Hvad er en kondensator, og hvad er de forskellige typer?

Introduktion

I skrivende stund viser et konservativt estimat, at der er op mod 37.000 unikke producentvarenumre for kondensatorer på lager hos DigiKey, 114.000, hvis emballagevarianter medregnes. Bare det at opretholde den slags SKU-antal indebærer en frygtelig masse papirarbejde, en masse gaffeltruck-kørsel og en masse kontanter bundet i fysisk lagerbeholdning. Det er et lille mirakel i den moderne industri, at man kan ompakke disse produkter efter ordre og have dem klar til afsendelse på lastkajen så kort tid som 15 minutter efter, at man har modtaget en ordre. Hvorfor bruge så mange kræfter på simple komponenter med to terminaler? Kombinationen af spænding og strømstyrke er bestemt en faktor, men den mere subtile årsag er, at kondensatorer egentlig ikke er så enkle. De skematiske symboler, vi bruger til at repræsentere dem, er udeladte løgne for nemheds skyld og skjuler detaljer, der ofte er a) ret vigtige og b) ikke behandles godt i den akademiske verden. Nogle typer har tendens til at brænde aggressivt eller frigive giftige dampe ved fejl eller forkert anvendelse. Andre typer svækkes, når de ikke bruges, og kan svigte under belastninger, der ligger langt inden for deres nominelle grænser. Nogle typer udviser store parametriske variationer med miljø- og anvendelsesvariabler, mens andre er mere eller mindre ubevidste. At træffe informerede designvalg kræver bevidsthed om og overvejelse af disse forskellige kvaliteter. Formålet med denne ressource er at give læseren en guide til kondensatorteknologi i en kapsel, der er nem at sluge, og som (forhåbentlig) ikke er søvndyssende.

Hvad er en kondensator?

Kondensatorer er enheder, der lagrer elektrisk energi i form af et elektrisk felt. Processen minder meget om den måde, hvorpå mekaniske fjedre lagrer energi i form af elastisk materialedeformation, i en sådan grad, at matematikken, der beskriver begge dele, er ret ens, bortset fra de anvendte variabler. Ligheden kan faktisk være en del af grunden til, at studerende inden for elektroteknik eller maskinteknik ofte finder de andres studier mystiske og uigennemskuelige; "v" betyder "spænding" for en elektroingeniør (EE), men "hastighed" for en maskintekniker (ME), hvis repræsentationer af fjedre kan ligne induktorer for en EE osv. Begrebet parallelpladekondensator bruges generelt som udgangspunkt for at forklare de fleste praktiske kondensatorkonstruktioner. Den består af to ledende elektroder, der er placeret parallelt med hinanden og adskilt af en isolator, normalt en af flere polymerer, keramiske materialer, metaloxider, luft eller lejlighedsvis et vakuum. Værdien af en sådan kondensator, i bund og grund dens "fjederkonstant" for de mekanisk indstillede, er tilnærmet ved formlen i figur 1, når afstanden mellem pladerne er lille i forhold til deres areal. Det skal dog bemærkes, at mekaniske fjederkonstanter og kondensatorværdier pr. konvention udtrykkes med reciprokke dimensioner; en mekanisk fjederkonstant udtrykkes typisk som kraft pr. forskydningsenhed (f.eks. newton pr. meter eller pundkraft pr. tomme), mens en kapacitansværdi udtrykkes som forskydning pr. kraftenhed, dvs. coulomb pr. volt.

Figur 1: Den parallelle pladekapacitansmodel.

I praksis behøver pladerne ikke at være flade; rullede, foldede, krøllede, stablede, skiveskårne, ternede og juliennede geometrier fungerer også, selvom matematikken kan blive temmelig rodet, når geometrierne bliver mere komplekse. Så for at lave en kondensator med en større værdi kan man bruge plader med et større areal, reducere separationsafstanden (dvs. tykkelsen af det dielektriske materiale) eller øge materialets dielektriske konstant. At pille ved ε0 kræver stort set, at man skaber et alternativt univers, hvilket er en ret vanskelig ting at gøre uden for det politiske område. Men hvad pokker er det der "dielektrisk konstant"? Det er i bund og grund en egenskab ved materialer, der beskriver deres evne til at blive elektrisk polariseret under påvirkning af et elektrisk felt gennem en række forskellige mekanismer. Disse mekanismer kan være på atomart niveau, hvor skyen af elektroner, der omgiver kernen i et atom, forskydes, hvilket resulterer i, at et atom har en let positiv ladning på den ene side og en tilsvarende negativ ladning på den anden. Det kan også ske på molekylært niveau på grund af ændringer i orienteringen af elektrisk polære molekyler som reaktion på et påtrykt felt, eller gennem bøjning og strækning af bindingerne mellem atomer i et molekyle, ligesom materialet i en mekanisk fjeder bøjes eller strækkes. Forudsat at elektronerne i det atomare tilfælde ikke "blæser væk" og reassocierer med en tilstødende kerne, og i de molekylære tilfælde, at molekylerne ikke rives fra hinanden af kraften fra det elektriske felt, fungerer materialet som en isolator; det understøtter ikke en vedvarende strøm af ladning, når der påføres et elektrisk felt, selvom det effektivt tillader en vis ladning at strømme, når feltet etableres på grund af forskydningen af elektroner omkring et atom eller reorientering/forvrængning af molekyler. Når man fjerner det elektriske felt, kan elektronerne i dielektrikummet vende tilbage til deres normale fordeling omkring de kerner, de er bundet til, eller molekylerne i stoffet kan vende tilbage til deres oprindelige tilfældige orientering eller form. I den proces returneres det meste af den ladning, der strømmede gennem kondensatoren, da det elektriske felt blev påført, til kredsløbet og strømmer i den modsatte retning. Et materiales (relative) dielektriske konstant beskriver, i hvor høj grad et materiale muliggør dette midlertidige strømflow, i forhold til i hvor høj grad et vakuum gør det. Et materiale, der tillader den samme mængde ladningsoverførsel som et vakuum for et givet areal, separationsafstand og anvendt feltstyrke, har en dielektrisk konstant på 1. Et materiale, der tillader dobbelt så stor ladningsoverførsel som vakuum, har en dielektrisk konstant på 2 osv. Nuancerne i de forskellige kondensatortyper bestemmes for det meste af egenskaberne ved det anvendte dielektrikum og den metode, som en given enhed er konstrueret efter. Alle dielektriske materialer har begrænsninger med hensyn til det maksimale felt, de kan modstå for en given materialetykkelse, deres dielektriske konstant, tab, der opstår i det dielektriske materiale og elektroderne, og mængden af strøm, der flyder eller "lækker" gennem dielektrikummet, når det påførte elektriske felt er konstant.

Ikke-ideelle egenskaber ved kondensatorer

Til mange formål kan rigtige kondensatorer repræsenteres ved hjælp af en relativt simpel model, der består af en idealkondensator med flere ekstra komponenter.

ESR

Ækvivalent seriemodstand (repræsenteret ved_Resr i modellen vist i figur 2) beskriver tab forbundet med at flytte ladning gennem en kondensator. Elektrode- og blymaterialernes modstand er en medvirkende faktor, og tab, der opstår i selve det dielektriske materiale, forekommer også og er ofte dominerende. ESR's relevans for valg af kondensator er todelt: 1) den påvirker kondensatorens AC-respons, og 2) den sætter grænser for den mængde AC-strøm, der kan flyde gennem kondensatoren på grund af termiske begrænsninger. Strømflow gennem en kondensators ESR resulterer i I2 R-tab ligesom enhver anden modstand, hvilket forårsager en temperaturstigning i kondensatoren, der bidrager til at mindske enhedens levetid. ESR påvirkes af enhedens type og konstruktion, og i varierende grad også af temperatur og testfrekvens. I mange tilfælde er ESR for en kondensator ikke direkte angivet i et datablad, men snarere kommunikeret i form af et opsummerende tal som Q, dissipationsfaktor (DF) eller Tan δ. Alle er kvotienter af en kondensators ESR og kapacitive reaktans (_XC) udtrykt på forskellige måder. Tan δ og dissipationsfaktoren beregnes som _ESR/XC og er stort set det samme tal, selvom det skal bemærkes, at dissipationsfaktoren normalt udtrykkes som en procentdel i stedet for som en simpel dimensionsløs faktor. Q er simpelthen den reciprokke værdi af Tan δ, eller_XC/ESR.

Figur 2: Et typisk kondensatorsymbol i kontrast til et skema med ikke-ideelle egenskaber, der er modelleret som klumpede elementer.

ESL

Ækvivalent serieinduktans opstår fra den delvise selvinduktans af enhedens ledninger, spoler dannet på grund af geometrien af enhedens ledninger i kredsløbet osv. I lumped-model-tilnærmelsen er ESL repræsenteret af en ideel induktor (_Lesl) i serie med den ideelle kondensator (_Cnom), der repræsenterer enhedens nominelle kapacitansværdi. ESL's relevans for valg af kondensator er primært dens effekt på AC-respons. Som den klumpede model antyder, opfører kondensatorer i den virkelige verden sig som serieforbundne LCR-kredsløb. Når frekvensen af en påtrykt AC-spænding stiger, stiger ESL'ens induktive reaktans til et punkt, hvor den er lig med enhedens kapacitive reaktans, og kondensatoren opfører sig som en resistor. Ved frekvenser over dette punkt er kondensatoren effektivt en induktor.

Lækage

Lækage er modelleret som en modstand med relativt stor værdi parallelt med den ideelle kondensator i den klumpede model. Det skyldes, at de dielektriske materialer, der bruges i kondensatoren, ikke er perfekte isolatorer og tillader en vis mængde jævnstrøm at passere gennem kondensatoren, når der tilføres en konstant spænding. Lækagens betydning for valg af kondensator afhænger af anvendelsen; det kan være et problem med strømforbruget i mikroenergiapplikationer, en fejlkilde i analoge præcisionsapplikationer eller et problem med pålidelighed/termisk styring i energiapplikationer.

Polarisering

Polarisering er en ikke-ideel egenskab ved de fleste elektrolytiske kondensatorer, som er afhængige af et dielektrikum, der dannes gennem elektrokemisk virkning. Hvis man lægger en spænding på en sådan kondensator med forkert polaritet, vender den elektrokemiske proces, der bruges til at skabe kondensatorens dielektriske lag, om. Denne proces med elektrokemisk ødelæggelse af det dielektriske lag resulterer i lækstrømme, der er højere end specificeret, og som forværres, når det tyndere dielektriske lag begynder at bryde sammen under spændingsbelastningen. Da lækstrøm resulterer i intern opvarmning, og temperaturstigninger medfører stigninger i lækstrøm, opstår der en kaskadeeffekt, der kan resultere i ret spektakulære katastrofale fejl, når kildeimpedansen for den (forkert) påførte spænding er lav. Ikke-polariserede elektrolytkondensatorer (som i virkeligheden er to polariserede kondensatorer placeret ryg mod ryg) fås til brug i applikationer, hvor polariteten af den anvendte spænding er ukendt eller lejlighedsvis kan vendes, selvom brugen af dem kræver en vis forsigtighed.

Dielektrisk absorption

Dielektrisk absorption, også kaldet "soakage", henviser til energilagring i en kondensators dielektrikum, som absorberes og frigives på en længere tidsskala end forudsagt af enhedens nominelle kapacitans og ESR. I modellen med klumpede elementer kan det repræsenteres som en serieforbindelse af en modstand og kondensator (eller flere forekomster heraf) parallelt med en enheds nominelle kapacitans. I praksis betyder det, at en kondensator, der holdes på DC-potentiale i et stykke tid og derefter kortvarigt aflades, ser ud til at genoplade sig selv til en vis grad. I et andet eksempel vil afladningen gennem en modstand af en kondensator, der holdes på et DC-potentiale i et stykke tid, være godt modelleret af den sædvanlige eksponentielle ligning under den hurtigt skiftende del af afladningskurven. I den "lange hale" af kurven vil kondensatoren dog levere en strøm, der er højere end den, der forudsiges af den sædvanlige R-C-afladningsligning. Fænomenet kan være problematisk i analoge præcisionskredsløb, men udgør en potentielt dødelig sikkerhedsrisiko i forbindelse med højspændingsenheder med høj kapacitans, som dem, der bruges i mange applikationer til effektfaktorkorrektion eller DC-busfiltrering. Mange typer kondensatorer, der bruges til sådanne formål i dag og historisk, er nogle af de mest tilbøjelige til at lagre energi ved dielektrisk absorption, og nogle er i stand til at "selvoplade" til måske en femtedel af den tidligere anvendte spænding. Med større enheder kan den energi og spænding, der er til stede ved terminalerne på grund af denne proces, være tilstrækkelig til at forårsage skade direkte (forbrændinger eller hjertestop er to muligheder) eller indirekte som et resultat af ufrivillige reaktioner på elektrisk stød.

Afhængighed af ____ på _____

I det første tomme felt skal du indsætte en hvilken som helst enhedsparameter af interesse; kapacitans, ESR, ESL, lækage, levetid osv. I det andet skal du indsætte næsten alle applikationsparametre: temperatur, spænding, frekvens, tid osv. Der er et forhold mellem de to, og det afhænger af enhedens type og konstruktion. Nogle af relationerne er ikke særligt stærke og er normalt ubetydelige, mens andre er stærkere og mindre ubetydelige end en gorilla på 800 pund. Derfor bør eksistensen og relevansen af sådanne relationer overvejes, når der vælges udstyr.

Aldring

Nogle kondensatortyper udviser betydelige variationer i deres egenskaber, som forekommer på tidsskalaer, der er meget længere end de fleste elektriske signaler af interesse, lidt ligesom den måde, en Krispy Kreme®-doughnut ændrer karakter på, efter den har forladt frituregryden. Det kan give problemer i forhold til design, fremstilling eller kalibrering; en enhed, der testes OK, når den lige er kommet ud af reflow-ovnen, opfylder f.eks. ikke specifikationerne efter en uge.

Mikrofoni/Piezo-effekt

Husk på, at ligningen for kapacitansen mellem to parallelle plader er en stærk funktion af elektrodeafstanden/den dielektriske tykkelse; hvis afstanden mellem pladerne ændres (f.eks. ved anvendelse af en mekanisk kraft), ændres kapacitansen også. Hvis kapacitansen ændres, men mængden af lagret ladning forbliver konstant, varierer spændingen over kondensatorens terminaler omvendt proportionalt med ændringen i kapacitans. Resultatet er, at kondensatorer giver en transduktionsmekanisme mellem det mekaniske og det elektriske område, der almindeligvis kaldes en mikrofonisk effekt på grund af dens lighed med/anvendelse i lydmikrofoner af den slags, der bruges i sceneoptrædener, bærbar elektronik osv. Effekten er fantastisk nyttig til disse anvendelser, men kan også være problematisk, når den resulterer i utilsigtet kobling af mekaniske signaler til et elektrisk kredsløb, så det bliver en støjkilde eller endnu værre, en utilsigtet feedback-vej. Transduktionsmekanismen er også tovejs; påføring af spænding over en kondensators terminaler resulterer i, at der påføres mekaniske kræfter på elektroderne, som igen kan kobles mekanisk til det omgivende miljø, for eksempel som hørbar støj. Selvom det findes i alle kondensatorer på grund af elektrostatiske kræfter (fænomenet bag "statisk klæbning"), er det mest udtalt i enheder, der indeholder piezoelektriske dielektriske materialer. Sådanne materialer udvikler en elektrisk ladning som reaktion på mekanisk belastning, og i den anden retning deformeres de mekanisk, når de udsættes for et elektrisk felt. Da piezoeffekten har tendens til at generere betydeligt mere mekanisk kraft pr. anvendt volt end elektrostatiske kræfter, er koblingen mellem det elektriske og det mekaniske område meget stærkere i kondensatorer, der indeholder piezoelektriske materialer.

Figur 3: Illustration, der fremhæver kondensatorers evne til at fungere som audio/mekaniske transducere.

Fejlmekanismer i kondensatorer

Kondensatorer (som alle andre menneskelige konstruktioner) svigter til sidst, enten parametrisk eller katastrofalt. Parametriske fejl er fejl, hvor en enhed fortsat fungerer, men langsomt er blevet nedbrudt til et punkt, hvor den ikke længere opfylder ydelsesspecifikationerne. På den anden side er katastrofale fejl kendetegnet ved pludselige, dramatiske skift i enhedens egenskaber, der resulterer i en adfærd, der ikke er i overensstemmelse med specifikationerne, hvilket kan omfatte selvafmontering, forbrænding, glød osv.

Dielektrisk nedbrydning

Fejl ved dielektrisk nedbrydning er en elektrisk tilstand, hvor et dielektrisk materiales isolerende egenskaber ikke er i stand til at holde lækstrømmen under et bestemt niveau. Fejl, der skyldes dielektrisk nedbrydning, er ofte selvforværrende fejl med lav impedans (kortslutning) og skyldes ofte anvendelse af spænding, der overskrider enhedens nominelle grænse eller drift uden for de specificerede termiske grænser. Derfor er de ofte spektakulære, selvom nogle kondensatortyper har evnen til at udholde mindre dielektriske nedbrydningshændelser med ynde. Da dielektrisk nedbrydning og termiske fejl kan være enten årsag eller virkning, kan det af og til være svært at kategorisere en fejlhændelse som værende forårsaget af det ene eller det andet.

