DKK | EUR | USD

Grundlæggende: Forstå egenskaberne ved kondensatortyper, der skal bruges dem korrekt og sikkert

Af Art Pini

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Kondensatorer er energilagringsenheder, der er vigtige for både analoge og digitale elektroniske kredsløb. De bruges til timing og til oprettelse og formning af bølgeform, blokering af jævnstrøm og kobling af vekselstrømsignaler, filtrering og udjævning og selvfølgelig energilagring. På grund af den brede vifte af anvendelser er der opstået en overflod af kondensatortyper ved hjælp af en række pladematerialer, isolerende dielektrikum og fysiske former. Hver af disse kondensatortyper er beregnet til et bestemt anvendelsesområde. Det store udvalg af muligheder betyder, at det kan tage tid at sortere dem alle for at finde det optimale valg til et design med hensyn til ydeevneegenskaber, pålidelighed, levetid, stabilitet og omkostninger.

Der kræves kendskab til karakteristikaene for hver kondensatortype for korrekt at matche kondensatoren til den tilsigtede kredsløbsapplikation. Denne viden skal dække kondensatorers elektriske, fysiske og økonomiske egenskaber.

Denne artikel beskriver de forskellige typer kondensatorer, deres egenskaber og nøglekriterierne for deres valg. Eksempler fra Murata Electronics , KEMET , Cornell Dubilier Electronics , Panasonic Electronics Corporation og AVX Corporation vil blive brugt til at illustrere vigtige forskelle og attributter.

Hvad er en kondensator?

Kondensatoren er en elektronisk enhed, der lagrer energi i et internt elektrisk felt. Det er en grundlæggende passiv elektronisk komponent sammen med modstande og induktorer. Alle kondensatorer består af den samme grundlæggende struktur, to ledende plader adskilt af en isolator, kaldet dielektrikum, der kan polariseres ved anvendelse af et elektrisk felt (figur 1). Kapacitans er proportional med pladeområdet, A og omvendt proportional med afstanden mellem pladerne, d.

Diagram over grundlæggende kondensator består af to ledende plader adskilt af et ikke-ledende dielektrikum Figur 1: Grundkondensatoren består af to ledende plader adskilt af et ikke-ledende dielektrikum, der lagrer energi som polariserede områder i det elektriske felt mellem de to plader. (Billedkilde: Digi-Key Electronics)

Den første kondensator var Leyden-krukken, der blev udviklet i 1745. Den bestod af en glaskrukke foret med metalfolie på de indvendige og udvendige overflader og blev oprindeligt brugt til at opbevare statiske elektriske ladninger. Benjamin Franklin brugte den til at bevise, at lyn var elektricitet, som blev en af de tidligste registrerede applikationer.

Kapacitansen for den grundlæggende parallelle pladekondensator kan beregnes ved hjælp af ligning 1:

Ligning 1 Ligning 1

Hvor:

C er kapacitansen i Farads

A er pladearealet i kvadratmeter

d er afstanden mellem pladerne i meter

ε er det dielektriske materiales permittivitet

ε er lig med dielektricens relative permittivitet, ε r multipliceret med permittiviteten af et vakuum, ε 0 . Den relative permittivitet, ε r, betegnes ofte den dielektriske konstant, k.

Baseret på ligning 1 er kapacitans direkte proportional med dielektricitetskonstanten og pladearealet og omvendt proportional med afstanden mellem pladerne. For at øge kapacitansen kan pladernes areal øges, og afstanden mellem pladerne kan reduceres. Da den relative permittivitet af et vakuum er 1, og alle dielektrikum har en relativ permittivitet større end 1, vil indsættelse af et dielektrikum også øge kapacitansen af en kondensator. Kondensatorer betegnes generelt ved den anvendte type dielektrisk materiale (tabel 1).

Tabel over karakteristika for almindelige kondensatortyper Tabel 1: Karakteristika for almindelige kondensatortyper sorteret efter dielektrisk materiale. (Tabelkilde: Digi-Key Electronics)

Nogle noter til kolonneindgangene:

  • Den relative permittivitet eller dielektriske konstant for en kondensator påvirker den maksimale kapacitansværdi, der kan opnås for et givet pladeareal og dielektrisk tykkelse.
  • Den dielektriske styrke er en vurdering af dielektrikens modstand mod spændingsnedbrydning som en funktion af dens tykkelse.
  • Den mindst opnåelige dielektriske tykkelse påvirker den maksimale kapacitans, der kan realiseres, såvel som kondensatorens nedbrydningsspænding.

