Dobór technologii kondensatora do aplikacji

Kondensatory są niezbędnymi komponentami w wielu obwodach elektronicznych, ponieważ magazynują i uwalniają energię elektryczną, odfiltrowują niepożądane sygnały i pełnią inne funkcje. Jednak nie wszystkie kondensatory są sobie równe, a różne typy kondensatorów mają różne właściwości, zalety i ograniczenia.

Wybór odpowiedniego typu kondensatora ma kluczowe znaczenie w projektowaniu produktu. Trzy popularne opcje - wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC), kondensatory foliowe lub kondensatory aluminiowe elektrolityczne - mają swoje zalety i wady. W każdej kategorii istnieje mnóstwo wariantów. Dzięki wyborowi odpowiedniego typu można uzyskać pewność, że produkt końcowy zmagazynuje wystarczającą ilość energii, zmieści się w dostępnej przestrzeni oraz będzie działać niezawodnie w przewidzianym zastosowaniu.

Omówienie wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC)

Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) składają się z naprzemiennych warstw dielektryka ceramicznego i elektrod metalowych, ułożonych piętrowo i spiekanych razem, tworząc kompaktową obudowę. Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) są szeroko stosowane w wielu urządzeniach elektronicznych i charakteryzują się wysokimi wartościami pojemności przy niewielkich rozmiarach, niską równoważną rezystancją szeregową (ESR), niskim prądem upływu, wysoką odpowiedzią częstotliwościową i dobrą stabilnością temperaturową.

Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) są odpowiednie do zastosowań wymagających wysokiej gęstości mocy, wysokiej sprawności, niskich szumów i wysokiej niezawodności. Istnieją jednak różnice w tej kategorii, które mogą mieć znaczenie w opracowywaniu udanych produktów:

• Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) wysokiej niezawodności: oferują wysoką niezawodność, niski wskaźnik awaryjności, długi okres użytkowania i wysokie parametry działania w trudnych warunkach. Cechy te są ważne dla spełnienia rygorystycznych wymagań takich branż, jak lotnictwo i kosmonautyka oraz obronność, w tym specyfikacji MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 i MIL-PRF-39014, a także zastosowań medycznych.
• Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) wysokiego napięcia: pracują przy napięciach od 500V do 12kV. Są przeznaczone do zastosowań wymagających izolacji wysokiego napięcia, takich jak zasilacze, generatory impulsów i urządzenia rentgenowskie. Charakteryzują się one wysoką pojemnością, niską równoważną rezystancją szeregową (ESR), niskim współczynnikiem strat oraz wysokim napięciem przebicia.
• Wysokotemperaturowe wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC): pracują przy temperaturach od +125°C do +250°C. Są one przeznaczone do zastosowań wymagających stabilności w wysokich temperaturach, takich jak wiercenie głębinowe, motoryzacja i przemysł. Zapewniają one wysoką pojemność, niską równoważną rezystancję szeregową (ESR), niski współczynnik temperaturowy oraz wysoką odporność na wstrząsy termiczne.

Zalety kondensatorów foliowych

Kondensatory foliowe są odpowiednie do zastosowań wymagających dużej mocy, wysokiego prądu, wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości, takich jak konwersja mocy, filtrowanie, tłumienie i sprzęganie. Kondensatory te składają się z cienkiej warstwy materiału dielektrycznego - na przykład poliestru, polipropylenu, poliwęglanu lub polisiarczku fenylenu - umieszczonego pomiędzy dwiema metalowymi elektrodami, nawiniętymi w taki sposób, że tworzą element o cylindrycznym kształcie, bądź też ułożonymi płasko.

Kondensatory foliowe są często większe i droższe niż wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC), ale charakteryzują się dużą pojemnością, wysokim napięciem znamionowym, niską równoważną rezystancją szeregową (ESR), niskim współczynnikiem strat, wysoką odpowiedzią częstotliwościową i długim okresem użytkowania. Zalety tej technologii to m.in. wyższe napięcia znamionowe, liniowa zmiana pojemności wraz z napięciem i temperaturą, brak szumów piezoelektrycznych, zdolność do samonaprawy oraz długi okres użytkowania.