Termisk

Termiske fejl er dem, der opstår på grund af for høj enhedstemperatur. I de tilfælde, hvor for høj temperatur forårsager dielektrisk nedbrydning, er der som regel tale om kortslutningsfejl. Termiske fejl kan også betragtes som et langvarigt fænomen, hvor langvarig drift ved forhøjet temperatur resulterer i skift i enhedens parametre ud over de tilladte grænser.

Mekanisk

Mekaniske fejl er fejl, hvor fysisk skade på en enhed er den umiddelbare årsag til fejlen, og de kan vise sig som parametre, der er uden for specifikationerne, kortslutninger eller åbne kredsløb. Mekaniske fejl, som man ofte støder på med keramiske kondensatorer, skyldes normalt fremstillings- og monteringsprocesser, men kan også opstå i marken på grund af misbrug eller dårligt mekanisk design.

Hvad er nogle almindelige generelle kondensatorspecifikationer?

Nominel spænding

En kondensators spændingsangivelse er en indikation af den maksimale spænding, der bør anvendes på enheden. I nogle tilfælde kan den angive en maksimal sikker arbejdsspænding, i andre tilfælde kan den være mere beslægtet med en halvleders "absolutte maksimum", hvortil der skal anvendes en passende de-rating faktor.

Tolerance

En kondensators tolerance beskriver grænserne for afvigelse fra den nominelle kapacitansværdi, som en enhed kan forventes at udvise under specificerede testbetingelser, især AC-testspænding og -frekvens. De angivne tolerancetal omfatter afvigelsen fra den nominelle værdi i stationær tilstand på grund af variationer i fremstillingen og kan (i sjældne tilfælde) også omfatte temperaturinduceret variation i kapacitansværdien over det angivne driftstemperaturområde. Det skal bemærkes, at testbetingelserne (bl.a. temperatur, frekvens, amplitude og testspændingens DC-biasværdi) ofte har stor indflydelse på de observerede enhedsparametre.

Sikkerhedsvurderinger

Kondensatorer, der er designet til brug i applikationer, hvor fejl kan udgøre en risiko for sikkerheden for personer eller ejendom (typisk dem, der involverer AC-linjespændinger), er mærket med en alfanumerisk sikkerhedsvurdering, såsom X1, X2, Y1, Y2 osv. i henhold til lovgivningsmæssige standarder. "X"-klassificerede enheder er certificeret til applikationer, hvor fejl ikke forventes at udgøre en stødfare, såsom "line to line"-applikationer, mens "Y"-klassificerede enheder er certificeret til applikationer, hvor fejl ville udgøre en stødfare, såsom "line to ground"-applikationer. Tallet i betegnelsen angiver et niveau af tolerance over for overspændinger, som specificeret i gældende regulatoriske standarder som IEC 60384-14. Enheder kan også have flere sikkerhedsklassificeringer, der angiver, at de er certificeret til brug under forskellige omstændigheder; for eksempel kan en kondensator med en X1Y2-sikkerhedsklassificering bruges i applikationer, der kræver en X1-klassificering såvel som dem, der kræver en Y2-klassificering.

Dielektrisk/elektrodetype

Kondensatorer adskiller sig ved de materialer, der bruges i deres konstruktion, og til en vis grad ved deres driftsmekanisme. "Keramiske" kondensatorer bruger for eksempel keramiske materialer som dielektrikum; "aluminiumelektrolytiske" kondensatorer er dannet ved hjælp af aluminiumelektroder og en elektrolytopløsning osv. Yderligere specifikation af dielektriske egenskaber (og dermed enhedens ydeevneegenskaber) inden for en generel kondensatortype foretages ofte, især blandt keramiske kondensatortyper. En almindelig skelnen er den mellem elektrolytiske og ikke-elektrolytiske kondensatortyper. Elektrolytiske kondensatorer bruger et dielektrisk materiale, som er dannet på stedet elektrokemisk, normalt ved at oxidere overfladen af elektrodematerialet, mens ikke-elektrolytiske (ofte kaldet "elektrostatiske" kondensatorer) bruger dielektriske materialer, der generelt er dannet gennem forskellige mekaniske processer og ikke er et kemisk derivat af selve elektrodematerialet. Denne skelnen er nyttig, fordi de to enhedskategorier deler generelle træk inden for sig selv, så man groft sagt kan forudsige en given enheds kvaliteter og anvendelsesegnethed ved blot at identificere, om det er en elektrolytisk type eller ej. Generelt har elektrolytiske kondensatorer en høj kapacitans pr. volumenenhed, er polariserede, billige, har et højt tab og udviser en elendig parameterstabilitet. Ikke-elektrolytiske enhedstyper har derimod en tendens til at være voluminøse i forhold til deres klassificering, er ikke-polære, relativt dyre, har lavt tab og med en håndfuld bemærkelsesværdige undtagelser udviser de en rimelig til fremragende parameterstabilitet.

Driftstemperaturområde

En kondensators (drifts-)temperaturområde angiver det temperaturområde, hvor enheden er kvalificeret til brug. Når det er specificeret separat, er et opbevaringstemperaturområde det temperaturområde, hvor opbevaring i en ikke-aktiv tilstand ikke vil forårsage skade på enheden eller resultere i irreversible parameterskift ved drift inden for det normale temperaturområde. For usamlede enheder kan der laves yderligere (strengere) miljøspecifikationer vedrørende opbevaring for at sikre, at blyfinishmaterialer ikke nedbrydes til et punkt, der ville forhindre korrekt samling. I modsætning til de fleste andre kvalificerende parametre er drift uden for en enheds specificerede temperaturområde (især ved lavere temperaturer) ofte komfortabelt muligt, forudsat at der træffes foranstaltninger til at tage højde for parameterskift, der opstår som følge heraf, og at temperaturudsvingene ikke resulterer i mekanisk skade på enheden. Drift ved temperaturer over en enheds nominelle grænse er mere risikabelt på grund af tilstedeværelsen af temperaturrelateret slid og fejlmekanismer, men er ofte muligt under omstændigheder, hvor enhedens levetid ikke er et væsentligt problem. En sådan drift uden for specifikationerne er dog på designerens risiko og kræver rettidig omhu i kvalificeringen af enheden.

Nominel krusningsstrøm

En kondensators ripple current rating angiver den maksimale vekselstrøm, der må passere gennem kondensatoren. Da strøm gennem en kondensator resulterer i selvopvarmning på grund af ohmske og dielektriske tab, er den mængde strøm, en given enhed kan tolerere, begrænset og påvirkes af miljøforholdene.

Levetid

Mange kondensatorer, især aluminiumstyper, har stærke slidmekanismer, der begrænser deres levetid. En levetidsspecifikation er en angivelse af en enheds forventede levetid under specificerede driftsforhold. Bemærk, at definitioner af levetid kan variere; en almindelig definition er længden af drift under specificerede forhold (som normalt er tæt på de nominelle maksimale værdier), inden for hvilken 50% af enhederne i marken kan forventes at svigte. Nogle specifikationer er strengere, andre kan være mere lempelige.

Militær, høj pålidelighed og etableret pålidelighed

Til anvendelser, der ikke er tolerante over for fejl i enheden, findes der kondensatorer, som produceres og testes i henhold til definerede protokoller for at give en statistisk sikkerhed for enhedens pålidelighed. Særligt følsomme applikationer kræver ofte, at komponenter indkøbes gennem dokumenterede kanaler, som gør det muligt at spore en given komponents oprindelse tilbage gennem produktionsprocesserne for at sikre enhedens integritet og lette årsagsanalysen i tilfælde af fejl. MIL-HDBK-217F Notice 2 er i skrivende stund den mest udbredte guide til forudsigelse af pålideligheden af elektronisk udstyr, selvom Telcordias procedurer også har været meget udbredte, især i telekommunikationsindustrien.

Emballage- og monteringstyper

Som de fleste elektroniske komponenter fås kondensatorer i en række forskellige paknings- og monteringstyper. Enhedskarakteristika og almindelige anvendelsesbegrænsninger påvirker de tilgængelige muligheder, som kan omfatte overflademonterede enheder, aksiale og radiale gennemgående hultyper og chassismonterede typer.

Hvad er aluminiumskondensatorer?

Aluminiumskondensatorer er en familie af enheder, der falder ind under paraplyen "elektrolytiske" kondensatorer. Som sådan tilbyder de høje kapacitansværdier i små pakker til en relativt lav pris. I bytte for disse ønskværdige kvaliteter har deres elektriske egenskaber og levetid en tendens til at være relativt dystre. Selvom de er uegnede til alt andet end de mest barbariske signalrelaterede anvendelser, er aluminiumskondensatorer en fast bestanddel til jævnstrømsrelaterede funktioner. Der findes tre forskellige typer: standardelektrolytkondensatoren i aluminium, en bipolar variant af dette tema og en nyere type med en ledende polymerelektrode. Når vi omtaler familien som "aluminiumskondensatorer" i stedet for "elektrolytiske aluminiumskondensatorer", er det et hat-tip til sidstnævnte enhedstype, som ikke indeholder en traditionel flydende elektrolyt.

Figur 4: Aluminiumskondensatorer i forskellige pakningsformer. L-R, overflademontering, gennemgående hul og chassismontering. (Ikke i målestok)

Konstruktion af enhed

Standardelektrolytkondensatorer af aluminium består af to ark aluminiumsfolie af høj renhed, der er sammenflettet og adskilt af et afstandsmateriale som f.eks. papir, der er mættet med en elektrolytopløsning. Disse folieark er normalt ætset på et mikroskopisk niveau, hvilket øger deres effektive overfladeareal med så meget som et par hundrede gange, hvad det ville være, hvis folien var glat. På et af foliearkene (i standard elektrolytiske aluminiumskondensatorer) dannes et lag af aluminiumoxid, der fungerer som kondensatorens dielektriske materiale ved at påføre folien en spænding gennem en iltbærende elektrolytopløsning. Det får ilt fra elektrolytten til at binde sig til aluminiumsfoliens overflade og danne et oxidlag med en tykkelse, der er proportional med den spænding, der påføres under dannelsesprocessen, og som bestemmes af den påtænkte arbejdsspænding for de kondensatorer, der skal produceres. Tykkelsen af dette oxidlag er typisk i størrelsesordenen 1 mikrometer, eller 0,00004 tommer. Det underliggende, ikke-oxiderede metal udgør en af elektroderne i den elektrolytiske aluminiumskondensator. Den anden elektrode er ikke det andet folieark, men snarere elektrolytopløsningen. I standard elektrolytkondensatorer af aluminium har det andet folieark ikke noget bevidst dannet oxidlag og bruges blot til at skabe elektrisk kontakt med elektrolytten, fordi det er lidt svært at lodde en væske til et printkort... I bi-polære kondensatorer dannes der et oxidlag på begge aluminiumsplader, hvilket resulterer i en enhed, der effektivt er to kondensatorer forbundet i omvendt serie. Fordi elektrolytten er en væske (undtagen i tilfælde af aluminiumpolymerkondensatorer, hvor det er et ledende polymermateriale), er den i stand til at tilpasse sig mikrostrukturen i det ætsede og oxiderede folieark, hvilket resulterer i et stort område mellem kondensatorens to elektroder. Da det dielektriske materiale (aluminiumoxid) er ret tyndt, er slutresultatet en kondensator med en høj værdi; ifølge den grundlæggende kondensatorligning stiger kapacitansen i forhold til elektrodearealet og omvendt i forhold til elektrodeafstanden/den dielektriske tykkelse. Ledningerne fastgøres til foliearkene, samlingen vikles, foldes eller formes på anden måde, så den passer i en beholder (normalt også lavet af aluminium), og samlingen forsegles ved hjælp af en gummiprop. Da fejltilstande kan resultere i en opbygning af internt tryk, indeholder de fleste aluminiumskondensatorer også bestemmelser om udluftning af et sådant tryk på en relativt sikker måde. En dedikeret mekanisme bruges normalt til dette formål i større enheder, mens mindre enheder opnår den beskyttende udluftningsfunktion gennem omhyggeligt design af gummitætningsproppen og/eller ridsning af beholderen, så den brister på en relativt kontrolleret måde, hvis der udvikles for stort indre tryk. Standard-, bipolære og polymertyper er inkluderet.

Udvalg af tilgængelige kapaciteter og spændinger

Figur 5: En illustration af udvalget af spændings-/kapacitansværdier for aluminiumskondensatorer, der i skrivende stund er tilgængelige via DigiKey.

Applikationens styrker og svagheder

Den primære styrke ved aluminiumskondensatorer er deres evne til at give en stor kapacitansværdi i en lille pakke, og gøre det til en relativt lav pris. Derudover har de tendens til at have gode selvhelbredende egenskaber; når der udvikles et lokalt svagt punkt i det dielektriske lag af aluminiumoxid, forårsager den øgede lækstrøm gennem det svage punkt i dielektrikummet en kemisk reaktion svarende til den, der blev brugt under den oprindelige dannelse af det dielektriske lag, hvilket resulterer i en fortykkelse af dielektrikummet ved det svage punkt og en deraf følgende reduktion i lækstrømmen. Manglerne ved aluminiumskondensatorer er hovedsageligt relateret til (a) den kemisk reaktive natur af de materialer, der bruges i deres konstruktion, (b) de ledende egenskaber af elektrolytopløsningerne og (c) flygtigheden af flydende elektrolytter. Den kemisk reaktive natur af de materialer, der bruges i aluminiumskondensatorer, er problematisk på to punkter: stabiliteten af det dielektriske lag og enhedens langsigtede mekaniske integritet. Da det dielektriske lag af aluminiumoxid i disse enheder dannes gennem en elektrokemisk proces, kan det også eroderes af en elektrokemisk proces ved blot at vende den anvendte spænding. Det er derfor, de fleste aluminiumskondensatorer er polariserede; påføring af spænding med den forkerte polaritet forårsager hurtig erosion og udtynding af dielektrikummet, hvilket resulterer i høj lækstrøm og overdreven intern opvarmning. Fra et mekanisk integritetssynspunkt er det en delikat sag at blande et meget reaktivt metal (aluminium) med en ætsende elektrolytopløsning; fejl i elektrolytsammensætningen kan resultere i for tidlig svigt, som det fremgår af "kondensatorpesten" i begyndelsen af 2000'erne. En anden mangel ved elektrolytiske aluminiumskondensatorer er, at de anvendte elektrolytter ikke er særligt effektive ledere, fordi ledning i elektrolytopløsninger opnås gennem ionisk snarere end elektronisk ledning; i stedet for at løse elektroner, der bevæger sig mellem atomer, fungerer som ladningsbærere, bevæger ioner (atomer eller små grupper af dem, der har en ladning på grund af et overskud eller underskud af elektroner) sig rundt i hele opløsningen. Da ioner er mere voluminøse end elektroner, bevæger de sig ikke så let, og derfor har ionisk ledning generelt en tendens til at have en højere modstand end elektronisk ledning. I hvor høj grad dette er tilfældet, påvirkes i høj grad af temperaturen; jo lavere temperaturen er, desto sværere er det for ioner i en elektrolytopløsning at bevæge sig rundt i opløsningen, hvilket betyder en højere modstand. Derfor har elektrolytiske kondensatorer en tendens til at have en relativt høj ESR, der udviser en stærk omvendt korrelation med temperaturen. Den tredje store ulempe ved aluminiumskondensatorer (med undtagelse af de faste polymertyper) er, at de flydende elektrolytopløsninger har en tendens til at fordampe over tid og til sidst gå tabt til atmosfæren ved diffusion gennem gummitætningsproppen, utætheder i sikkerhedsudluftningsstrukturer eller lignende fænomener.

Almindelige anvendelser og applikationer

Aluminiumskondensatorer bruges primært i jævnstrømsapplikationer, hvor der er brug for en billig kondensator med relativt stor værdi, og hvor vekselstrømsydelse og parameterstabilitet over tid ikke er særlig kritisk. Sådanne anvendelser omfatter bulkfiltrering af ensrettet AC-spænding i strømforsyninger og outputfiltrering i lavfrekvente switching-strømforsyninger osv. På grund af den tidskonstant, der dannes af deres relativt høje ESR i serie med deres store nominelle kapacitans, har aluminiumskondensatorer som klasse en tendens til hurtigt at miste deres tiltrækningskraft, når ripple-frekvenserne nærmer sig ca. 100 kHz. Enhedsoptimeringer varierer dog meget, og den nyttige frekvensgrænse for en given enhed kan være så lav som et par kHz til 1 MHz. Aluminiumelektrolytkondensatorer er generelt ikke egnede til applikationer, hvor høje tab og stor variation i enhedsparametre med miljø- og driftsforhold er uønsket, hvilket inkluderer de fleste analoge signalveje.