Kondensatorkonstruktion

Kondensatorer fås i en række fysiske monteringskonfigurationer, herunder aksial, radial og overflademontering (figur 2).

Diagram over kondensatorkonfigurationstyper inkluderer aksial, radial og overflademontering Figur 2: Montering af kondensator eller konfigurationstyper inkluderer aksial, radial og overflademontering. Overflademontering er meget udbredt på dette tidspunkt. (Billedkilde: Digi-Key Electronics)

Den aksiale konstruktion er baseret på alternative lag af metalfolie og dielektrisk, eller et dielektrisk metaliseret på begge sider rullet i en cylindrisk form. Forbindelser til de ledende plader kan ske via en indsat tap eller en cirkulær ledende endehætte.

Den radiale type består normalt af skiftende metal- og dielektriske lag. Metallag er broforbundne i enderne. Radiale og aksiale konfigurationer er beregnet til montering gennem hullet.

Overflademonterede kondensatorer er også afhængige af alternative ledende og dielektriske lag. Metallagene i hver ende er broet med en loddedæksel til overflademontering.

Model for kondensatorkredsløb

Kredsløbsmodellen til en kondensator inkluderer alle tre passive kredsløbselementer (figur 3).

Diagram over kredsløbsmodel for en kondensator består af de kapacitive, induktive og resistive elementer Figur 3: Kredsløbsmodellen for en kondensator består af de kapacitive, induktive og resistive elementer. (Billedkilde: Digi-Key Electronics)

Kredsløbsmodellen for en kondensator består af et seriemotstandselement, der repræsenterer de ohmske modstand af de ledende elementer sammen med den dielektriske modstand. Dette kaldes den ækvivalente eller effektive seriemodstand (ESR).

De dielektriske effekter opstår, når kondensatoren tilføres AC-signaler. AC-spændinger får polarisationen af dielektrikumet til at ændre sig på hver cyklus, hvilket forårsager intern opvarmning. Den dielektriske opvarmning er en funktion af materialet og måles som dissipationsfaktoren for dielektrikumet. Spredningsfaktoren (DF) er en funktion af kondensatorens kapacitans og ESR og kan beregnes ved hjælp af ligning 2:

Ligning 2 Ligning 2

Hvor:

x C er den kapacitive reaktans i ohm (Ω)

ESR er den ækvivalente seriemodstand (i Ω)

Spredningsfaktoren er frekvensafhængig på grund af den kapacitive reaktansperiode og er dimensionsløs, ofte udtrykt i procent. En lavere spredningsfaktor resulterer i mindre opvarmning og dermed lavere tab.

Der er et serieinduktivt element, kaldet den effektive eller ækvivalente serieinduktans (ESL). Dette repræsenterer bly- og ledende induktans. Seriens induktans og kapacitans giver anledning til en serieresonans. Under serieresonansfrekvensen udviser enheden primært kapacitiv adfærd, over den er enheden mere induktiv. Denne serieinduktans kan være problematisk i mange højfrekvente applikationer. Leverandører minimerer induktansen ved hjælp af den lagdelte konstruktion, der er vist i de radiale og overflademonterede komponentkonfigurationer.

Den parallelle modstand repræsenterer dielektricens isolationsmodstand. Værdierne for de forskellige modelkomponenter afhænger af kondensatorkonfigurationen og de materialer, der er valgt til dens konstruktion.

Keramiske kondensatorer

Disse kondensatorer bruger et keramisk dielektrikum. Der er to klasser af keramiske kondensatorer, klasse 1 og klasse 2. Klasse 1 er baseret på para-elektrisk keramik som titandioxid. Keramiske kondensatorer i denne klasse har et højt niveau af stabilitet, god temperaturkapacitetskoefficient og lavt tab. På grund af deres iboende nøjagtighed bruges de i oscillatorer, filtre og andre RF-applikationer.

Klasse 2 keramiske kondensatorer bruger et keramisk dielektrikum baseret på ferroelektriske materialer som bariumtitanat. På grund af disse materialers høje dielektriske konstant tilbyder klasse 2 keramiske kondensatorer en højere kapacitans pr. Volumenhed, men har lavere nøjagtighed og stabilitet end klasse 1 kondensatorer. De bruges til bypass- og koblingsapplikationer, hvor den absolutte værdi af kapacitans ikke er kritisk.

Murata Electronics ' GCM1885C2A101JA16 er et eksempel på en keramisk kondensator (figur 4). Klasse 1100 picoFarad (pF) kondensator har 5% tolerance, er nominel til 100 volt og kommer i en overflademonteret konfiguration. Denne kondensator er beregnet til brug i biler med en temperaturvurdering på -55 ° til + 125 ° C.