Istnieje kilka kategorii kondensatorów foliowych odpowiednich do różnych zastosowań:

• Metalizowane poliestrowe kondensatory foliowe wykorzystują elektrody w postaci cienkiej warstwy metalu, takiego jak aluminium lub cynk, nałożonej na folię poliestrową. Oferują one wysoką pojemność, niską równoważną rezystancję szeregową (ESR), niski koszt i dobre właściwości samonaprawiania. Spełniają one wymogi zastosowań ogólnego przeznaczenia, takich jak obejście, sprzęganie i odsprzęganie.
• Metalizowane polipropylenowe kondensatory foliowe w charakterze elektrod wykorzystują folię polipropylenową z cienką warstwą metalu, takiego jak aluminium lub cynk. Charakteryzują się one wysoką pojemnością, niską równoważną rezystancją szeregową (ESR), niskim współczynnikiem strat, dobrą odpowiedzią częstotliwościową oraz wysoką stabilnością. Są one odpowiednie do zastosowań wymagających wysokich parametrów działania, takich jak korekcja współczynnika mocy, filtrowanie i tłumienie.
• Poliwęglanowe kondensatory foliowe jako materiał dielektryczny wykorzystują folię poliwęglanową. Oferują one wysoką pojemność, wysokie napięcie znamionowe, niski współczynnik temperaturowy i wysoką niezawodność. Są one odpowiednie do zastosowań wymagających stabilności w wysokich temperaturach, takich jak obwody czasowe, pomiarowe i precyzyjne.
• Kondensatory foliowe z polisiarczku fenylenu jako materiał dielektryczny wykorzystują folię wykonaną z polisiarczku fenylenu. Oferują one wysoką pojemność, wysokie temperatury znamionowe, niską równoważną rezystancję szeregową (ESR), niski współczynnik strat oraz wysoką odpowiedź częstotliwościową. Nadają się do takich zastosowań wymagających wysokich temperatur, takich jak motoryzacja, przemysł i telekomunikacja.
• W metalizowanych papierowych kondensatorach foliowych materiałem dielektrycznym jest metalizowana folia papierowa. Oferują one wysoką pojemność, wysokie napięcie znamionowe, niską równoważną rezystancję szeregową (ESR), niski współczynnik strat oraz wysokie właściwości samonaprawy. Są odpowiednie do zastosowań wymagających izolacji wysokiego napięcia, takich jak zasilacze, generatory impulsów i urządzenia rentgenowskie.

Aluminiowe kondensatory elektrolityczne

Aluminiowe kondensatory elektrolityczne są odpowiednie do zastosowań wymagających dużej pojemności, wysokiego napięcia i niskiej częstotliwości, takich jak wygładzanie, filtrowanie i magazynowanie energii.

Dzięki możliwości przechowywania dużych ilości energii elektrycznej jak na swoje rozmiary, aluminiowe kondensatory elektrolityczne mogą być stosowane do wygładzania zasilania w urządzeniach elektronicznych. Mogą one mieć krótszą żywotność niż wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) i odpowiedniki foliowe, a ponieważ posiadają polaryzację w postaci dodatniego i ujemnego zacisku, mogą ulec uszkodzeniu w przypadku zainstalowania odwrotnie. Mogą również w sposób ciągły doznawać upływu niewielkiego prądu i nie są tak stabilne przy wysokich częstotliwościach w porównaniu z innymi rozwiązaniami.

Aluminiowe kondensatory elektrolityczne są dostępne z różnymi typami elektrolitów, takimi jak płynne, stałe lub hybrydowe, które charakteryzują się różnymi parametrami działania, stabilnością i niezawodnością:

• Katoda w aluminiowych kondensatorach ciekłoelektrolitycznych ma postać roztworu ciekłego elektrolitu. Oferują one wysoką pojemność, wysokie napięcie znamionowe i niski koszt. Jednak charakteryzują się one również wysoką równoważną rezystancją szeregową (ESR), wysokim prądem upływu, wysokim współczynnikiem strat i ograniczonym okresem użytkowania. Są one odpowiednie do zastosowań ogólnych, takich jak wygładzanie, filtrowanie i magazynowanie energii.
• W aluminiowych kondensatorach stałoelektrolitycznych rolę katody pełni stały elektrolit - na przykład dwutlenek manganu lub polimer przewodzący. Oferują one niską równoważną rezystancję szeregową (ESR), niski prąd upływu, niski współczynnik strat i długi okres użytkowania. Mają jednak również niższą pojemność, niższe napięcie znamionowe i wyższy koszt niż kondensatory z płynnym elektrolitem. Są one odpowiednie do zastosowań wymagających wysokich parametrów działania, takich jak zasilacze przełączające, sterowniki LED i wzmacniacze audio.
• Hybrydowe aluminiowe kondensatory elektrolityczne jako katodę wykorzystują kombinację elektrolitów ciekłych i stałych. Zapewniają one równowagę pomiędzy pojemnością, napięciem znamionowym, równoważną rezystancją szeregową (ESR), prądem upływu, współczynnikiem strat i trwałością. Są odpowiednie do zastosowań wymagających wysokiej gęstości mocy, wysokiej niezawodności i dobrych parametrów działania w wysokich temperaturach, takich jak motoryzacja, przemysł i telekomunikacja.