Almindelige fejlmekanismer/kritiske designovervejelser

Tab af elektrolytter

Den flydende elektrolyt, der findes i de fleste aluminiumskondensatorer, fordamper med tiden, hvilket fører til en stigning i ESR og en reduktion i kapacitansen. Det er en slidmekanisme, som typisk er den begrænsende faktor for levetiden af en elektrolytisk aluminiumskondensator. Uret starter straks ved fremstillingen af en enhed og stopper ikke, selvom anvendelses- og opbevaringsforhold påvirker den hastighed, hvormed viserne bevæger sig. Temperaturen er den vigtigste faktor i bestemmelsen af elektrolyttabet, og den er godt beskrevet af Arrhenius-ligningen, som forudsiger en ændring i proceshastigheden på cirka en faktor to for hver 10 °C temperaturændring. Sagt på en anden måde: Hvis man sænker temperaturen på en elektrolytisk kondensator med 10 °C, fordobler man omtrent dens forventede levetid, alt andet lige. Elektrolyttabet påvirkes også af det atmosfæriske tryk, hvor lavere tryk resulterer i hurtigere elektrolyttab. Ekstreme lavtryksmiljøer kan få enheder, der ikke er designet til sådanne miljøer, til at opleve brud på kabinettet eller åbning af sikkerhedsventilen, hvilket resulterer i svigt meget hurtigere end ved højere omgivende tryk. Når man estimerer kondensatorens levetid på baggrund af Arrhenius-forholdet og producentens angivne levetidsspecifikation, skal der tages højde for selvopvarmning på grund af ripple-strøm; kondensatorens indre temperatur er den interessante størrelse, ikke blot applikationens omgivelsestemperatur. Ved drift i stor højde eller ved lavt tryk skal man konsultere producentens specifikationer, da det vil være nødvendigt at reducere den angivne levetid ned til nul ved et omgivende tryk, hvor forskellen mellem elektrolyttens damptryk og det omgivende tryk vil få kondensatorens sikkerhedsventil til at åbne. Bemærk, at damptrykket generelt stiger med temperaturen, hvilket resulterer i en afvejning mellem driftstemperatur og maksimalt tilladt driftshøjde.

Defekt elektrolyt

Forkert elektrolytsammensætning kan forårsage hurtig korrosion af interne komponenter og/eller opbygning af gastryk i en aluminiumskondensator, hvilket resulterer i for tidligt svigt. Denne mekanisme er angiveligt ansvarlig for udbredte for tidlige svigt af elektrolytiske aluminiumskondensatorer i mange elektroniske forbrugerapparater i begyndelsen af 2000'erne. Bortset fra uafhængig testning og evaluering er den bedste måde at undgå dette problem på (som har vist sig at være ekstremt dyrt for mange virksomheder) kun at købe produkter fra velrenommerede producenter, enten direkte eller gennem en producentautoriseret distributør. At købe billige elektroniske komponenter fra tvivlsomme kilder er ligesom at købe lægemidler i plastikposer fra en fremmed på et gadehjørne i den dårlige del af byen klokken 2 om natten... Lad være med at gøre det.

Spændingsoverbelastning

Når spændingen i en elektrolytisk aluminiumkondensator overskrider de foreskrevne grænser, stiger lækstrømmen gennem det dielektriske lag af aluminiumoxid hurtigt, begyndende ved lokale "tynde" pletter i det dielektriske materiale. Denne stigning i lækstrøm resulterer i øget lokal opvarmning i enheden. Hvis lækstrømmen ikke er begrænset, kan den øgede lokale opvarmning forårsage yderligere skade på det dielektriske lag, hvilket resulterer i en kaskadefejl i det dielektriske materiale og ødelæggelse af kondensatoren.

Aktuel overbelastning

Elektrolytkondensatorer i aluminium har ofte en forholdsvis stor ESR-værdi, mest på grund af elektrolytopløsningens resistivitet. Vekselstrøm, der flyder gennem denne modstand, resulterer i ohmsk opvarmning, hvilket bidrager til elektrolyttab og øger risikoen for et dielektrisk sammenbrud. Det skal bemærkes, at den tilsyneladende kapacitans for en elektrolytisk aluminiumskondensator er frekvensafhængig. Derfor skal producentens ripple-strømspecifikation fortolkes i lyset af de ripple-frekvenser, der findes i applikationen. Maksimal ripple-strøm for elektrolytkondensatorer i aluminium angives ofte ved 120 Hz og 100 kHz, så man skal ikke kun være opmærksom på den angivne ripple-strømværdi, når man vælger enheden, men også på den testfrekvens, som tallet er angivet for.

Spændingsoverbelastning på grund af ældning

På grund af den elektrokemiske karakter af den dielektriske dannelsesproces resulterer opbevaring ved nul spænding i længere perioder i nedbrydning af det dielektriske lag af aluminiumoxid. Når dielektrikummet svækkes, kan der opstå overspændingstilstande, selv om den anvendte spænding ligger inden for enhedens nominelle grænser. I milde tilfælde kan de eneste symptomer være en øget lækstrøm og forhøjede enhedstemperaturer i et stykke tid, indtil enheden heler af sig selv. I alvorlige tilfælde, hvor maksimal nominel spænding påføres gennem en lav kildeimpedans over et dårligt nedbrudt dielektrikum, kan en enhed kortslutte og briste på spektakulær vis. Selvom der er sket og fortsat sker en udvikling af elektrolytformuleringer for at løse problemet, varierer opbevaringsstabiliteten betydeligt mellem forskellige produkter, og nogle oplever målbar nedbrydning efter kun 1 til 3 års opbevaring i afladet tilstand. Ved design af applikationer, der kan være inaktive i længere tid, anbefales moderat spændingsaflastning af enheder for at give en forbedret sikkerhedsmargin mod denne effekt. Det anbefales også at bruge produkter, der er specielt designet til at være robuste over for nedbrydning under opbevaring. I reparations- og idriftsættelsessituationer er den generelt foreskrevne behandling af atrofierede elektrolytiske aluminiumskondensatorer at tilføre systemspændingen gradvist over en periode på 4-8 timer. Før du gør det, skal du kontrollere, at udstyret ikke vil blive beskadiget af en længere periode med drift ved forsyningsspændinger under specifikationerne.

Enhedens funktioner, muligheder og målrettede applikationer

Audio

Aluminiumelektrolytkondensatorer, der markedsføres til audioapplikationer, er almindeligvis lav-ESR-typer, og designkompromiser i deres konstruktion kan være skævvredet til fordel for elektrisk ydeevne og parameterstabilitet på bekostning af ting som størrelse og pris. Det skal dog bemærkes, at audiobranchen er gennemsyret af subjektivisme og markedsføring, der er designet til at skille skidt fra kanel, og at denne effekt gennemsyrer helt ned på komponentniveau. Hvis kondensator A har en pænere etiket og koster ti gange mere end kondensator B, så er kondensator A selvfølgelig bedre, ikke? Ikke nødvendigvis. Tjek specifikationerne, find ud af, hvilke der er vigtige for den pågældende applikation, og vælg den enhed, der bedst opfylder applikationens krav. Medmindre du bygger noget, der skal sælges til den slags mennesker, der er villige til at bruge hundreder eller tusinder af dollars på "retningsbestemte" højttalerkabler. I så fald skal du vælge det, der giver dig mest bling for pengene...

Automotive

Enheder til bilindustrien er typisk designet til lang levetid og drift over et udvidet temperaturområde, der strækker sig op til mindst 105 °C. De fleste er kvalificeret til AEC-standarder (Automotive Electronics Council).

Bi-polær

Bipolære elektrolytiske kondensatorer er designet til at fungere uden skader, når de udsættes for spændinger, der skifter polaritet, ved at danne en oxidfilm på begge de folieark, der bruges i en standard elektrolytisk kondensator af aluminium, i stedet for kun det ene. På grund af den høje ESR for sådanne enheder anses de generelt for at være uegnede til drift med en kontinuerligt tilført vekselspænding, og af denne grund omtales de lejlighedsvis som "ikke-polære DC-kondensatorer" for at understrege pointen. Deres anvendelse er typisk begrænset til DC-applikationer, hvor den polaritet, der skal anvendes, er usikker, lejlighedsvis kan vende på en forbigående basis, eller hvor strømflowet gennem enheden kan begrænses til værdier, der ikke resulterer i overdreven selvopvarmning.

Universal

"Generelle formål" er en fællesbetegnelse for enheder, der ikke udtrykkeligt er designet til en bestemt anvendelseskategori, og som ikke har nogen væsentlige kendetegn i deres konstruktion.

Reflow ved høj temperatur

Enheder, der betegnes som "high temperature reflow"-typer, er designet og kvalificeret til brug i applikationer, hvor der opstår højere procestemperaturer under fremstillingen, som det ofte er tilfældet ved blyfri/RoHS-kompatibel reflow-lodning.

Motoren kører

Aluminiumelektrolytkondensatorer med denne betegnelse er designet til kontinuerlig drift og applikationer med høj krusning, såsom motordrev med variabel hastighed og inverterapplikationer.

Start af motor

Elektrolytiske aluminiumskondensatorer med denne betegnelse er generelt designet til brug i AC-motorstartapplikationer. De er typisk bipolære, beregnet til flere hundrede volt og har værdier på mellem et par tiere og et par tusinde uF.

Polymer

Denne betegnelse er forbundet med elektrolytkondensatorer i aluminium, som bruger en fast ledende polymer som elektrolytmateriale i stedet for en flydende elektrolyt. De udviser typisk bedre stabilitet, lavere ESR og bedre levetid ved forhøjede temperaturer end sammenlignelige enheder med flydende elektrolyt, men tilgængeligheden er begrænset til relativt lave kapacitans- og spændingsværdier, og prisen på enheder til en given kapacitans- og spændingsværdi er betydeligt højere end for en lignende type flydende elektrolyt.

Etui i rustfrit stål

Enheder med denne betegnelse er designet med robuste kabinetter i rustfrit stål, der er i stand til at modstå større trykforskelle end normalt mellem kondensatorens inderside og yderside. Dette muliggør drift ved lavere atmosfæriske tryk end de fleste andre enheder og giver en længere forventet levetid på grund af evnen til at afbøde elektrolyttab. Typisk er disse apparater også ret dyre.

Hvad er keramiske kondensatorer?

Keramiske kondensatorer er elektrostatiske enheder, der er kendetegnet ved deres brug af forskellige keramiske dielektriske materialer, som almindeligvis er baseret på bariumtitanat (_BaTiO3). De er ikke-polariserede med egenskaber, der dækker meget af kvantitets- og kvalitetsspektret, måske med en lille overvægt til kvalitet. Der findes mange variationer i konstruktion og dielektriske egenskaber for at imødekomme forskellige anvendelsesbehov, og denne brede anvendelighed sammen med relativt lave omkostninger gør keramiske kondensatorer til den mest populære kondensatortype, der bruges i dag, målt på antallet af solgte enheder.

Konstruktion af enhed

Figur 6: Venstre: Multilayer Ceramic Chip Capacitor (MLCC); højre: Disk-kondensator med gennemgående hul.

Tidlige enheder var konstrueret som et enkelt lag af keramisk dielektrisk materiale (normalt cirkulært i form) mellem to metalelektroder. Ledningerne blev fastgjort til metalelektroderne, og samlingen blev indkapslet i et isolerende materiale, typisk keramik eller epoxy. Selvom denne konstruktionstype stadig findes i enheder, der er beregnet til vekselstrøms- eller højspændingsapplikationer, er kun få, hvis overhovedet nogen, enheder baseret på denne konstruktionsmetode egnet til overflademontering, hvilket begrænser deres appel til mange applikationer. Langt mere almindelige i dag er flerlags keramiske chipkondensatorer (MLCC'er), som bruger skiftevis tynde lag af elektrode og dielektriske materialer for at opnå et stort elektrodeoverfladeareal i en lille samlet pakkevolumen. Sådanne enheder konstrueres ved at ekstrudere tynde plader af ubrændt keramisk "ler", hvorpå et elektrodemateriale i finfordelt form deponeres gennem en proces, der ligner serigrafi. Et antal af disse "ark" stables og presses sammen for at skabe det ønskede antal elektrodelag, skæres i individuelle kondensatorer og brændes i en højtemperaturovn for at hærde det keramiske dielektriske materiale og smelte partiklerne i elektrodemetallet. Derefter sættes termineringerne på, og de enheder, der består den endelige inspektion, pakkes til forsendelse.

Figur 7: Forenklet MLCC-produktionsproces. (Kilde: WikiMedia Commons)

Udvalg af tilgængelige kapaciteter og spændinger:

Figur 8: En illustration af udvalget af kombinationer af keramiske kondensatorers spænding/kapacitans, som i skrivende stund fås hos DigiKey.

Applikationens styrker og svagheder

Keramiske kondensatorer (især MLCC'er) har vundet stor udbredelse på grund af deres alsidighed, økonomi, holdbarhed og generelt gode elektriske egenskaber. Hvor deres anvendelsesområder overlapper hinanden, har keramiske kondensatorer generelt gunstige egenskaber i forhold til andre typer (aluminium, tantal osv.), der bruges til bulk-strømbehandling, og noget ringere egenskaber i forhold til tyndfilm eller andre typer, der bruges, hvor der kræves det yderste inden for stabilitet og præcision. Keramiske kondensatorers alsidighed afspejles i udvalget af tilgængelige værdier, som spænder over 9 størrelsesordener i kapacitans og 4 i spænding, som vist i figur 8; ikke mange teknologier skalerer over en sådan bredde. For det meste er de råmaterialer, der bruges til fremstilling af keramiske kondensatorer, ikke særligt dyre og udnyttes effektivt, og selvom der kræves en høj grad af præcision og proceskontrol, er de grundlæggende fremstillingsprocesser ikke voldsomt komplekse. Tilsammen gør disse egenskaber, at MLCC'er kan produceres i milliardvis hvert år, ofte til enhedsomkostninger under en krone. Fra et anvendelsesperspektiv er de velegnede til langvarige anvendelser; da de i bund og grund er en lagkage af holdbare materialer (metaller og keramik), har de ingen stærke slidmekanismer, ingen akut sårbarhed over for temperatur, tryk eller spændingsvending, og heller ingen risiko for lækage, forbrænding eller toksicitet, som man ofte støder på med elektrolytiske enheder. Da de ikke er afhængige af elektrolytopløsninger med relativt høj modstand for at fungere som elektrolytiske enheder, har ESR for keramiske kondensatorer tendens til at være ret lav, og deres interne geometrier (og korte ledningslængder, i tilfælde af MLCC'er) gør printlayoutet til den dominerende bidragyder til ESL i mange tilfælde. Svaghederne ved keramiske kondensatorer omfatter mekanisk sårbarhed, manglende selvhelende egenskaber, omkostninger ved høje kapacitansværdier og varierende grader af parameterafhængighed af miljømæssige og elektriske driftsforhold, afhængigt af den specifikke formulering af det keramiske dielektriske materiale. Som de fleste keramiske genstande er keramiske kondensatorer ret skrøbelige og ufleksible. Derfor er de sårbare over for skader som følge af mekanisk belastning eller termisk chok, og der er behov for omhyggelig afhjælpning af sådanne faktorer under montering og service i slutproduktet. Ulempen ved keramiske kondensatorers relativt inerte "stål og sten"-konstruktion er, at der ikke findes nogen selvhelbredende mekanisme; spændinger, der resulterer i dielektrisk nedbrydning, har tendens til at resultere i uoprettelige skader på enheden, og væsentlige sikkerhedsfaktorer skal derfor indbygges som ekstra dielektrisk tykkelse, da svage punkter i dielektrikummet ikke let kan "brændes ud" under produktionen. Dette bidrager til keramiske kondensatorers relativt høje pris pr. farad (sammenlignet med elektrolytiske typer) og sammen med den stigende risiko for mekaniske skader, efterhånden som enhedens størrelse øges, resulterer det i faldende interesse/tilgængelighed af keramiske kondensatorer i værdier over nogle få 10'ere mikrofarad. Endelig er mange keramiske dielektriske formuleringer ikke parametrisk stabile eller lineære i forhold til temperatur og dielektrisk stress i et omfang, der generelt er proportionalt med deres dielektriske konstanter. Derfor er keramiske kondensatorer af høj værdi ofte uegnede til præcisionsanvendelser.

Vigtige designovervejelser

Temperaturegenskaber og dielektriske klassifikationer

Talrige keramiske dielektriske materialer er i almindelig brug og varierer meget i deres volumetriske effektivitet, temperaturafhængighed, tabskarakteristika og andre ikke-ideelle opførsler. Forskellige enheder er kategoriseret efter deres temperaturkarakteristika, med forskellige afgrænsninger og identifikationssystemer, der er etableret gennem årene af EIA (Electronics Industry Association) og IEC (International Electrotechnical Commission), såvel som det amerikanske militær og andre standardiseringsorganer. Den røde tråd mellem disse systemer er en skelnen mellem kvalitet og kvantitet af kapacitans; typer med lavt tab/høj stabilitet/temperaturlineær, der bruges til præcisionsanalog- og resonanskredsløbsapplikationer, behandles forskelligt fra typer, der giver en høj kapacitans pr. volumen på bekostning af dårligere stabilitet og linearitet. IEC-standarden betegner dielektrika, der er designet til kvalitet og kvantitet af kapacitans, som henholdsvis klasse 1 og klasse 2. Ligesom IEC-standarden betegner EIA-standarden kvalitetsfokuseret dielektrikum som klasse I (romertal, bruges ikke altid), selvom den opdeler IEC klasse 2-enheder i EIA-klasserne II og III. EIA klasse II-enheder er dem, der bevarer en vis værdighed med hensyn til parameterstabilitet over temperatur (+/- 15% eller bedre over et angivet område, normalt -50°C til 85°C eller højere), mens EIA klasse III-dielektrikum opgiver enhver prætention om temperaturstabilitet i jagten på volumetrisk effektivitet og har større parametervariationer over smallere temperaturområder; +22%/-56% over +10° til +85°C eller +22%/-82% over -30°C til +85°C er almindelige klasse III-grænser. Figur 9 illustrerer fænomenet grafisk ved at vise en producents karakteriseringer af dielektrika med flere forskellige temperaturkarakteristika.

