Cornell Dubilier Electronics adgang til et stort udvalg af almindelige typer med flere variationer samt specielle typer, der er designet til specifikke anvendelser.