Billede af Murata GCM1885C2A101JA16 klasse 1, 100 pF keramisk overflademonteret kondensator Figur 4: GCM1885C2A101JA16 er en keramisk overflademonteret kondensator i klasse 1, 100 pF med 5% tolerance og en nominel effekt på 100 volt. (Billedkilde: Murata Electronics)

Filmkondensatorer

Filmkondensatorer bruger en tynd plastfilm som dielektrikum. Ledende plader kan implementeres enten som folielag eller som to tynde metalliseringslag, et på hver side af plastfilmen. Plasten, der anvendes til dielektrikummet, bestemmer kondensatorernes egenskaber. Filmkondensatorer findes i mange former:

Polypropylen (PP): Disse har særlig god tolerance og stabilitet med lave ESR- og ESL- og højspændingsfordelingsværdier. På grund af temperaturgrænserne for dielektrikummet er de kun tilgængelige som blyholdige enheder. PP-kondensatorerne finder applikationer i kredsløb, hvor der forekommer høj effekt eller høj spænding som switch-mode strømforsyninger, ballastkredsløb, højfrekvente afladningskredsløb og i lydsystemer, hvor deres lave ESR og ESL er værdsat for signalintegritetsformål.

Polyethylenterephthalat (PET) : Også kaldet polyester- eller mylar-kondensatorer, disse kondensatorer er de mest volumetrisk effektive af filmkondensatorerne på grund af deres højere dielektriske konstant. De anvendes generelt som radiale blyindretninger. De bruges til kapacitive applikationer til generelle formål.

Polyphenylensulfid (PPS): Disse kondensatorer er kun fremstillet som udstyr til metalfilm. De har særlig god temperaturstabilitet og anvendes derfor i kredsløb, der kræver god frekvensstabilitet.

Et eksempel på en PPS-filmkondensator er ECH-U1H101JX5 fra Panasonic Electronics Corporation. 100 pF-enheden har en tolerance på 5 %, er nominel til 50 volt og kommer i en overflademonteret konfiguration. Det har et driftstemperaturområde på -55 ° til 125 °C og er beregnet til generelle elektroniske applikationer.

Polyethylenaphthalat (PEN): Ligesom PPS-kondensatorerne er disse kun tilgængelige i et metaliseret filmdesign. De har høj temperaturtolerance og fås i overflademonteret konfiguration. Applikationer fokuserer på dem, der kræver høj temperatur og høj spænding.

Polytetrafluorethylen (PTFE) eller teflonkondensatorer er kendt for deres høje temperatur og højspændingstolerance. De er fremstillet i både metal- og foliekonstruktion. PTFE-kondensatorer finder for det meste applikationer, der kræver udsættelse for høj temperatur.

Elektrolytiske kondensatorer

Elektrolytiske kondensatorer er bemærkelsesværdige for deres høje kapacitansværdier og høje volumetriske effektivitet. Dette opnås ved at bruge en flydende elektrolyt som en af dens plader. En elektrolytisk kondensator i aluminium omfatter fire separate lag: en aluminiumsfoliekatode; en elektrolyt-gennemblødt papirseparator; en aluminiumanode, der er blevet kemisk behandlet til dannelse af et meget tyndt aluminiumoxidlag; og endelig en anden papirseparator. Denne samling rulles derefter og placeres i en forseglet metallisk dåse.

Elektrolytkondensatorer er polariserede jævnstrømsenheder, hvilket betyder, at den påførte spænding skal tilføres de specificerede positive og negative terminaler. Manglende korrekt tilslutning af den elektrolytiske kondensator kan resultere i eksplosiv svigt, selvom kabinetterne har trykaflastningsmembraner til at styre reaktionen og minimere risikoen for skader.

De væsentligste fordele ved den elektrolytiske kondensator er høje kapacitansværdier, lille størrelse og relativt lave omkostninger. Kapacitansværdierne har et bredt toleranceområde og relativt høje lækstrømme. De mest almindelige anvendelser til elektrolytiske kondensatorer er som filterkondensatorer i både lineære strømforsyninger og strømforsyninger (figur 5).

Billede af eksempler på 10 µF elektrolytkondensatorer Figur 5: Eksempler på elektrolytkondensatorer; alle har en kapacitans på 10 mikrofarader (µF). (Billedkilde: Kemet og AVX Corp.)