Figur 9: Typisk kapacitansvariation som en funktion af temperaturen for keramiske kondensatorer med flere forskellige dielektriske klassifikationer. (Kildedata: AVX Surface Mount Ceramic Capacitor Products Catalog, v13.10)

Forskellige dielektriske formuleringer er tilgængelige i hver generel dielektrisk klasse, kategoriseret efter temperaturkoefficient for kapacitans i tilfælde af klasse 1 dielektrika, og begrænsninger på ændring i kapacitans over et specificeret temperaturområde for de andre enhedsklasser. "Hemmelige dekoderringe" for et par klassifikationsskemaer er vist i tabellerne i figur 9A. MLCC'er med IEC klasse 1 (EIA klasse I) dielektrikum er designet med kontrollerede, specificerede temperaturkoefficienter for kapacitans; kapacitansen for disse enheder er en lineær funktion af temperaturen. Den dielektriske klassificering for EIA klasse I-enheder angiver både hældningen på denne linje og tolerancen for denne hældning. I modsætning hertil angiver den dielektriske klassifikation for klasse II- og III-keramik ydre grænser for to størrelser: 1) ændringer i kapacitans som en funktion af temperaturen, som en procentdel i forhold til værdien ved en standardtemperatur (normalt 25°C) og 2) det temperaturområde, hvor grænserne gælder. Der er intet underforstået om hældningen af temperaturkarakteristikken inden for disse grænser; de fleste er ikke engang monotone, endsige lineære.

Figur 9A: Tabeller, der viser de adfærdsmæssige grænser, der er angivet med forskellige betegnelser i EIA's og det amerikanske militærs klassifikationssystemer.

Der skal gøres to vigtige observationer vedrørende klassifikationer af IEC klasse 2 (EIA klasse II/III) dielektrikum:

1. De angiver kun kapacitansændringer som en funktion af temperaturen. Andre påvirkninger er IKKE inkluderet i ∆C-tallene, og disse påvirkninger kan være VÆSENTLIGE. (Se afsnittet om spændingskoefficient for kapacitans)
2. De er IKKE absolutte forskrifter for en dielektrisk formulering, kun et middel til at gruppere enheder på basis af temperaturadfærd alene. Forskellige varenumre (især dem med forskellige pakningsstørrelser) kan opføre sig forskelligt i en given applikation, selv om de har samme værdi, tolerance, spændingsvurdering og dielektriske klassificering.

Specifikationer for tolerance

Sondringen mellem produktionstolerance og temperaturspecifikationer for keramiske kondensatorer er let at misforstå, sandsynligvis på grund af den hyppige lighed mellem tallene, den almindelige praksis med at udtrykke begge som en procentdel og ufuldkommen sproglig disciplin. Korrekt sagt angiver "tolerance"-specifikationen på en keramisk kondensator tilladte variationer i enhedens værdi under standardtestbetingelser som en konsekvens af produktionsvariabilitet. Den angives typisk som en procentdel af den nominelle værdi og henviser til variationer mellem forskellige enheder med samme varenummer under standardiserede testbetingelser i forhold til den nominelle værdi. Sagt på en anden måde er det et mål for ensartetheden af de dele, der kommer ud af produktionslinjen. I modsætning hertil angiver "temperaturkarakteristikken" for en keramisk kondensator, i hvor høj grad kapacitansen for en given enhed kan forventes at variere med temperaturen inden for enhedens angivne driftstemperaturområde. Udtrykket "temperaturkoefficient" er bedst reserveret til enheder, der bruger klasse I-dielektrika, som har en mere eller mindre lineær temperaturafhængighed, mens udtrykket "temperaturkarakteristik" er mere passende for kondensatorer, der bruger EIA klasse II og III-dielektrika, som udviser deciderede ikke-lineære skift i kapacitans med temperaturen.

Figur 10: Tolerance i forhold til temperatur for en Vishay BC Components D471K20Y5PH6UJ5R keramisk kondensator.

For eksempel er P/N BC5214CT-ND en keramisk skivekondensator med en nominel kapacitet på 470 pF, +/-10% tolerance og en Y5V temperaturkarakteristik. Målt under de specificerede testbetingelser bør enheder med dette P/N udvise en kapacitans mellem 423 pF og 517 pF; dette er enhedens tolerance og angiver, at et punkt på den røde linje i grafen til venstre i figur 10 bør beskrive en enhed med dette varenummer. Y5V-temperaturkarakteristikken indikerer dog, at enhedens kapacitans kan variere med yderligere +22 %/-82 %, når den måles ved temperaturer mellem -30 °C og +85 °C, i forhold til dens værdi under standardtestbetingelserne. Med andre ord kan en enhed opfylde specifikationen, så længe plottet af dens kapacitans i forhold til temperatur (målt med det specificerede testsignal, med specificeret temperaturhistorik osv.) forbliver inden for den blå boks lodret og passerer gennem den røde linje; uden for boksens vandrette (temperatur) grænser er alt tilladt. Når temperaturkarakteristikken tages i betragtning, finder vi, at denne (nominelt) 470 pF kondensator kan udvise en kapacitans overalt mellem 76 og 630 pF (undtagen ved 25°C) og alligevel forblive helt inden for specifikationen. Med tilføjelsen af aldrings- og spændingseffekter som variabler kan den faktiske observerede kapacitans variere over et endnu bredere område uden at overtræde enhedens specificerede grænser. Sondringen mellem "tolerance" og "temperaturkarakteristik" er tydeligvis ret vigtig her; en designer, der fejlagtigt tror, at enheden vil udvise en værdi inden for 10% af den nominelle, vil sandsynligvis blive skuffet, hvis applikationen nogensinde afviger meget fra stuetemperatur. Sammenlign P/N 490-3271-2-ND og 490-5920-2-ND; begge 0,1 uF, 25 V kondensatorer i en EIA 0402-pakke. Førstnævnte bruger et dielektrikum i klasse III med en Y5V-karakteristik, har en tolerance på -20%~+80% og en listepris pr. enhed på 0,00399 USD i antal i skrivende stund. Sidstnævnte bruger et dielektrikum i klasse II med en X5R-karakteristik, har en tolerance på +/-10% og sælges for 0,00483 USD. De tolerancebånd og vinduer, der fremkommer, når man tager højde for temperaturkarakteristika, er plottet sammen i diagrammet til højre i figur 10. Som i det foregående diagram er enheder, der kommer ud af samlebåndet, i overensstemmelse med specifikationerne, hvis deres faktiske kapacitans som en funktion af temperaturen holder sig inden for deres respektive boks og passerer gennem den lodrette linje ved 25 °C. X5R-enheden (klasse II) holder sig mere end tre gange tættere på den nominelle værdi end Y5V-enheden (klasse III) og gør det over et bredere temperaturområde, mens forholdet mellem enhedens maksimums- og minimumsværdier på grund af de kombinerede effekter af produktionsvariabilitet og temperatur er næsten ti gange mindre for klasse II-enheden. Mindre end 1/10 af en cent kan købe en reduktion i de krævede designmargener, forbedret produktionsudbytte, reducerede testkrav, forbedret produktlevetid osv. Sådanne fordele ville være hver en øre værd, men de koster ikke så meget.

Spændingskoefficient for kapacitans

Keramiske kondensatorer udviser ændringer i kapacitans med variationer i DC-forspændingsniveauet. Sagt på en anden måde: Hvis man måler kapacitansen af en enhed med en 1_VP-P-bølge med et gennemsnit på 0 V, vil det give en anden (typisk større) værdi, end hvis den samme enhed testes med en 1 V sinusbølge med en DC-offset på 10 V. Effekten skyldes spændinger i dielektrikummets krystalstruktur som følge af en påført spændingsgradient og skalerer derfor med dielektrikummets tykkelse/enhedens spænding; alt andet lige (hvilket det sjældent er ...) vil en enhed, der er klassificeret til 100 _VDC, kræve en DC-forspænding, der er fire gange større end en enhed, der er klassificeret til 25 _VDC, for at udvise den samme proportionale ændring i kapacitans. Det er ikke overraskende, at effekten også påvirkes af den dielektriske formulering. EIA klasse I dielektrika udviser relativt små spændingskoefficienter, hvor den observerede kapacitans typisk ændrer sig med højst et par procent (ofte mindre), når DC-forspændingen varieres mellem 0 og 100% af en enheds nominelle spænding. EIA klasse II dielektrikum er markant mere påvirket af DC bias, hvor kapacitansændringer i størrelsesordenen 20-60% er normalt. Sådanne variationer er bestemt ikke noget at kimse af, men de er markant mindre alvorlige end dem, der udvises af EIA klasse III dielektrikum, som almindeligvis udviser kapacitansvariationer så store som 80-90% eller mere over deres nominelle spænding. Nej, det er ikke en skrivefejl; den effektive kapacitans af en keramisk kapsel, der bruger et EIA klasse III dielektrisk materiale, kan ændre sig med en størrelsesorden blot som følge af DC bias. Effekten kan også være ugunstigt ikke-lineær; nogle enheder kan udvise reduktioner i kapacitans på 75%, når de kun er forspændt til 20% af deres nominelle DC-spænding. For at gøre ondt værre er effekten kumulativ (men ikke lineært additiv) med temperatureffekter. -100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Kapacitansændring (%) DC Bias (V) DC Bias Characteristics 0402 (CGB2A1X5R1C105K033BC) 0603(C1608X5R1C105K080AA) 0805(C2012X5R1C105K085AA).

Figur 11: Indflydelsen af pakkestørrelsen på DC-bias-effekten. Kilde: Data fra onlineværktøjet TDK Components Characteristic Viewer.

Hvad der måske er mere overraskende (og lumsk), er forholdet mellem størrelsen af DC-bias-effekten og enhedens pakkestørrelse. At proppe stadig større kapacitanser ind i stadig mindre pakker medfører kompromiser på et tidspunkt, som illustreret i figur 11, der viser kapacitansændring som en funktion af DC-bias for tre forskellige 1 uF/16 V/X5R-kondensatorer fra samme producents produktserie; den største forskel mellem dem er simpelthen pakkestørrelsen. Omkostningerne ved den mindre emballage er tydelige; enheden i en EIA0805-pakke (grøn) udviser et tab af kapacitans på få procent med en 5 V bias, mens den mere aggressive 0402-pakkede enhed (blå) taber næsten 70 % under de samme forhold, og enheden i 0603-emballage (rød) ligger et sted midt imellem. I betragtning af at mange anvendelser involverer både en DC-bias og en interesse i at opretholde en vis minimumskapacitans (f.eks. outputfiltre til spændingsregulatorer med lavt dropout), er det indlysende, at uvidenhed her kan medføre en ubehagelig straf. Desværre er beskrivelser af disse spændingsafhængige effekter ikke en de-facto del af enhedens datablade, hvilket gør det nemt at overse eller forblive uvidende om deres eksistens og komplicerer bestræbelserne på at sammenligne forskellige produkter. Men vær sikker på, at de findes, og hav det i baghovedet, når du vælger enhed.

Knækker

På grund af de keramiske materialers skøre og relativt ufleksible natur er mekaniske skader den primære årsag til fejl i keramiske kondensatorer. Elektriske symptomer på fejl kan vise sig som en reduktion i kapacitans samt korte eller åbne kredsløb. I nogle tilfælde kan det se ud, som om disse symptomer kommer og går med ydre påvirkninger som f.eks. temperatur. Nogle gange er revner i keramiske kondensatorer synlige med det blotte øje, andre gange er de for små til at se, eller de gemmer sig på undersiden af en monteret enhed eller ved kanten af en terminal. Mekanisk beskadigelse sker typisk gennem en af flere mekanismer:

• Bøjning af printpladen under montering eller som følge af kræfter ved sammenkobling af stik, hårdhændet behandling osv.
• Termisk inducerede spændinger fra driftstemperaturcyklusser eller monteringsoperationer.
• Direkte skader på grund af forkert håndtering før eller under montering.

MLCC-typer (multilayer ceramic chip) er langt de hyppigste ofre for revner på grund af den tætte mekaniske kobling mellem det keramiske materiale, terminalerne og PCB'et. De relativt lange og fleksible terminaler på gennemgående huller eller lead frame-monterede enheder reducerer de kræfter, der påføres det keramiske kondensatorhus som følge af temperaturcykling eller board-fleksion, hvilket gør revner til et meget mindre problem med disse enheder. Til anvendelser under barske forhold fås MLCC'er, der er designet med forbedret mekanisk fleksibilitet mellem terminalerne og den keramiske enhedskrop, samt enheder, der er designet til at mindske risikoen for kortslutningsfejl. Mange af kilderne til revner i kondensatorer er monteringsrelaterede og uden for designerens direkte kontrol; det er f.eks. montørens ansvar at undgå knusning og smadring af komponenter under pick & place-operationer samt at sørge for passende forvarmnings- og nedkølingsperioder for de anvendte monteringsprocesser. Andre faktorer, som f.eks. mængden af loddepasta/stencil-tykkelse, er noget af et fælles ansvar, mens faktorer som pad-størrelser, printkortlayout og valg af indpakning helt og holdent ligger hos designeren. Detaljerede diskussioner af MLCC-krakningsfænomener og hvordan man undgår dem, er tilgængelige i branchelitteraturen og vil ikke blive gentaget her for korthedens skyld. En række tommelfingerregler for designeren, som er udledt af denne hårdt tilkæmpede viden, er dog følgende:

• Vælg en erfaren, kvalitetsbevidst montageentreprenør.
• Undgå termiske chok; bølgelodning og traditionelle loddekolber er særligt risikable metoder til samling og omarbejdning af MLCC'er.
• Reducer komponentstørrelsen; større enheder oplever større belastninger som følge af bøjning af printkortet og er mere sårbare over for skader som følge af termisk chok. Enheder i 0805 (2012 metric) eller mindre emballage anbefales.
• Vær yderst forsigtig, når du isolerer panelplader efter montering, for at undgå, at pladen bøjer. Manuel brydning af arrays langs scorelinjer er den mindst foretrukne metode, med sakse ikke langt efter. Brug om muligt en sav eller en anden adskillelsesmetode, der ikke påfører printkortet bøjningsspændinger.
• Hold MLCC'er væk fra printkortets kanter, stik, monteringshuller, store/tunge komponenter, paneliseringsflige eller andre steder, hvor der kan opstå mekaniske belastninger på printkortet. En minimumsafstand på 0,2" eller 5 mm anbefales.

Aldring

Keramiske kondensatorer er udsat for et aldringsfænomen, der er relateret til ændringer i den dielektriske krystalstruktur, som manifesterer sig som ændringer i kapacitans og dissipationsfaktor efter den første brænding af det dielektriske materiale. I overensstemmelse med etablerede mønstre er de dielektriske materialer i EIA-klasse I de mindst påvirkede og anses i vid udstrækning for ikke at ældes, mens de dielektriske materialer i EIA-klasse II er moderat påvirkede, og materialerne i EIA-klasse III har tendens til at blive påvirket ret alvorligt. Denne ældningsproces kan nulstilles (eller en enhed "de-aldres") ved at udsætte den for en temperatur over dielektrikummets curie-temperatur i en periode, der er lang nok til, at krystalstrukturen kan gendannes; jo højere temperatur, jo kortere tid kræves der. Da curietemperaturen for mange keramiske dielektrika er lavere end den, man støder på i mange loddeprocesser, er det sandsynligt, at enhederne i det mindste bliver delvist de-aged under samlingen. Denne ældningsadfærd for en enhed kommunikeres typisk som en procentvis ændring i kapacitans pr. dekadetime i forhold til dens kapacitans målt ved "sidste varme"; sidste gang enheden blev opvarmet over curie-temperaturen længe nok til at reformere sin krystalstruktur fuldstændigt. Sagt på en anden måde vil en kondensator med en ældningshastighed på (-) 5%, der måler 100 uF i "ovnfrisk" tilstand, forventes at måle ca. 95, 90 og 85 uF efter at have været ude af ovnen i henholdsvis 1, 10 og 100 timer. Det giver naturligvis anledning til spørgsmål om, hvad enhedens nominelle kapacitans skal være, hvis denne størrelse hele tiden ændrer sig, selv når en enhed står ubrugt på en hylde i sin originale emballage. Industristandarderne EIA-521 og IEC-384-9 behandler dette spørgsmål og siger, at en enhed skal opfylde sine specificerede toleranceværdier 1000 timer (ca. 42 dage) efter sidste opvarmning. De næste ti timers mærker (10K og 100K timer) svarer til henholdsvis lidt over 1 år og 11 år. Det komplicerer tingene, at ældningsprocessen forløber med en temperaturafhængig hastighed; op til dielektrikummets curie-temperatur accelererer stigninger i enhedens temperatur generelt ældningsprocessen. Da aldringsfænomener kan få enheder til at se ud til at være uden for deres angivne tolerancer, er det vigtigt for produktdesign- og produktionstestpersonale at være opmærksomme på det faktum; test af enheder, der for nylig er blevet genflowet, skal forvente, at kapacitansværdierne er lidt høje, og designet skal have tilstrækkelig margin til at fungere korrekt, når enhederne ældes. Effektkonverteringskredsløb er et godt eksempel på, hvor denne effekt kan udgøre en akut fare, da keramiske kondensatorer ofte ender med at have stor indflydelse på kontrolsløjfen i sådanne kredsløb, enten som kompensationsnetværkskomponenter eller som filterelementer. Et system, der ser stabilt ud under indflydelse af en kondensator, der er blevet ældet under monteringen, kan vise sig at blive mindre stabilt med tiden, da tab af kapacitans på grund af ældning påvirker dynamikken i reguleringssløjfen. Vigtigst af alt er, at hvis en stabil kapacitansværdi over tid er vigtig, bør man undgå kondensatorer, der ældes betydeligt. Hvis Sisyfos var en figur fra det 21. århundrede, ville hans opgave måske have været at tune et aktivt filter bygget med overflademonterede Y5V keramiske chipkondensatorer...

Piezo-effekt/mikrofoni

De keramiske dielektrika i IEC klasse 2 (EIA klasse II og III) er især piezoelektriske af natur, hvilket resulterer i en ikke ubetydelig transduktionsmekanisme mellem elektriske og mekaniske domæner. Hvis man lægger en spænding over et piezoelektrisk materiale, opstår der en mekanisk deformation, og hvis man omvendt deformerer et piezoelektrisk materiale mekanisk, opstår der en spænding over det. Det kan især være problematisk med overflademonterede MLCC'er på grund af den tætte mekaniske kobling mellem kondensatoren og PCB'et. På den ene side kan krusningsspændinger over en kondensator omsættes til generende hørbar støj; på den anden side kan eksterne mekaniske vibrationer kobles som signaler ind i et elektronisk kredsløb. Keramiske kondensatorer baseret på klasse 1 dielektrikum påvirkes mindst, da disse dielektrikum udviser lille eller ingen piezoelektrisk effekt. Den elektrisk-mekaniske transduktionsmekanisme via den elektrostatiske effekt (iboende i alle kondensatorer) eksisterer dog stadig, så selvom den generelt er ubetydelig for klasse I-enheder, er mikrofoniske effekter ikke desto mindre stadig til stede.

Elektrodemetallurgi

Elektrodematerialerne i MLCC'er følger en af to generelle metallurgiske veje, som kaldes ædelmetalelektroder (NME) eller basismetalelektroder (BME). Selvom det ikke er et almindeligt udvælgelseskriterium for de fleste applikationer, resulterer de to teknologier i forskellige egenskaber, som er værd at bemærke. Ædelmetalelektroder er typisk baseret på en palladium-sølv-legering og kan også kaldes ædelmetalelektroder (PME), da ædelmetaller (dem, der er relativt ikke-reaktive, især med ilt) også har tendens til at være dyre. Da disse elektrodematerialer bruges på grund af deres lave reaktivitet, og ikke fordi de er dyre, kan man argumentere for, at den første betegnelse er den rigtige, selvom fornuft og markedsføring synes at være uenige på det punkt... Basismetalelektroder er almindeligvis nikkelbaserede. Det væsentlige problem fra et produktionssynspunkt er, hvordan elektrodemetallerne reagerer kemisk ved de høje temperaturer, der kræves for at brænde de keramiske dielektriske materialer. Ædelmetalelektrodesystemerne kan tolerere tilstedeværelsen af mere ilt ved forhøjede temperaturer og kan derfor fremstilles ved hjælp af luft-atmosfære-ovne og dielektriske formuleringer, der kræver ilt for at hærde ordentligt. Elektrodesystemer af uædle metaller har ikke samme tolerance over for ilt ved høje temperaturer og skal derfor fremstilles med andet udstyr og andre dielektriske formuleringer. NME-metoden var den oprindelige vej, og den har nogle fordele i form af pålidelighed og akkumuleret brancheerfaring. Derfor er mange af de højpålidelige og mil-spec-produkter, der er tilgængelige i skrivende stund, produceret ved hjælp af denne proces. De primære ulemper er høje omkostninger til elektrodematerialer og lavere opnåelig kapacitans pr. volumen i forhold til BME-enheder på grund af den typiske brug af tykkere dielektriske lag i NME-enheder som en konsekvens af karakteristiske materiale- og procesforskelle.

Enhedens funktioner, muligheder og målrettede applikationer

Automotive

Kondensatorer, der markedsføres som "automotive"-typer, er designet til anvendelse i mekanisk krævende miljøer som f.eks. biler. Typisk er de også produceret og testet i overensstemmelse med en protokol som AEC-Q200-standarden, der er etableret af Automotive Electronics Council, og som foreskriver testmetoder og præstationsniveauer for forskellige stressmekanismer som ESD, mekanisk kraft på klemmerne, overspænding osv.

Kontrolleret ESR

Kondensatorer, der betegnes som "kontrollerede ESR"-typer, er designet med en lille mængde bevidst tilføjet ESR for at reducere "Q"-faktoren i det L-C-kredsløb, der skabes af en kapacitans med dens parasitære induktanser. Dette er nyttigt til applikationer som f.eks. afkobling af forsyningsskinner, hvor tilstedeværelsen af beskedne mængder ESR kan dæmpe "ringningen" fra en kondensator med sporinduktans eller hjælpe med at undgå antiresonansforhold mellem parallelle kondensatorer.

Kan monteres med epoxy

Enheder, der betegnes som epoxymonterbare, er designet til at blive monteret ved hjælp af ledende klæbemidler i stedet for de sædvanlige loddeprocesser. Forskellen ligger primært i de materialer, der bruges til finishbelægningen af terminalerne, som er forskellige for at resultere i god binding til den monteringsmetode, der skal bruges; standard loddeprocesser fungerer ikke godt med enheder, der kan monteres med epoxy, og omvendt. Epoxymontering er fordelagtig i applikationer, der udsættes for store, hyppige temperatursvingninger (f.eks. i bilindustrien), hvor en epoxysamlings øgede mekaniske fleksibilitet i forhold til en loddesamling reducerer mekaniske spændinger, der opstår som følge af forskellige termiske udvidelseskoefficienter mellem et printkort, loddesamling og kondensatorhus. Epoxymontering er også nyttig til applikationer, der er varmefølsomme, som f.eks. LCD-paneler.

Flydende elektrode

Enheder, der betegnes som "floating electrode"-typer, består i virkeligheden af flere kondensatorer i serie med indre elektroder, der ikke er forbundet til nogen af enhedens terminaler, men som i stedet er "floating". Formålet med denne konstruktionsmetode er primært at reducere risikoen for kortslutningsfejl, der ofte opstår som en sekundær effekt af kondensatorrevner, men den giver også fordele i form af robusthed over for ESD og overspændinger.

Høj temperatur

Enheder, der betegnes som "højtemperatur"-typer, er (ikke overraskende) beregnet til anvendelser, der oplever temperaturer over dem, som det meste elektroniske udstyr støder på. Almindeligvis betyder dette også "bredt temperaturområde", da enheder med denne betegnelse også har tendens til at blive specificeret til brug ned til de nedre ender af de almindeligt forekommende driftstemperaturområder for elektroniske enheder. Det, der ikke er indlysende ved denne betegnelse, er, at de fleste enheder, der bærer den, udviser en ret imponerende parameterstabilitet for deres slags, både med hensyn til temperatur og ofte også DC-bias.

Højspænding/Arc Guard™/Arc Shield™

Kondensatorer med betegnelsen "High voltage" og/eller proprietære anti-arc-betegnelser er designet til brug ved spændinger, der er højere end dem, der er typiske for elektroniske enheder. Definitionerne af, hvad der udgør "højspænding", varierer fra producent til producent, men skillelinjerne synes at ligge i området 100 V til 1 kV. Ved sådanne potentialer begynder MLCC-teknologien at lide under komplikationer fra overfladebuer mellem terminalerne eller mellem en terminal og en elektrode, der er forbundet til den anden terminal gennem enhedens ydre beklædning. Det er selvfølgelig ikke en god ting. Mens overfladebuer bliver et problem for alle komponenter ved tilstrækkelig høje spændinger, er MLCC-teknologien særligt sårbar, fordi dens kompakte konstruktion nødvendigvis placerer de to enhedsterminaler og deres tilsluttede elektroder meget tæt på hinanden, hvilket øger risikoen for dielektrisk nedbrydning og lysbuer. At øge enhedens størrelse for at kompensere er en mulighed, men det sker på bekostning af en stærkt forøget risiko for, at enheden knækker. Produkter som Arc Guard™ og Arc Shield™ er designet til at afbøde disse effekter og forbedre afvejningen mellem risikoen for fejl via dielektrisk nedbrydning og risikoen for mekaniske revner.

Høj Q/lavt tab/lav spredningsfaktor

Enheder, der markedsføres som High Q-, low loss- eller low dissipation factor-typer, er designet til at minimere ESR. Disse enheder er typisk fremstillet af dielektriske klasse I-materialer og bruges i RF- eller andre højfrekvensapplikationer, hvor næsten ideelle kondensatorer er ønskelige til frekvensdiskriminering.

Integreret udluftningsmodstand

Enheder med denne betegnelse integrerer en parallelkoblet modstand for at sikre, at der ikke forbliver eller opbygges ladning på kondensatoren, når udstyret er uden strøm. I skrivende stund har DigiKey kun 3 varenumre med denne betegnelse, og de er alle ikke på lager og har en høj pris. Hvorfor? De foreslåede anvendelser, der er anført på markedsføringssiden (den første) i databladet for disse enheder, omfatter "detonationsenheder" og "elektronisk sikring", hvilket ikke ligefrem er den slags, man ser på de fleste kondensatordatablade. (Nej, der findes ikke applikationsnoter...)

Lavt ESL-niveau

Keramiske kondensatorer med lav ESL er designet til at minimere serieinduktansen. I tilfælde af overflademonterede MLCC'er er det meste af denne induktans ikke iboende i selve delen, men snarere relateret til pakningens geometri og de ledninger, der forbinder den til kredsløbet. MLCC'er med lav ESL er derfor for det meste geometriske og ledningskonfigurationsvarianter af standardenheder. Lav-ESL-enheder med flere terminaler bruger flere fysiske terminaler til hver logisk kondensatorterminal og sammenfletter dem på en sådan måde, at de magnetiske felter, der skabes af strømme, der går ind og ud af enheden, i høj grad ophæves, hvilket resulterer i lavere induktans. Keramiske kondensatorer med omvendt geometri placerer enhedens terminaler på kondensatorens langsider i stedet for i dens ender, som det er standardpraksis med andre enheder. Stablede keramiske lav-ESL-kondensatorer samler flere MLCC-enheder på en leadframe, hvilket gør det muligt at håndtere og samle dem som en enkelt enhed og giver fordele i form af reduceret risiko for revner og mikrofoniske effekter. Beskrivelsen af sådanne enheder som "lav ESL" er noget af et markedsføringstrick, fordi det kun er korrekt i forbindelse med en sammenligning med forskellige kondensatorteknologier. I forhold til de samme keramiske kondensatorer, der er monteret direkte på et printkort, vil enheder, der er monteret på en blyramme (som hæver dem over printkortet), udvise betydeligt større ESL. X2Y-betegnelsen for lav-ESL MLCC'er er et varemærke og må IKKE forveksles med de lignende sikkerhedsbetegnelser som "X1Y2". Selvom der er en vis lighed mellem de to grupper af enheder, når det gælder, hvorfor de bruges, er enhederne i sig selv radikalt forskellige. Lav-ESL X2Y-kondensatorer er klassificeret til så lidt som 6,3 V og må kortslutte hver eneste gang, hvorimod sikkerhedsklassificerede enheder skal kunne tåle overspændinger på kV-niveau og undgå kortslutningsfejl som pesten. Når det er sagt, har X2Y lav-ESR-kondensatorer stor værdi for applikationer inden for afkobling af lavspændingsstrømforsyninger, common-mode-filtrering og lignende applikationer. De er kendetegnet ved deres konstruktion med 4 terminaler; to terminaler er elektrisk forbundet og fungerer både som en "pass through"-forbindelse og som en fælles terminal for to separate kondensatorer i enheden, som hver bruger en af de resterende terminaler til sin anden elektrodeforbindelse. Geometrien i dette arrangement gør det muligt at reducere layoutrelateret induktans til afkoblingsapplikationer, common mode-undertrykkelse osv.

Lav profil

Lavprofilkondensatorer er gjort tyndere end typiske enheder med sammenlignelig længde og bredde for at lette brugen i applikationer med stærke højdebegrænsninger. Enheder med tykkelsesmålinger så små som 0,006" (0,15 mm) er tilgængelige. Det skal bemærkes, at den reducerede tykkelse af disse enheder gør dem mere sårbare over for revner på grund af bøjning af printkortet, hvilket gør omhyggeligt design, montering og håndteringsprocedurer dobbelt så vigtige i lyset af det faktum, at applikationer, der kræver den ekstra millimeter eller to af højdereduktion, som disse enheder tilbyder, sandsynligvis også bruger tyndere (og dermed mere fleksible) kredsløbssubstrater.

Militær

Produkter, der betegnes som "militære" og indkøbes under det amerikanske militærs standardiserede varenummereringssystem, produceres i henhold til specifikationer, der er fastlagt af militæret, for at sikre produktkonsistens på tværs af flere forsyningskilder. Traditionelle "mil-spec"-standarder beskrev ikke kun hvad, men også hvordan produktionen skulle foregå, i et forsøg på at sikre ensartethed og udskiftelighed af produkter fra forskellige leverandører. Nyere MIL-PRF-standarder er præstationsbaserede og specificerer, hvordan et produkt skal fungere, mens de præcise metoder til at nå målet i vid udstrækning overlades til producenten. Fleksibiliteten ved sidstnævnte tilgang giver større spillerum til at indføre nye teknologier og fremstillingsprocesser med en noget øget risiko for variation i produktadfærd mellem producenter og over tid. I begge tilfælde er "ægte" militærprodukter, der indkøbes i henhold til militære specifikationer, ofte ret dyre på grund af de omfattende test- og dokumentationskrav, der er involveret. Som en mellemvej findes der produkter, der er produceret efter militære specifikationer, men markedsført som kommercielle standardprodukter, dog uden den omfattende dokumentation.

Ikke-magnetisk

Ikke-magnetiske kondensatorer er fremstillet af materialer, der hverken tiltrækkes eller påvirkes negativt af magneter, og som ikke påvirker det magnetfelt, de er placeret i. De screenes ofte efter fremstillingen for at sikre, at slutproduktet bevarer disse egenskaber. Sådanne produkter bruges i medicinsk billeddannelses- og diagnoseudstyr, navigationssystemer, laboratorieudstyr og andre anvendelser, hvor det ikke er ønskeligt, at en enhed påvirkes af magnetfelter eller fastholder felter, der kan påvirke driften af applikationskredsløbet eller andet udstyr.

Åben tilstand

MLCC'er, der markedsføres som "open mode"-enheder, er designet til at mindske risikoen for kortslutnings- eller lavimpedansfejl, der kan opstå som følge af mekaniske revner. En almindelig metode til at opnå dette mål er at reducere overlapningsområdet mellem de to sæt elektroder, så den typiske vej for sprækker i pladen ikke går gennem det område, hvor elektroderne overlapper hinanden. Dermed reduceres det aktive område, der er til rådighed i kondensatoren, og som følge heraf reduceres de maksimale kapacitansværdier, der kan opnås i en given pakningsstørrelse. Denne tilgang kan kombineres med flydende elektroder og bløde termineringsteknologier for yderligere at reducere risikoen for MLCC-fejl forårsaget af revner. Selvom open-mode MLCC'er i høj grad reducerer risikoen for kortslutningsfejl, skal det bemærkes, at sandsynligheden for sådanne fejl stadig ikke er nul. Hvis sandsynligheden for kortslutningsfejl skal reduceres yderligere, er det i industrilitteraturen blevet foreslået at bruge to serieforbundne enheder, der er orienteret 90° i forhold til hinanden.

Blød/fleksibel afslutning

MLCC'er, der markedsføres som havende bløde eller fleksible termineringer, er designet til at give en binding mellem metalendeterminalen og den keramiske kondensatorkrop, der er mere mekanisk eftergivende end den, der findes i standard MLCC'er. Det reducerer risikoen for revner ved at mindske den belastning, det keramiske materiale udsættes for som følge af bøjning af pladen eller temperaturcyklusser.

Hvad er elektriske dobbeltlagskondensatorer?

Elektrisk dobbeltlag og supercaps:

Enhedens konstruktion og karakteristiske træk:

Elektriske dobbeltlagskondensatorer (ELDC) og superkondensatorer er en gruppe elektrolytlignende enheder, der er kendetegnet ved ekstremt høj kapacitans pr. volumen og lave spændinger, typisk ikke mere end et par volt. Konstruktionstyper og driftsprincipper blandt disse enheder er forskellige og er emner for igangværende F&U-indsats, men fælles temaer blandt dem er brugen af elektrodematerialer, der tilbyder ekstremt højt overfladeareal pr. volumen (såsom aktivt kul, aerogeler osv.) og et fravær af et konventionelt fast dielektrikum. I stedet for konventionelle keramiske, polymere eller metaloxid-dielektrika, som findes i andre kondensatortyper, er ELDC'er, superkondensatorer og lignende enheder med andre navne afhængige af forskellige elektrokemiske, elektrostatiske og ladningsoverførselseffekter, der giver ekstremt små ladningsadskillelsesafstande; den afstand, hvormed kondensatorens "plader" er adskilt, måles almindeligvis i brøkdele af en nanometer. Til praktiske formål kan ELDC'er, supercaps og lignende enheder med et andet navn betragtes som en slags mellemting mellem traditionelle kondensatorer og sekundære (genopladelige) celler. De har energilagringstætheder, der er højere end traditionelle kondensatorer, men lavere end elektrokemiske celler, ESR-værdier, der er høje i forhold til kondensatorstandarder, men lave i forhold til elektrokemiske cellestandarder, og en næsten ubegrænset cykluslevetid sammenlignet med kemiske cellers cykluslevetid på kun et par hundrede til et par tusinde cyklusser. Som med elektrokemiske celler kan flere ELDC'er integreres i en enkelt pakke for at give en sammensat enhed med en højere nominel spænding. Kombinationen af høj ESR og dårlige linearitetsegenskaber i forhold til andre kondensatortyper gør ELDC'er og supercaps uegnede til de fleste signal- og højfrekvensapplikationer (>kHz), men de er ret nyttige til energilagring i menneskelig skala. Inden for dette område er der et kontinuum af enheder, der er beregnet til forskellige anvendelser. Mindre enheder kan have ESR-værdier så høje som et par hundrede ohm og er beregnet til applikationer som hukommelse og backup-forsyninger til realtidsur med strømkrav på uA-niveau. I den anden ende findes enheder med ESR på brøkdele af milliohm, som er beregnet til brug i applikationer med strømstyrker på flere hundrede ampere, f.eks. regenerative bremsesystemer til biler.

Udvalg af tilgængelige kapaciteter og spændinger:

Figur 12 viser spændings- og kapacitansværdier for ELDC'er og superkondensatorer, der var på lager hos DigiKey i skrivende stund. Bemærk, at den lodrette skala har enheden farad, i modsætning til enhederne mikrofarad, som findes i lignende diagrammer.

Figur 12: Plot af kapacitansværdier i forhold til nominel spænding for ELDC/superkondensatorer og arrays heraf, som i skrivende stund er tilgængelige via DigiKey.

Almindelige fejlmekanismer/kritiske designovervejelser:

Variationer i teknologi blandt enheder under ELDC/supercap-paraplyen udelukker en detaljeret diskussion af fejlmekanismer og kritiske designovervejelser for gruppen som helhed. Fra et anvendelsesperspektiv er det dog tilstrækkeligt at bemærke, at de bekymringer, der gælder for aluminiumelektrolytkondensatorer, overføres mere eller mindre direkte til ELDC'er og supercaps:

• De indeholder en flydende elektrolytopløsning, der kan fordampe, og Arrhenius-tommelfingerreglen, der forudsiger en halvering af enhedens levetid for hver 10°C temperaturstigning, holder. Det skal bemærkes, at temperaturen for mange ELDC'er/supercaps er relativt lav, og at selvopvarmningseffekter kan blive betydelige i applikationer, der involverer længerevarende opladningscyklusser. Mange printmonterede enheder tåler heller ikke reflow-lodningsprocesser og kan derfor kræve særlig omhu under monteringen.
• De bør ikke betjenes over deres nominelle spænding. Det vil medføre fejl på grund af elektrolyttab og/eller dielektrisk nedbrydning. Dette er især relevant i tilfælde af enheder, der indeholder organiske elektrolytter, da materialer, der frigives under en fejl, kan vise sig at være ret giftige.
• De udviser betydelig dielektrisk absorption og ændringer i enhedens egenskaber som en funktion af temperaturen. Derudover er lækstrømmen ofte ret høj i ELDC'er/supercaps, især i sammensatte enheder, der består af serieforbundne kondensatorer. Ofte kræver sådanne enheder en eller anden form for kredsløb til at balancere spændingen til hver enkelt for at undgå en overspændingstilstand på en given celle forårsaget af ubalance i kapacitet eller lækstrøm.
• Kondensatorer udviser et lineært forhold mellem ladetilstand og udgangsspænding i henhold til Q=C*V-ligningen. Dette adskiller sig fra elektrokemiske celler, som generelt har et bredt, mere eller mindre fladt plateau i udgangsspænding som en funktion af deres ladetilstand. I mange/de fleste applikationer betyder det, at der er brug for en eller anden form for strømstyringskredsløb for at udnytte en ELDC/supercaps fulde kapacitet.

Hvad er filmkondensatorer?

Figur 13: Eksempler på filmkondensatorer i en række forskellige pakninger og ledningskonfigurationer. (Ikke i målestok)

Konstruktion af enhed

Enheder i kategorien filmkondensatorer er elektrostatiske af natur og fremstilles ved hjælp af dielektriske materialer som papir eller forskellige polymerer, der formes til tynde lag eller "film" og sammenflettes med elektrodematerialer for at danne en kondensator. Udtrykket "filmkondensator" henviser generelt til enhver enhed, der er fremstillet ved hjælp af denne slags proces, og udtrykket "film" henviser til arten af det anvendte dielektriske materiale. Når udtrykket "metal" bruges som en kvalifikator for "film" som i "metalfilm" eller "metalliseret film", er det en mere specifik henvisning til en filmkondensator-undertype, hvor elektroderne er bygget op på et bærende substrat i et meget tyndt (10 nanometer) lag, normalt gennem en vakuumaflejringsproces. Det anvendte substrat fungerer ofte også som kondensatorens dielektriske materiale, men det er ikke altid tilfældet. I modsætning hertil bruger en "folie"-elektrodekondensator et elektrodemateriale, der minder mere om husholdningsaluminiumsfolie, som er tykt nok (i størrelsesordenen mikrometer) til at være mekanisk selvbærende.

Figur 14: Illustration af forskellen mellem metalfilm- og folieelektroder i filmkondensatorer.

Filmkondensatorer baseret på metalfilmelektroder har den fordel, at de er selvhelende; elektrodematerialet nær en lokal fejl i dielektrikummet er tyndt nok til at blive fordampet af lækstrømmen forårsaget af fejlen, hvilket eliminerer (eller "rydder") den på bekostning af en vis tabt kapacitans. Denne evne til selvhelbredelse gør det muligt at bruge tyndere dielektrika, end det ellers ville være muligt på grund af problemer med pålidelighed eller produktionsudbytte, og resulterer i en høj kapacitans pr. volumen. Fordelen ved folieelektrodekondensatorer er, at de tykkere elektroder resulterer i lavere ESR, hvilket giver bedre RMS- og pulserende strømhåndteringsevner på bekostning af selvhelbredelsesevnen og en reduktion i opnåelig kapacitans pr. volumen. Talrige smarte kombinationer af og tilpasninger til de grundlæggende film- og folieelektrodetyper er i almindelig brug. For eksempel kombineres folie- og filmelektroder ofte i en enkelt enhed ved hjælp af en "flydende elektrode"-konfiguration, som (ligesom lignende keramiske kondensatorer) i virkeligheden er to eller flere kondensatorer forbundet i serie. Ved at gøre de "ydre" elektroder til en folietype og de "flydende" elektroder til en filmtype, kan man realisere en kondensator med god strømhåndteringsevne, selvhelbredende evne og forbedret kapacitans per volumen. En anden teknik, der ofte anvendes, er brugen af mønstrede filmelektroder. Ved at opdele en elektrode i et antal sammenkoblede segmenter kan man få sammenkoblingerne til at fungere som sikringer, der begrænser den mængde strøm, der er til rådighed for et fejlsted under en selvhelbredende begivenhed, så risikoen for kaskade- eller kortslutningsfejl kan reduceres.

Almindelige anvendelser og applikationer:

Filmkondensatorer i en eller anden form er den dominerende kondensatorteknologi i strømapplikationer, der involverer reversering af spænding tilført enheden. Metalliserede filmtyper er velegnede til sikkerhedsklassificerede applikationer på grund af deres selvhelbredende egenskaber og evne til at åbne under mange fejlforhold. Metalfolietyper bruges ofte i applikationer, hvor der forventes højere ripple-strømsamplituder, f.eks. ved start/drift af vekselstrømsmotorer eller som kapacitiv reaktans til distribution af bulkstrøm. Derudover bruges filmkondensatorer ofte i lavspændingssignalapplikationer, hvor der kræves relativt høje kapacitansværdier samt linearitet og stabilitet over temperatur, som f.eks. i analogt lydbehandlingsudstyr. I applikationer som DC-busfiltrering, hvor polariteten over enheden ikke er omvendt, kan filmkondensatorer være et alternativ til elektrolytiske aluminiumstyper (eller omvendt). Når man sammenligner filmkondensatorer med aluminiumelektrolytiske typer med lignende spændings- og kapacitansværdier, er filmkondensatorer ofte større og dyrere med en faktor på ca. 10, men har ESR-værdier, der er lavere med en faktor på ca. 100. Filmkondensatorernes mangel på flydende elektrolyt eliminerer problemet med udtørring og forøgelse af ESR ved lave temperaturer, som man kender det fra aluminiumelektrolytiske enheder, og de lider ikke under dielektrisk nedbrydning i længere perioder uden brug på samme måde som aluminiumelektrolytiske enheder. Derudover kan filmkondensatorernes lavere ESR-karakteristik gøre det muligt at bruge en mindre kapacitansværdi, end det ville være nødvendigt med en elektrolytisk enhed i nogle applikationer, hvilket opvejer omkostningsulempen ved filmteknologi i forhold til elektrolytiske typer.

Almindelige fejlmekanismer/kritiske designovervejelser:

Selvom filmkondensatorer generelt er ret holdbare, er de modtagelige over for nogle få langsigtede slidmekanismer. Med tiden svækkes de anvendte dielektriske materialer, bliver skøre og oplever en forringelse af deres evne til at modstå spænding, hvilket i sidste ende fører til en dielektrisk nedbrydningsfejl. Processen accelereres af temperatur- og spændingsbelastning, og en reduktion af begge kan forlænge levetiden. Afhængigt af hvor alvorlig den dielektriske nedbrydning er, kan de fejltilstande, der opstår, variere fra relativt harmløse til ret spektakulære. Et mildt nedbrud, der enten stoppes af en filmkondensators selvhelbredende egenskaber, vil manifestere sig som en trinvis reduktion i kapacitans. Efterhånden som flere sådanne hændelser indtræffer over tid, medfører den kumulative effekt en reduktion i kapacitans og øget ESR, indtil det punkt, hvor enhedens ydeevne ikke længere er inden for specifikationerne, og den anses for at have fejlet parametrisk. I et mere ekstremt tilfælde, som kan følge efter et parametrisk svigt, hvis enheder med parametriske svigt ikke tages ud af drift, kan der opstå et kaskadesvigt, når den termiske energi, der frigøres under selvhelingen, forårsager yderligere dielektriske nedbrud i nærheden. Fordi selvhelbredende hændelser fjerner dele af kondensatoren fra kredsløbet, fordeles applikationspåvirkningerne igen over en stadig mindre del af enheden, efterhånden som selvhelbredelsen skrider frem, hvilket medfører en stigning i påvirkningerne på de dele af enheden, der forbliver effektivt i kredsløbet. Den næstsvageste del af kondensatoren bryder så sammen og lægger sin byrde på det, der er tilbage, hvilket fører til flere sammenbrud, mere spændingskoncentration, flere sammenbrud osv. på en eksponentiel måde. Hvis denne proces sker hurtigt nok, kan de gasformige biprodukter fra den selvhelbredende proces opbygge et tilstrækkeligt tryk til at sprænge enhedens kabinet voldsomt. Større enheder omfatter ofte en udluftningsmekanisme for at begrænse/forhindre følgeskader fra flyvende vragdele, når dette sker, og kan også omfatte en sikringsmekanisme til at fjerne enheden fra kredsløbet i tilfælde af en intern overtrykstilstand. Bemærk, at parametriske fejl på grund af gentagen selvhelbredelse blot kan være et vejpunkt på vejen til en mere katastrofal, eksplosiv fejl, hvis enheder, der har fejlet parametrisk, efterlades i drift. En anden overbelastningsfejltilstand, der findes i filmkondensatorer, opstår, når spidsstrømsgrænserne overskrides på grund af en sikringslignende virkning i det område, hvor kondensatorens "plader" forbindes til de eksterne ledninger. Dette er især almindeligt med de metalliserede filmtyper på grund af deres meget lille elektrodetykkelse og den deraf følgende delikate forbindelse til omverdenen. Mange filmkondensatorer angiver en maksimal spændingsændringshastighed (dV/dt), som må påføres kondensatoren. Dette svarer til at angive en spidsstrøm gennem enheden, da I(t)=C*dV/dt, selvom spændinger typisk er mere praktiske at måle end strømme. Miljøforholdene spiller også en rolle for filmkondensatorernes levetid. Som med andre enheder reducerer høje temperaturer enhedens levetid betydeligt. En længerevarende eksponering for miljøer med høj luftfugtighed eller vaskecyklusser efter montering kan forårsage indtrængning af fugt i en enhed gennem ufuldkommenheder i epoxy-metal-forseglingen omkring enhedens ledninger eller ved diffusion gennem enhedens polymerhus. Fugtindtrængning er dårligt på flere fronter; det nedbryder både det dielektriske materiale og fremmer korrosion af elektrodematerialerne. Især i enheder af metalfilmtypen, hvor elektroderne kun er et par dusin nanometer tykke til at begynde med, skal der meget lidt korrosion til at skabe problemer. Derudover kan højvibrationsmiljøer også være problematiske ved at forårsage mekanisk svigt i enhedens ledninger, fastgørelse mellem ledninger og elektroder eller ved at forværre problemer med fugtindtrængning. De dominerende faktorer for filmkondensatorens pålidelighed og levetid er den anvendte spænding, efterfulgt af temperaturen. Leverandørernes levetidsmodeller varierer, men er generelt baseret på at tage forholdet mellem nominel og anvendt spænding til en stor eksponent (normalt mellem 5 og 10), mens temperaturens indflydelse følger Arrhenius-forholdet med en faktor 2-ændring for hver 10°C temperaturforøgelse. Sammenlagt giver en nedjustering af spændingen med 30 % og temperaturen med 20 °C næsten to decimaler mere i levetidsestimaterne.

Dielektriske typer, egenskaber og målrettede anvendelser:

Akryl:

Akrylatmaterialer er relativt nye som dielektrisk materiale til filmkondensatorer. De nuværende enheder markedsføres ofte som reflow-kompatible filmalternativer til keramiske dielektrika, der undgår piezoelektriske effekter og tab af kapacitans ved DC-bias, eller som tantalalternativer med lavere ESR.

Papir:

Kraftpapir var et af de tidligste dielektriske materialer, der blev brugt til filmkondensatorer på grund af dets lave pris og tilgængelighed før udviklingen af moderne polymerer. Papir imprægneres ofte med voks, forskellige olier eller epoxy for at udfylde hulrum og forhindre fugtabsorption, men dets lave dielektriske styrke og høje fugtabsorption har gjort, at det stort set er faldet i unåde som dielektrisk materiale, selvom det stadig finder begrænset anvendelse i applikationer, der er ekstremt omkostningsfølsomme, eller hvor ændringer af gamle specifikationer er ekstremt vanskelige at realisere. På grund af den relative lethed, hvormed metalfilm kan påføres papir i forhold til polymermaterialer, bruges papir lejlighedsvis ikke som et dielektrisk materiale i sig selv, men som en mekanisk bærer af metalliseret elektrodemateriale, hvor en ikke-metalliseret polymer såsom polypropylen fungerer som det egentlige dielektrikum.

Polyester/polyethylenterephthalat (PET):

Polyester, også kendt som polyethylenterephthalat eller PET, er sammen med polypropylen et af de mest almindeligt anvendte dielektriske materialer i filmkondensatorer. I forhold til polypropylen har polyester generelt en højere dielektrisk konstant, lavere dielektrisk styrke, højere temperaturtolerance og højere dielektriske tab. Kort sagt er polyesterdielektrika gode til filmhætteapplikationer, der sætter kvantitet af kapacitans over kvalitet, og som ikke kræver en overflademonterbar formfaktor. Der findes visse formuleringer af polyester, som er designet til at kunne tåle høje temperaturer, og som gør det lettere at bruge polyesterfilmkondensatorer i overflademonteret emballage, selvom disse enheder er relativt få i antal.

Polyethylennaphthalat (PEN):

Polyethylennaphthalat (PEN) er et dielektrisk polymermateriale, der er designet til at tåle højere temperaturer, hvilket gør det muligt at bruge filmkondensatorteknologi i overflademonterbar, reflow-kompatibel emballage. I applikationskonceptet kan det betragtes som en reflow-kompatibel version af polyethylen (PET), der leverer kvantitet af kapacitans frem for kvalitet. Til gengæld for at opnå kompatibilitet med reflow-lodning giver PEN afkald på en smule specifik kapacitans (kapacitans pr. volumen), har højere dielektrisk absorption og er mere udsat for problemer med fugtabsorption, selvom afledningsfaktoren ved lav frekvens kan være en smule forbedret i forhold til polyethylen.

Polypropylen (PP):

Polypropylen har de laveste dielektriske tab, den laveste dielektriske konstant og de laveste maksimale arbejdstemperaturer af de almindeligt anvendte dielektriske materialer til filmkondensatorer. Det udviser også en af de højeste dielektriske styrker blandt disse polymerer samt god parameterstabilitet over temperatur. Alt i alt er polypropylen et dielektrikum, der vælges til filmhætteapplikationer, der kræver kvalitet af kapacitans frem for kvantitet deraf. På grund af sin lave temperaturtolerance er polypropylen-dielektrika ikke kompatible med reflow-lodningsprocesser og findes derfor næsten udelukkende i gennemgående huller eller chassis-monteret emballage af en eller anden form. På grund af de overlegne tabskarakteristika er polypropylenfilmkondensatorer en foretrukken enhed i højstrøms- og højfrekvensapplikationer som induktionsopvarmning og tyristorkommutering, samt applikationer, hvor der ønskes en stabil, lineær kapacitans, og hvor andre kondensatortyper af en eller anden grund ikke er tilgængelige eller mulige.

Polyphenylensulfid (PPS):

Polyphenylensulfid (PPS)-dielektrika kan betragtes som et reflow-kompatibelt alternativ til polypropylen til anvendelser, hvor kapacitansens kvalitet er vigtigere end kvantitet. I forhold til polypropylen har PPS-kondensatorer en højere specifik kapacitans og spredningsfaktor over frekvensområdet med en faktor på ca. 2 til 3, selvom kapacitansens stabilitet over temperaturområdet er en smule forbedret.

Andre dielektrika

En række dielektriske materialer til filmkondensatorer er enten kommet og gået med tiden eller har levet i ubemærkethed. Selvom de ikke er let tilgængelige eller tilrådelige at bruge i nye applikationer, nævnes de her til reference og sammenligning.

Polykarbonat

Polycarbonat er en stiv, gennemsigtig termoplast, der ofte bruges til at lave linser til sikkerhedsbriller, hjelmvisirer eller anden slagfast optik. Produktionen til brug som dielektrisk film blev indstillet omkring år 2000, og de resterende materialelagre til kondensatoranvendelser er stort set brugt op. Som dielektrisk materiale var det ret godt med elektriske egenskaber, der svarede til polypropylens, om end de i de fleste tilfælde var en smule ringere, men med overlegne temperaturegenskaber, der tillod brug i det militære temperaturområde (-55 °C til +125 °C) med relativt stabile parametre og ofte uden degradering ved forhøjede temperaturer. Polyphenylensulfid (PPS) nævnes ofte som et tilgængeligt alternativ, der sandsynligvis vil være egnet til anvendelser, hvor man tidligere brugte polycarbonatbaserede enheder.

Polyimid

Polyimid er en højtemperaturpolymer, der ofte sælges under handelsnavnet Kapton, og som bruges i mange elektronikapplikationer som et substrat til fleksible kredsløb. Som dielektrikum til kondensatorer har det en moderat ydeevne, der kan sammenlignes med polyester/PET, men dets høje temperaturstabilitet muliggør drift ved forhøjede temperaturer på over 200 °C. Mens den høje dielektriske styrke antyder et potentiale for enheder med god volumetrisk tæthed, har vanskeligheder med at producere stoffet som en meget tynd film haft en tendens til at begrænse tiltrækningskraften/tilgængeligheden af kondensatorer baseret på dette dielektriske materiale.

Polystyren

Polystyrenfilmkondensatorer er stort set en uddød art på dette tidspunkt og er faldet i unåde primært på grund af monterings- og produktionsvanskelighederne i forbindelse med en meget lav temperaturtolerance på kun 85 °C. Ved beskedne driftstemperaturer er den elektriske ydeevne for polystyrenkondensatorer ganske god, og i en periode var sådanne enheder et oplagt valg, når stabilitet og elektriske egenskaber var de afgørende udvælgelseskriterier. For det meste er disse enheder blevet erstattet af polypropylenfilmkondensatorer.

Polysulfon

Polysulfon er en stiv, gennemsigtig termoplast, der ligner polycarbonater både elektrisk og med hensyn til at være dyr og relativt utilgængelig.

Teflon/PTFE

"Teflon" er et DuPont-handelsnavn, der omfatter en række fluorpolymerer, hovedsageligt polytetrafluorethylen (PTFE), selvom fluorethylenpropylen (FEP) og andre kan findes under navnet "Teflon". Disse polymerer har tendens til at være meget stabile og besidder mange beundringsværdige kvaliteter som præcisionsdielektrika, herunder høj temperaturtolerance og fremragende stabilitet over tid, temperatur, spænding og frekvens osv. De mekaniske egenskaber ved PTFE-film og vanskelighederne ved at metallisere dem gør produktionen af PTFE-baserede filmkondensatorer til en vanskelig og dyr affære, så der findes kun få af den slags enheder på markedet.

Hvad er Mica/PTFE-kondensatorer?

Figur 15: Glimmerkondensatorer i en række forskellige pakkeformater. (Ikke i målestok)

Konstruktion af enhed

Glimmer er en naturligt forekommende gruppe af mineraler, der er kendetegnet ved let at kunne spaltes til flade, tynde film, hvor den specifikke type, der er kendt som "muskovit"-glimmer, foretrækkes til kondensatoranvendelser. Som dielektrikum giver glimmer fremragende stabilitet over tid og anvendt spænding, en lav temperaturkoefficient, høj temperaturtolerance, meget god dielektrisk styrke og lave tabsegenskaber over et bredt frekvensområde. Ud over at være fremragende dielektriske materialer har glimmer (et naturligt forekommende mineral) næsten intet til fælles med PTFE (en syntetisk fluorpolymer), men fordi der er mindst én kondensatorproduktserie på markedet, der bruger PTFE i stedet for glimmer til nogle kapacitansværdier, bliver begge materialer nævnt i overskriften... Konstruktionen af glimmerkondensatorer varierer afhængigt af anvendelsen, men der er ligheder med keramik- og filmtyper. Uanset om glimmeret bruges som monolitiske plader, der er spaltet fra en klump råmateriale, eller som et "papir" lavet af mange små flager, afsættes et elektrode/terminal-tilslutningslag (normalt sølv) på to sider, og derefter bruges det enten enkeltvis (som en keramisk enhed med et enkelt lag), lagt sammen som en MLCC eller viklet som en filmkondensator. Tidlige apparater, der blev produceret før udviklingen af metalliseringsprocesser, klemte mekanisk glimmerplader sammen med elektrodefolier. Ligesom andre klemte kondensatorer var stabiliteten og pålideligheden af disse enheder ringere end mere moderne typer, og klemte glimmerkondensatorer har derfor været forældede i hvert fald siden anden verdenskrig.

Almindelig brug og anvendelse:

Glimmerkondensatorer er en teknologisk pendant til vakuumrøret og har historisk set været det foretrukne apparat, når man havde brug for en stabil kapacitans af høj kvalitet. Ligesom vakuumrøret har nyere teknologier med bedre pris/ydelsesforhold vundet dominans og henvist glimmerteknologien til nichemarkeder, hvor usædvanlige stressfaktorer som nuklear stråling, ekstreme temperaturer eller højspænding retfærdiggør omkostningerne ved en glimmerenhed.

Figur 16: Plot af kapacitansværdier i forhold til nominel spænding for Mica/PTFE-kondensatorer, der i skrivende stund er tilgængelige via DigiKey.

Almindelige fejlmekanismer/kritiske designovervejelser:

Moderne glimmerkondensatorer har en tendens til at være ret pålidelige i kraft af stabiliteten af de materialer, der bruges i deres fremstilling, og til de fleste anvendelsesformål kan de behandles på samme måde som en C0G keramisk enhed. Mekanisk inducerede fejl som følge af vibrationer, stød, termisk cykling osv. er alle mulige som med andre kondensatortyper, og elektrodekorrosion på grund af fugtindtrængning er også et potentielt problem.

Hvad er tantal-kondensatorer?

Figur 17: Tantal-kondensatorer i en række forskellige pakningskonfigurationer. (Ikke i målestok)

Apparatets konstruktion og særlige kendetegn

Tantal-kondensatorer er elektrolytiske enheder, der primært bruges, hvor der er behov for en kompakt, holdbar enhed med relativt stabile parametre, og hvor beskedne kapacitans- og spændingsværdier er tilstrækkelige. Traditionelt har fordelene ved tantal i forhold til aluminiumelektrolytik været kapacitans pr. volumen, parameterstabilitet over temperatur og lang levetid; tantal lider generelt ikke af udtørringsproblemer eller problemer med dielektrisk nedbrydning, når det opbevares afladet i lange perioder. Men tantal er generelt dyrere, har et mere begrænset udvalg af tilgængelige kapacitans- og spændingsværdier, er lavet af sjældnere materialer, der er mere udsat for forsyningsafbrydelser, og kan kræve særlig omhu i designet på grund af nogle undertypers tendens til at svigte med stor entusiasme.

Figur 18: Plot af kapacitansværdier i forhold til nominel spænding for tantal-kondensatorer, der i skrivende stund er tilgængelige via DigiKey.

Figur 18 illustrerer kombinationerne af spænding og strømstyrke for forskellige varianter af tantal-kondensatorer, som i skrivende stund kan fås hos DigiKey. Uanset undertypen er anodekonstruktionen af tantal-kondensatorer ret ens; fint pulveriseret tantalmetal af høj renhed støbes i den ønskede form og sintres ved høj temperatur for at smelte de enkelte metalpulverkorn sammen til en meget porøs masse kendt som en "slug" med ekstremt stort indre overfladeareal i forhold til dens volumen. Kondensatorens dielektrikum dannes derefter elektrokemisk i et væskebad, hvor der dannes et lag af tantalpentoxid (_Ta2O5) over hele sluggens indre overfladeareal, på samme måde som dielektrikummet i elektrolytiske aluminiumskondensatorer dannes. Fra dette punkt divergerer konstruktionen af de forskellige tantalundertyper, hvor de forskellige anvendte kodesystemer giver anledning til de forskellige typers egenskaber.

_{Ta/MnO2-hætter}

Der er tre grundlæggende kodesystemer i brug, som giver anledning til de forskellige undertyper af tantal-kondensatorer: mangandioxid (_MnO2), ledende polymer og "våd". Med mangandioxid-systemet dyppes tantalklodserne efter dielektrisk dannelse i en række mangannitratopløsninger (Mn(_NO3)2) og bages efter hver dypning, hvorved den flydende opløsning omdannes til fast (halv)ledende mangandioxid, der gennemtrænger tantalklodsens mikrostruktur grundigt og fungerer som enhedens katode. Derefter påføres et lag af interfacemateriale som f.eks. grafit for at forhindre _MnO2 i at reagere med det metallag (ofte sølv), der er nødvendigt for at have noget at fastgøre en ledning til, før hele samlingen pakkes i epoxy og testes før forsendelse. Slutproduktet er en fast elektrolytisk kondensator med høj specifik kapacitans, ingen udtørringsproblemer, god pålidelighed, relativt god temperaturstabilitet og en ret ubehagelig fejltilstand... Fordi sammensætningen og konstruktionen af en _{tantal-MnO2-kondensator} ligner en fyrværkeris (et finfordelt metal i intim blanding med et stof, der frigiver ilt, når det opvarmes), er disse kondensatorer kendt for at fejle på pyroteknisk vis, karakteriseret ved eksplosioner og/eller voldsomme flammeudbrud. Derfor anbefales det, at man er særlig omhyggelig med valg og anvendelse af dem.

Militær/høj pålidelighed/fejlsikker

Der er foretaget nogle praktiske forbedringer af den grundlæggende _{Ta/MnO2-kondensatorteknologi}, og der findes mekanismer til at afbøde eller i det mindste kvantificere risikoen for fejl. Produkter, der betegnes som militære og indkøbes under et MIL-specifikationsnummer, produceres og testes i henhold til forskrifterne i den MIL-specifikation, der henvises til, hvilket typisk omfatter test af partier og screeningsprocedurer for at etablere en statistisk sikkerhed for pålidelighed. MIL-specifikationer kræver ofte også en (ikke RoHS-kompatibel) blyholdig terminalfinish, hvilket gavner systemets generelle pålidelighed på grund af reduceret risiko for dannelse af tin whisker og lavere spidstemperaturer under montering. Dele med høj pålidelighed er ofte bygget af MIL-spec-materialer med forskellig mærkning og terminalfinish, men kan også indeholde teknologiske forbedringer, der endnu ikke er vedtaget af de styrende MIL-spec-organer. Under alle omstændigheder vil et Hi-Rel-produkt, der fortjener navnet, være blevet screenet, testet og/eller brændt ind for at give en statistisk sikkerhed for pålidelighed. Fejlsikre enheder indeholder en eller anden form for sikringsmekanisme for at konvertere kortslutningsfejl til åbne kredsløbsfejl, før de kan udvikle sig til åbne flammefejl. Disse mekanismer er ikke perfekte, men de reducerer risikoen for brandfejl med et par decimaler.

Tantal-polymer

Tantalpolymerkondensatorer undgår helt mangandioxid og bruger i stedet en ledende polymer som katodemateriale, hvilket stort set eliminerer risikoen for pyrotekniske fejl. På grund af den lavere modstand i de anvendte polymermaterialer i forhold til _MnO2 har tantalpolymerhætter generelt bedre ESR- og ripple-strømspecifikationer samt bedre ydeevne ved høj frekvens i forhold til deres _{MnO2-baserede} modstykker. Ulemperne ved polymerkatodesystemer omfatter et mere begrænset temperaturområde, større følsomhed over for fugt og en reduceret effekt af selvhelbredelse, der bidrager til højere lækstrømme.

Vådt tantal

Våde tantal-kondensatorer bruger, som navnet antyder, en flydende elektrolyt i deres kodesystemer. Da det er svært at lodde til en væske, er det nødvendigt med en katodemodelektrode for at fuldføre kredsløbet gennem den sintrede tantalanode, og designet af denne modelektrode er en af de ting, der adskiller de forskellige serier af våde tantalanordninger. Moderne enheder bruger hermetisk forseglede/svejsede tantalhuse, som er mindre tilbøjelige til elektrolytlækage og mere tolerante over for tilfældige spændingsvendinger end tidligere enheder med sølvhusmateriale og elastomerforsegling. De største fordele ved våde tantalanordninger er deres pålidelighed og relativt høje specifikke kapacitans; den flydende elektrolyt giver en kontinuerlig selvhelende virkning for dielektrikummet, hvilket fører til lave lækstrømme og et større udvalg af anvendelige driftsspændinger. På grund af modstanden i den flydende elektrolyt er ESR for de fleste våde tantal dog ikke særlig god, hvilket resulterer i tab af kapacitans ved relativt lave frekvenser. Vådt tantal er også ret dyrt, omkring 100 gange så dyrt som en aluminiumelektrolytisk enhed med tilsvarende effekt. Tilsammen gør disse faktorer vådt tantal til noget af en nicheteknologi, der mest findes i den slags applikationer, hvor fejl ikke er en mulighed, og penge ikke er et objekt; rum-/satellitapplikationer, livskritiske flyelektroniksystemer osv.

Fejlmekanismer og designovervejelser

For tantal generelt

Den dominerende årsag til dielektriske fejl i tantalkondensatorer er urenheder i det tantalpulver, som anodekuglerne er dannet af. Ligesom de huller, der opstår, når vejarbejdere ikke gider at flytte trafikdræbte dyr af vejen, når de maler streger på vejene, resulterer urenheder i tantal i fejl i det dielektriske lag. Da dielektrikummet i en tantalkondensator kun er nogle få nanometer tykt til at begynde med, kan selv meget små urenheder skabe problemer. Andre dielektriske fejl i tantal-kondensatorer er mekanisk inducerede. Da tantalpentoxid-dielektrikum er et noget skørt, glaslignende stof, er det tilbøjeligt til at knække, når det udsættes for mekanisk belastning. Særligt betydningsfulde er termiske ekspansionsspændinger under loddeoperationer, når dele samles på en plade. Da disse belastninger kan forårsage fejl, som ikke fandtes (og derfor ikke kan opdages) på produktionstidspunktet, er det et kendt fænomen, at tantalkondensatorer svigter ved første strømtilførsel efter montering. På grund af den blødere, mere bøjelige natur af polymerkatodematerialer (og naturligvis flydende katoder) i forhold til mangandioxid, har disse typer en fordel i forhold til _{MnO2-baserede} kondensatorer med hensyn til børnedødelighed.

For _{MnO2-baserede} enheder

Den selvhelbredende mekanisme i _{Ta/MnO2-kondensatorer} er baseret på termisk nedbrydning af _{MnO2-materialet} til det meget mindre ledende _Mn2O3. Når lækstrømmen nær et fejlsted får den lokale temperatur til at stige højt nok, nedbrydes det område af _{MnO2-katodematerialet}, der leverer strøm til fejlen, hvilket isolerer fejlen fra yderligere strømgennemstrømning. Desværre genererer denne proces løs ilt: 2(_MnO2) + (energi) --> _Mn2O3 + O. Forskellen mellem en vellykket selvhelbredende begivenhed og en pyroteknisk fiasko er, om denne ilt finder tantalmetal ved en høj nok temperatur til at selvantænde. Omgivelsestemperatur og mængden af elektrisk fejlstrøm, der er tilgængelig til at forårsage ohmsk opvarmning på et fejlsted, er begge faktorer, der påvirker resultatet.

Overvejelser om design af _MnO2

Selvom det anbefales at studere producenternes anvendelseslitteratur grundigt, er følgende retningslinjer for anvendelse af _{Ta/MnO2-kondensatorer} til de utålmodige:

1. Brug seriemodstand: Begrænsning af den eksterne strøm, der er tilgængelig for en fejl, reducerer i høj grad risikoen for, at et fejlsted når den kritiske antændelsestemperatur. Historisk set har man anbefalet en seriemodstand på 1 til 3 ohm pr. påtrykt volt. Moderne design tåler måske ikke så meget ESR, og større enheder kan indeholde tilstrækkelig elektrisk energi, når de oplades, til at selvantænde, hvis der pludselig opstår en fejl. I disse tilfælde er de-rating og enhedsscreening særligt vigtige.
2. Nedregulering af spænding: For at øge pålideligheden i steady-state (markant) skal du de-rate enheder med halvdelen fra nominel spænding, og så meget som 70%, når seriemodstanden er ekstremt lav, i størrelsesordenen 0,01 ohm pr. påtrykt volt eller mindre. Hvis strømmen er eksternt begrænset, kan så lidt som 20% de-rating være tilstrækkeligt. Der anbefales en yderligere (sammensat) de-rating faktor for temperatur, der stiger lineært fra 0 ved 85°C til 33% ved 125°C, selvom produktserier til høj temperatur kan variere.
3. Burn-in omhyggeligt: Mange tantalfejl opstår ved første opstart af en samlet enhed, som følge af monteringsinducerede dielektriske fejl. En vellykket selvhelbredelse gennem gradvis tilførsel af spænding via en strømbegrænset kilde kan afværge nogle af disse fejl. Efterfølgende udsættelse for maksimale forventede elektriske og miljømæssige belastninger vil fungere som en prøvetest, da _{Ta/MnO2-kondensatorer}, der overlever et givet sæt belastninger én gang, sandsynligvis vil overleve dem næsten på ubestemt tid.
4. Begræns transient strøm: Strømme, der overstiger producentens angivne overspændingsgrænse, skal undgås, herunder strømme, der opstår som følge af ikke-rutinemæssige hændelser, såsom hot-plugging af batterier eller strømforsyninger, kortslutningsfejl i systemets udgange osv. Hvis der ikke findes en specifikation for overspændingsstrøm, er der foreslået en værdi _{Imax<V/ratio/}(1+ESR) .
5. Overhold grænserne for ripple-strøm/temperatur: Ripple-strømklassificeringer er typisk baseret på den mængde ripple, der kræves for at producere en given stigning i enhedens temperatur over omgivelsestemperaturen. Bortset fra tilfælde, hvor de resulterende bølgeformer ville overtræde grænserne for spænding eller overspændingsstrøm, er grænserne for ripple-strøm et spørgsmål om termisk styring. Evaluer de testbetingelser, hvorunder databladets ripple-grænsetal er specificeret, og tilpas disse grænser til de faktiske anvendelsesbetingelser.

Til polymer og vådt tantal

Når de svigter, har tantalpolymerkondensatorer en tendens til at blive en varm modstand, snarere en hurtigt ekspanderende sky af varme gasser og granatsplinter. På grund af dette og den reducerede risiko for monteringsfejl er tommelfingerreglerne for deres anvendelse en smule enklere: nedjuster spændingen med 20 %, overhold de anbefalede grænser for ripple-strøm, og følg producentens anbefalede nedjusteringsskema ved forhøjede temperaturer. For vådt tantal vil den slags anvendelser, der kan retfærdiggøre prisen på delene, sandsynligvis også kræve en detaljeret pålidelighedsanalyse af systemet på del-for-del-basis, hvilket gør tommelfingerregler mindre værdifulde, end de kan være i andre anvendelser. Derfor foreslås en standard de-rating-faktor på 20%, og brugerne rådes til at være opmærksomme på de relativt lave frekvensresponsegenskaber, der er almindelige for disse enheder.

Hvad er niobiumoxidkondensatorer?

Figur 19: En niobiumoxid-kondensator.

Apparatets konstruktion og karakteristiske træk

Niobiumoxid-kondensatorer er opbygget på samme måde som _{Ta/MnO2-enheder}(tantal og mangandioxid), men bruger sintret niobiumoxid (NbO) i stedet for tantalmetal som anodemateriale. Niobiumoxid-kondensatorer produceres hovedsageligt af AVX som et alternativ til _{Ta/MnO2-kondensatorer}, der ikke har den grimme tendens til at deflagrere ved fejl, og som også har potentiale til forbedret råmaterialeforsyningslogistik, og de konkurrerer med tantalpolymerenheder til en række forskellige anvendelser. Niobiumoxid-kondensatorer er opbygget på samme måde som _{Ta/MnO2-enheder}; anodematerialet består af en meget porøs, svampelignende masse af niobium(mon)oxid (NbO), hvorpå der er etableret et dielektrisk lag af niobium(pent)oxid (_Nb2O5), og omkring hvilket der er opbygget en modelektrode af mangandioxid, på samme måde som i de almindelige _{Ta/MnO2-enheder}. Kondensatorer baseret på niobiummetal (i stedet for oxiden NbO) og polymerelektrolytteknologier er også blevet udviklet, men produceres ikke i nogen nævneværdig mængde i skrivende stund.

Figur 20: Plot af kapacitansværdier i forhold til nominel spænding for niobiumoxidkondensatorer, der i skrivende stund er tilgængelige via DigiKey.

Hvorfor niobium?

En mangel på tantal på grund af stor efterspørgsel omkring årtusindeskiftet resulterede i, at tantal-kondensatorer var en sjælden og dyr vare i en periode, hvilket forårsagede produktionsproblemer, der motiverede udviklingen af enheder baseret på niobium. I forhold til tantal, som primært anvendes i elektronikindustrien, anslås niobium at være ca. 20 gange mere udbredt i naturen, og det anvendes også i vid udstrækning som legeringselement i stålproduktion i mængder, der er meget større, end hvad der tænkes at være nødvendigt til elektronikformål. Da der var mere af stoffet til at begynde med, og elektronikindustrien ikke var den primære aftager, mente man, at de langsigtede forsyningsudsigter for råmaterialer ville favorisere niobium frem for tantal.

Applikationens styrker og svagheder

Niobiumoxid/mangandioxid-kondensatorer har en betydelig fordel i forhold til deres tantal-slægtninge, idet de generelt ikke antændes, når de fejler katastrofalt. Det skyldes, at der skal meget mere energi til at antænde niobiumoxid sammenlignet med tantal, samt en sekundær selvhelbredende effekt, hvor niobiumoxid-anodematerialet, der er eksponeret på et fejlsted, oxideres yderligere til en mindre ledende tilstand. Mellem de to effekter siges det, at niobiumoxidkondensatorer, der oplever katastrofale fejl, opfører sig som en højimpedans-kortslutning i Kohm-området; en værdi, der er høj nok til at forhindre de resulterende fejlstrømme i at levere nok energi til at antænde enheden ved nominelle spændinger. I forhold til _{Ta/MnO2-enheder} er _{NbO/MnO2-kondensatorer} i øjeblikket en smule bagud med hensyn til ydeevne, idet de er begrænset til spændinger på 10 V eller mindre, har lækstrømme, der er omtrent dobbelt så store som tantal-enhedernes, lidt lavere kapacitans pr. volumen og højere temperaturafvigelser over 85 °C. På den anden side er "bryder ikke i brand" en meget rar egenskab at have, og spørgsmålet om bedre tilgængelighed af råmaterialer giver løfte om lavere omkostninger. Selvom tantalpolymertilgangen til det pyrotekniske kondensatorproblem ser ud til at vinde større popularitet, siges niobiumoxidteknologien at bevare fordele med hensyn til langvarig levetid og miljøtolerance, især i applikationer med høj luftfugtighed. Om ikke andet er det en interessant teknologi, simpelthen fordi det at bringe emnet op med salgs- og marketingfolk, der repræsenterer de forskellige fraktioner, ser ud til at fremkalde helt forskellige perspektiver og meninger...

Overvejelser om anvendelse

Niobiumoxid-kondensatorernes antændelsesresistente karakter gør det muligt at anvende NbO-baserede enheder mere aggressivt i forhold til deres tantalbaserede modstykker. Mens tommelfingerreglen for design med _{Ta/MnO2-kondensatorer} er at de-rate spændingen med 50% (eller mere, hvis seriemodstanden er meget lav), har den førende producent af NbO-baserede enheder (AVX) foreslået, at de-rate spændingen med kun 20% er tilstrækkelig til sikker drift. Yderligere de-rating ud over disse niveauer kan forbedre den langsigtede pålidelighed for begge enhedstyper betydeligt. Da enhedens interne struktur og den faste _{MnO2-elektrolyts} termomekaniske egenskaber forbliver, rådes brugere af niobiumoxidkondensatorer til at være opmærksomme på risikoen for fejl forårsaget af samleprocessen.

Hvad er silicium- og tyndfilmskondensatorer?

Figur 21: Silicium- og tyndfilmskondensatorer i forskellige pakkeformater. (Ikke i målestok)

Apparatets konstruktion og særlige kendetegn

Silicium- og tyndfilmskondensatorer er en relativt ny type enheder, der fremstilles ved hjælp af værktøjer, metoder og materialer, som er lånt fra halvlederindustrien. Den præcise kontrol over struktur og materialer, som disse teknikker giver, gør det muligt at fremstille næsten ideelle kondensatorer med fremragende parameterstabilitet, minimal ESR og ESL, bred anvendelsestemperatur og sammenlignelig eller bedre kapacitans pr. volumen sammenlignet med de klasse 1-keramiske enheder, som de mest direkte konkurrerer med. De største ulemper er, at de er dyre, og at der er et relativt begrænset udvalg af tilgængelige kapacitansværdier. Typisk baseret på et siliciumoxid/nitrid-dielektrikum er sondringen mellem "tyndfilm" og "silicium"-kondensatorer noget af en marketingindrømmelse, selvom der findes betydelige forskelle inden for og mellem de to afhængigt af den tilsigtede anvendelse. Enheder til RF-tuning og -matching er ofte enheder med lav kapacitet og et enkelt lag, der er optimeret til parameterstabilitet og konsistens, og de findes ofte i standard JEDEC-pakningsstørrelser. I modsætning hertil tillader enheder beregnet til afkobling af strømforsyning, bredbånds DC-blokering og lignende applikationer større tolerancer til fordel for at opnå højere specifik kapacitans, og det er mere sandsynligt, at de findes i emballage, der er tilpasset avancerede monteringsmetoder som wire bonding eller indlejring i et PCB. Uanset anvendelsesformål er enheder i tyndfilms- og siliciumkondensatorfamilierne dog førsteklasses produkter og prissættes derefter, i skrivende stund for noget i retning af 5 til 5000 gange prisen for keramiske enheder med lignende kapacitans og spændingsværdier. Dele, der er designet som højpræcisionsenheder, konkurrerer for det meste med keramiske kondensatorer baseret på C0G (NPO) dielektrikum, som et alternativ med højere ydeevne til RF- og mikrobølgeapplikationer. Mens disse keramiske klasse I-enheder er ret gode og nærmer sig det ideelle efter nogle årtiers forfinelse, gør karakteristiske produktionsforskelle, at tyndfilm/silicium-enheder er lidt bedre med hensyn til konsistens på tværs af enheder og produktionspartier. Tyndfilm/silicium-kondensatorer med højere kapacitet konkurrerer mere direkte med klasse II-keramik baseret på X7R- og X8R-dielektrika til afkoblings- og bredbånds DC-blokeringsapplikationer. Til disse formål kan tyndfilm/silicium-enheder tilbyde bemærkelsesværdige fordele, såsom en betydeligt lavere dissipationsfaktor og meget bedre stabilitet af kapacitansen over temperatur og spænding.

Figur 22: Plot af kapacitansværdier i forhold til nominel spænding for silicium- og tyndfilmskondensatorer, der i skrivende stund er tilgængelige via DigiKey.

Hvad er trimmer- og variable kondensatorer?

Figur 23: Trim- og variable kondensatorer i en række forskellige stilarter og pakketyper. (Ikke i målestok)

Apparatets konstruktion og særlige kendetegn

Trimmer- og variable kondensatorer er enheder, der giver en kapacitans, som er variabel inden for et vist område, hvor forskellen mellem de to udtryk mest handler om designintention; en "trimmer"-kondensator er normalt beregnet til kun at blive justeret en håndfuld gange i løbet af sin levetid, mens en "variabel"-kondensator forventer rutinemæssig justering. Der bruges mange forskellige konstruktionstyper, men med få til ingen undtagelser er de af den elektrostatiske type og opnår deres justerbarhed ved at ændre det effektive overfladeareal mellem elektroderne, afstanden mellem dem eller måske begge dele.

Figur 24: Plot af kapacitansværdier i forhold til nominel spænding for trimmer- og variable kondensatorer, der i skrivende stund er tilgængelige via DigiKey.

Et almindeligt design ligner to små hjul på en fælles aksel, med en halvcirkel (eller lignende form) af elektrodemateriale på hver. Ved at ændre rotationsvinklen for de to "hjul" i forhold til hinanden kan den effektive kapacitans mellem dem varieres. Derudover kan man ved at ændre formen på elektroderne på hvert "hjul" skabe varierende forhold mellem rotationsjusteringsvinklen og enhedens kapacitans efter behov til en given applikation. En variation af fremgangsmåden kan involvere brug af et snekkegear eller lignende mekanisk arrangement til at variere den relative rotation af de to "hjul" for at give en højere justeringsopløsning inden for enhedens variationsområde. Andre design omfatter variable stempelkondensatorer, som fungerer ved at variere graden af overlapning mellem koncentriske cylindre, og vakuumkondensatorer, som bruger en skrue eller en anden mekanisme til at variere den mekaniske relation mellem elektrodeplader i et vakuum, som opretholdes ved hjælp af en fleksibel membran.

Almindelige anvendelser og applikationer

Trimmer- og variable kondensatorer bruges generelt til tuning og matching i RF-kredsløb. Radiomodtagere, der angiver den valgte tuningfrekvens ved at føre en mekanisk indikator forbi en skala (eller omvendt), har typisk en mekanisk forbindelse mellem indikatoren og den eller de variable kondensatorer, der bruges i tuningkredsløbet. De fleste af disse modtagere er af ældre dato eller af lavere pris/kvalitet, men moderne applikationer kan stadig indeholde trimmerkondensatorer til finjustering eller kalibrering. Variable kondensatorer (den slags, der er designet til hyppig justering) er på den anden side noget af en truet art. Brugen af alternative designteknikker, der er muliggjort af bedre fremstillingstolerancer og nyere teknologier, gør den karakteristiske klodsede, drivende, mekanisk besværlige og dyre variable kondensator til et mindre ønskværdigt designelement end alternativerne.

Almindelige fejlmekanismer/kritiske designovervejelser

De store variationer i konstruktionen af trimmer- og variable kondensatorer udelukker en længere diskussion af deres specifikke fordele og ulemper heri. Men hvis man ser på det grundlæggende princip bag en elektrostatisk kondensator, kan man ofte se en given enheds fordele ved observation; alt, hvad der påvirker dielektrikummet, elektrodegeometrien eller elektrodernes placering, vil påvirke enhedens kapacitans. For eksempel vil en luft-dielektrisk enhed udvise ændringer i kapacitans ved en given indstilling med ændringer i barometertryk, temperatur og fugtighed, fordi alle disse faktorer påvirker luftens dielektriske konstant i en lille grad. På samme måde vil en dielektrisk vakuumkondensator blive påvirket af lækage eller tab af vakuum. Fra et mekanisk perspektiv vil stivheden af den endelige samling påvirke kapacitansens stabilitet i forhold til mekaniske stød eller vibrationer, og udformningen af justeringsmekanismen vil også påvirke tendensen til afdrift over tid. Hurtigguide til kondensatorer Tabellen på næste side giver en kort oversigt over forskellige kondensatortyper og deres relative fordele, arrangeret omtrent i forhold til faldende mængde (eller stigende kvalitet) af kapacitans, som hver type tilbyder.

Figur 25: Hurtig referenceguide til kondensatorer.

Hvis du vil læse mere om kondensatorer, eller hvis du har spørgsmål, kan du besøge DigiKey TechForums kondensatorsektion.