Zdobywanie nowych dostawców poszerza asortyment kondensatorów

Firmy Knowles oraz Cornell Dubilier Electronics (CDE) są wiodącymi producentami kondensatorów, oferującymi szeroką gamę technologii i produktów kondensatorowych. Firma Knowles przejęła firmę CDE w 2023 r., łącząc uzupełniające się atuty obu firm, w tym kondensatory foliowe i kondensatory aluminiowe elektrolityczne firmy CDE oraz kondensatory foliowe i wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) firmy Knowles Precision Devices.

Firma Knowles oferuje rozbudowane portfolio wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC) w standardowych obudowach do montażu powierzchniowego oraz obudowach z odprowadzeniami taśmowymi lub promieniowymi o mocy rzędu od pikofaradów do setek mikrofaradów, o napięciach znamionowych od 6,3V do 12kV. Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) firmy Knowles są dostępne w wykonaniu z różnych materiałów dielektrycznych o różnych współczynnikach temperaturowych, stałych dielektrycznych i szybkościach starzenia.

Firma Knowles stosuje zastrzeżone podejście produkcyjne FlexiCap™, czyli elastyczny materiał zakończeń z polimeru epoksydowego, nakładany pod zwykłym niklowym wykończeniem barierowym, który pozwala na wygięcie płytki w większym stopniu niż w przypadku konwencjonalnych kondensatorów. Asortyment StackiCap™ pozwala na znaczne zmniejszenie powierzchni zajmowanej na płytce drukowanej przy zachowaniu równoważnej wartości pojemności w przypadkach, gdy przestrzeń na płytce jest na wagę złota; na przykład standardowy mikroukład 150nF w obudowie 8060 jest dostępny w znacznie mniejszym rozmiarze 3640.

Wielowarstwowy kondensator ceramiczny (MLCC) FlexiCap 2220Y5000564KXT firmy Knowles Syfer do montażu powierzchniowego (ilustracja 1) może przechowywać ładunek elektryczny o pojemności 0,56µF - z tolerancją ±10% - i jest przeznaczony do pracy przy napięciach do 500V. Należy on do grupy wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC) w zakresie od 0,2pF do 22µF przeznaczonych dla prądu stałego, w rozmiarach obudów od 0402 do 8060.

Wielowarstwowy kondensator ceramiczny StackiCap 2220Y6300105KETWS2 firmy Knowles Syfer (ilustracja 2) może przechowywać ładunek elektryczny o pojemności 1µF, z tolerancją ±10% i jest przeznaczony na napięcia 630V.

Firma Knowles CDE oferuje szeroki wybór standardowych i niestandardowych kondensatorów z zaciskami śrubowymi, zatrzaskowymi i montowanych na płytkach do użytku w krytycznych zastosowaniach, począwszy od defibrylatorów i obrazowania medycznego, aż po systemy radarowe i zasilacze awaryjne UPS do dużych systemów przetwarzania danych.

Polimerowy kondensator mikroelektroniczny 477XMPL002MG19R należy do serii XMPL firmy CDE, przeznaczonych do zastosowań wymagających wyższego napięcia lub pojemności. Dzięki niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) i odporności na prądy tętniące, przewyższają one parametrami działania większe części elektrolityczne do montażu powierzchniowego i zapewniają dłuższy okres użytkowania, większą stabilność przy zmianach temperatury oraz niższą równoważną rezystancję szeregową (ESR) przy wyższych częstotliwościach. Standardowe wartości pojemności tej serii wahają się obecnie od 6,8µF do 470µF, a maksymalne napięcie robocze wynosi 35V=. Omawiane urządzenia są zamknięte w obudowie o wymiarach 7,3mm x 4,3mm x 1,9mm.

W szerokiej gamie kondensatorów foliowych, akrylowe kondensatory foliowe typu FCA firmy CDE, takie jak FCA0805C104M-J2 oferują wysokie wartości pojemności w standardowych obudowach do montażu powierzchniowego. Seria ta oferuje pojemności w zakresie od 0,10µF do 1,0µF. Jako kondensatory sprzęgające w obwodach audio, mogą zapewniać dźwięk wolny od zniekształceń i filtrowanie wysokich częstotliwości.

Podsumowanie

Kondensatory są niezbędnymi komponentami elektronicznymi, a ich właściwy dobór ma kluczowe znaczenie w projektowaniu produktów. Na szczęście firmy Knowles i Cornell Dubilier Electronics zapewniają dostęp do szerokiej gamy popularnych typów w wielu wariantach, a także do typów specjalnych zaprojektowanych pod kątem konkretnych zastosowań.

Źródło: Dobór odpowiedniej technologii kondensatora do zastosowania

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!