Med henvisning til figur 5 og bevægelse fra venstre til højre, ESK106M063AC3FA fra Kemet er en 10 µF, 20 %, 63 volt, radialt bly, elektrolytisk kondensator af aluminium. Den kan betjenes ved temperaturer op til 85 °C og har en levetid på 2.000 timer. Den er beregnet til elektrolytiske applikationer til generelle formål, herunder filtrering, afkobling og bypass-operationer.

Et alternativ til den elektrolytiske aluminiumkondensator er aluminiumspolymerkondensatoren, der erstatter den flydende elektrolyt med en fast polymerelektrolyt. Polymeraluminiumkondensatoren har lavere ESR end elektrolytisk aluminium og har en længere levetid. Som alle elektrolytkondensatorer er de polariserede og finder anvendelse i strømforsyninger som filter- og afkoblingskondensatorer.

Kemet A758BG106M1EDAE070 er en 10 µF, 25 volt, radialt bly, aluminium-polymer kondensator med længere levetid og større stabilitet over en lang række temperaturer. Det er beregnet til industriel og kommerciel anvendelse såsom mobiltelefonopladere og medicinsk elektronik.

Tantal kondensatorer er en anden form for elektrolytisk kondensator. I dette tilfælde dannes et lag af tantaloxid kemisk på tantalfolie. Deres volumetriske effektivitet er bedre end en elektrolytisk aluminium, men de maksimale spændingsniveauer er generelt lavere. Tantalkondensatorer har lavere ESR og højere temperaturtolerance end aluminiumelektrolytika, hvilket betyder, at de bedre kan modstå loddeprocessen.

Kemet T350E106K016AT er en 10 µF, 10 %, 16 volt, radial bly tantal kondensator. Det giver fordelene ved lille størrelse, lav lækage og lav dissipationsfaktor til filtrering, bypass, AC-kobling og timing applikationer.

Den endelige elektrolytiske kondensatortype er elektrolytisk nioboxid. Udviklet under en tantalmangel erstatter den elektrolytiske kondensator niob tantal med niob og niobpentoxid som elektrolyt. På grund af sin højere dielektriske konstant tilbyder den mindre pakkestørrelse pr. Kapacitansenhed.

Et eksempel på elektrolytisk nioboxid er NOJB106M010RWJ fra AVX Corp. Dette er en 10 µF, 20 %, 10 volt kondensator i en overflademonteringskonfiguration. Ligesom det elektrolytiske tantal bruges det til filtrering, bypass og AC-koblingsapplikationer.

Glimmer kondensatorer

Glimmerkondensatorer (for det meste sølvglimmer) er kendetegnet ved stram kapacitans-tolerance (±1 %), lav temperaturkoefficient for kapacitans (typisk 50 ppm/°C), usædvanligt lav spredningsfaktor og en lav kapacitansvariation med anvendt spænding. Den stramme tolerance og høje stabilitet gør dem velegnede til RF-kredsløb. Glimmerdielektrikummet er forsølvet på begge sider for at give de ledende overflader. Glimmer er et stabilt mineral, der ikke interagerer med de mest almindelige elektroniske forurenende stoffer.

Cornell Dubilier Electronics ' MC12FD101J-F er en 100 pF, 5 %, 500 volt, glimmerkondensator i en overflademonteringskonfiguration (figur 6). Det bruges i RF-applikationer som MR, mobile radioer, effektforstærkere og oscillatorer. De er temperaturvurderet til at fungere i området fra -55 ° til 125 °C.

Billede af Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F er en overflademonteret glimmerkondensator Figur 6: Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F er en overflademonteret glimmerkondensator beregnet til RF-applikationer. (Billedkilde: Cornell Dubilier Electronics)

Konklusion

Kondensatorer er en væsentlig komponent i elektronikdesign. I årenes løb er der udviklet en lang række enhedstyper med forskellige egenskaber, der gør nogle kondensatorteknologier særligt velegnede til specifikke applikationer. For designere er det værd at tilegne sig en god arbejdskendskab til de forskellige typer, konfigurationer og specifikationer for at sikre, at det optimale valg træffes til en given applikation.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om denne forfatter

Art Pini

Arthur (Art) Pini er en bidragydende forfatter hos Digi-Key Electronics. Han har en kandidatgrad i electrical engineering fra City College i New York og en universitetsgrad i electrical engineering fra City University of New York. Han har over 50 års erfaring inden for elektronik og har arbejdet som nøgleingeniør og i en marketing-rolle hos Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek og Nicolet Scientific. Han har interesser i måleteknologi og omfattende erfaring med oscilloskoper, spektrumanalysatorer, vilkårlige bølgeformgeneratorer, digitaliseringsmaskiner og effektmålere.

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører