Sopivan kondensaattoriteknologian valitseminen sovelluksen mukaan

Sovellukseen sopivan kondensaattorin valinta voi vaikuttaa merkittävästi sellaisten tuotteiden kuten puolustus-, ilmailu- ja avaruusalan, lääketieteellisen teknologian, kriittisen energiainfrastruktuurin sekä nopeiden EV-laturien virtalähteiden suorituskykyyn, luotettavuuteen ja tehokkuuteen.

Kondensaattorit ovat tärkeitä komponentteja monissa elektroniikkapiireissä, sillä ne varastoivat ja vapauttavat sähköenergiaa, suodattavat ei-toivottuja signaaleja ja suorittavat muita toimintoja. Kaikki kondensaattorit eivät kuitenkaan ole samanlaisia, ja erityyppisillä kondensaattoreilla on erilaisia ominaisuuksia, etuja ja rajoituksia.

Oikean kondensaattorityypin valinta on ratkaisevan tärkeää tuotesuunnittelussa. Kolmella yleisellä vaihtoehdolla – jotka ovat monikerroksiset keraamiset kondensaattorit (MLCC), kalvokondensaattorit ja alumiinielektrolyyttikondensaattorit – on kullakin hyvät ja huonot puolensa, ja kuhunkin luokkaan kuuluu lukemattomia variaatioita. Sopivan tyypin valinnalla varmistetaan, että lopputuotteella on riittävä energiavarasto ja että se mahtuu käytettävissä olevaan tilaan ja toimii luotettavasti halutussa käyttötarkoituksessa.

MLCC-kondensaattorit

MLCC-kondensaattorit koostuvat vuorottaisista keraamisista dielektrisistä ja metallielektrodikerroksista, jotka on pinottu ja sintrattu yhteen muodostaen kompaktin kotelon. Erilaisissa elektroniikkalaitteissa yleisesti käytettävät MLCC-kondensaattorit tarjoavat korkean kapasitanssiarvon pienessä koossa, alhaisen ekvivalenttisen sarjavastuksen (ESR), alhaisen vuotovirran, korkean taajuusvasteen ja hyvän lämpötilastabiiliuden.

MLCC-kondensaattorit sopivat sovelluksiin, joissa vaaditaan suurta tehotiheyttä, korkeaa hyötysuhdetta, alhaista kohinaa ja korkeaa luotettavuutta. Tässä luokassa on kuitenkin eroja, jotka voivat olla ratkaisevia menestyvien tuotteiden kehittämisessä:

• Erittäin luotettavat MLCC-kondensaattorit: Tarjoavat korkean luotettavuuden, alhaisen vikaantumisasteen, pitkän käyttöiän ja korkean suorituskyvyn vaativissa olosuhteissa. Nämä ominaisuudet ovat tärkeitä korkeiden vaatimusten täyttämiseksi esimerkiksi ilmailu-, avaruus- ja puolustusalalla, mukaan lukien MIL-PRF-55681-, MIL-PRF-123-, MIL-PRF-49470- ja MIL-PRF-39014-spesifikaatiot, sekä lääketieteellisissä sovelluksissa.
• Korkeajännitteiset MLCC-kondensaattorit: Toimivat yli 500 V:n ja jopa 12 kV:n jännitteillä. Ne on suunniteltu korkeajännite-erotusta vaativiin sovelluksiin, kuten virtalähteisiin, pulssigeneraattoreihin ja röntgenlaitteisiin. Niiden ominaisuuksiin kuuluvat korkea kapasitanssi, matala ESR-arvo, pieni häviökerroin ja korkea läpilyöntijännite.
• Korkean lämpötilan MLCC-kondensaattorit: Toimivat yli +125 °C:n ja jopa +250 °C:n lämpötiloissa. Ne on suunniteltu korkeaa lämpötilastabiiliutta vaativiin sovelluksiin, kuten reikäporaukseen, autokäyttöön ja teollisuuteen. Ne tarjoavat korkean kapasitanssin, matalan ESR-arvon, alhaisen lämpötilakertoimen ja ne kestävät korkeita termisiä shokkeja.

Kalvokondensaattoreiden edut

Kalvokondensaattorit sopivat suurta tehoa, korkeaa virtaa, korkeaa jännitettä ja korkeaa taajuutta vaativiin sovelluksiin, kuten tehomuunnokseen, suodatukseen, vaimennukseen ja kytkentään. Nämä kondensaattorit koostuvat ohuesta dielektrisestä materiaalikalvosta – kuten polyesteristä, polypropeenista, polykarbonaatista tai polyfenyleenisulfidista – joka on kerrostettu kahden metallielektrodin väliin, joko lieriömuotoon kierrettynä tai litteäksi pinottuna.

Kalvokondensaattorit ovat usein MLCC-kondensaattoreita suurempia ja kalliimpia, mutta ne tarjoavat korkeat kapasitanssiarvot, korkeat jänniteluokitukset, matalan ESR-arvon, pienen häviökertoimen, korkean taajuusvasteen ja pitkän käyttöiän. Tämän tekniikan etuihin kuuluvat korkeammat jänniteluokitukset, kapasitanssin lineaarinen muutos jännitteen ja lämpötilan mukaan, pietsosähköisen kohinan puuttuminen, itsekorjautumiskyky ja pitkä käyttöikä.

Kalvokondensaattoreita on useita eri luokkia, millä voi olla vaikutusta siihen, mikä niistä sopii sovellukseen:

• Metallisoidut polyesterikalvokondensaattorit käyttävät elektrodina polyesterikalvon päälle kerrostettua ohutta metallikerrosta, kuten alumiinia tai sinkkiä. Ne tarjoavat korkean kapasitanssin, matalan ESR-arvon, edullisen hinnan ja hyvät itsekorjautumisominaisuudet. Ne täyttävät yleiskäyttöisten sovellusten, kuten ohituksen, kytkennän ja erotuksen tarpeet.
• Metallisoidut polypropeenikalvokondensaattorit käyttävät elektrodina polypropeenikalvoa, jonka päällä on ohut kerros metallia, kuten alumiinia tai sinkkiä. Niille on ominaista korkea kapasitanssi, matala ESR-arvo, pieni häviökerroin, korkea taajuusvaste ja korkea stabiilisuus. Ne soveltuvat korkeatehoisiin sovelluksiin, kuten tehokertoimen korjaukseen, suodatukseen ja vaimennukseen.
• Polykarbonaattikalvokondensaattorit käyttävät dielektrisenä materiaalina polykarbonaattikalvoa. Ne tarjoavat korkean kapasitanssin, korkean jänniteluokituksen, pienen lämpötilakertoimen ja korkean luotettavuuden. Ne soveltuvat korkeaa lämpötilastabiiliutta vaativiin sovelluksiin, kuten ajoitus-, anturi- ja tarkkuuspiireihin.
• Polyfenyleenisulfidikalvokondensaattorit käyttävät dielektrisenä materiaalina polyfenyleenisulfidikalvoa. Ne tarjoavat korkean kapasitanssin, korkean lämpötilaluokituksen, matalan ESR-arvon, pienen häviökertoimen ja korkean taajuusvasteen. Ne soveltuvat esimerkiksi korkeaa suorituskykyä korkeissa lämpötiloissa vaativiin sovelluksiin, kuten autokäyttöön, teollisuuteen ja televiestintään.
• Metallisoidut paperikalvokondensaattorit luottavat dielektrisenä materiaalina metallisoituun paperikalvoon. Ne tarjoavat korkean kapasitanssin, korkean jänniteluokituksen, matalan ESR-arvon, pienen häviökertoimen ja erinomaiset itsekorjautumisominaisuudet. Ne soveltuvat korkeajännite-erotusta vaativiin sovelluksiin, kuten virtalähteisiin, pulssigeneraattoreihin ja röntgenlaitteisiin.

Alumiinielektrolyyttikondensaattorit

Alumiinielektrolyyttikondensaattorit soveltuvat korkeaa kapasitanssia, korkeaa jännitettä ja matalaa taajuutta vaativiin sovelluksiin, kuten tasaukseen, suodatukseen ja energian varastointiin.

Koska alumiinielektrolyyttikondensaattori pystyy varastoimaan suuria määriä sähköenergiaa kokoonsa nähden, sitä voidaan käyttää elektroniikkalaitteiden virtalähteiden tasaukseen. Niiden käyttöikä voi olla lyhyempi kuin MLCC- ja kalvokondensaattoreilla. Koska ne ovat polarisoituja ja niissä on positiivinen ja negatiivinen liitin, ne voivat vaurioitua, jos ne asennetaan väärinpäin. Ne voivat myös vuotaa jatkuvasti hieman virtaa, eivätkä ne ole vaihtoehtoisiin kondensaattoreihin verrattuina yhtä vakaita korkeilla taajuuksilla.

Alumiinielektrolyyttikondensaattoreita on saatavana erilaisina elektrolyyttityyppeinä, kuten nestemäisinä, kiinteinä tai hybrideinä, joilla on erilaiset suorituskyky-, stabiilius- ja luotettavuusominaisuudet:

• Nestemäisissä alumiinielektrolyyttikondensaattoreissa käytetään katodina nestemäistä elektrolyyttiliuosta. Ne tarjoavat korkean kapasitanssin, korkean jänniteluokituksen ja edullisen hinnan. Niillä on kuitenkin myös korkea ESR-arvo, korkea vuotovirta, suuri häviökerroin ja rajallinen käyttöikä. Ne soveltuvat yleiskäyttöisiin sovelluksiin, kuten tasaukseen, suodatukseen ja energian varastointiin.
• Kiinteissä alumiinielektrolyyttikondensaattoreissa käytetään katodina kiinteää elektrolyyttimateriaalia – kuten mangaanidioksidia tai sähköä johtavaa polymeeriä. Ne tarjoavat matalan ESR-arvon, alhaisen vuotovirran, pienen häviökertoimen ja pitkän käyttöiän. Niillä on kuitenkin nestemäisiä elektrolyyttikondensaattoreita alhaisempi kapasitanssi, alhaisempi jänniteluokitus ja korkeampi hinta. Ne soveltuvat korkeaa suorituskykyä vaativiin sovelluksiin, kuten hakkurivirtalähteisiin, lediohjaimiin ja audiovahvistimiin.
• Hybridialumiinielektrolyyttikondensaattoreissa käytetään katodina nestemäisen ja kiinteän elektrolyytin yhdistelmää. Ne tarjoavat tasapainon kapasitanssin, jänniteluokituksen, ESR-arvon, vuotovirran, häviökertoimen ja käyttöiän välillä. Ne soveltuvat korkeaa tehotiheyttä, korkeaa luotettavuutta ja korkeaa suorituskykyä korkeissa lämpötiloissa vaativiin sovelluksiin, kuten autokäyttöön, teollisuuteen ja televiestintään.

Toimittajan hankinta laajentaa kondensaattorivalikoimaa

Knowles ja Cornell Dubilier Electronics (CDE) ovat kaksi johtavaa kondensaattorivalmistajaa, jotka tarjoavat laajan valikoiman kondensaattoriteknologioita ja -tuotteita. Knowles osti CDE:n vuonna 2023 ja yhdisti näin kummankin yrityksen toisiaan täydentävät vahvuudet, kuten CDE:n kalvokondensaattorit ja alumiinielektrolyyttikondensaattorit sekä Knowles Precision Devices -yrityksen kalvo- ja MLCC-kondensaattorit.

Knowles tarjoaa kattavan valikoiman MLCC-kondensaattoreita standardeissa pintaliitoskoteloissa sekä nauha- tai radiaalijalkakoteloissa alle pikofaradista satoihin mikrofaradeihin jänniteluokituksilla 6,3 V – 12 kV. Knowlesin MLCC-kondensaattoreita on saatavana erilaisilla dielektrisillä materiaaleilla, joilla on erilaiset lämpötilakertoimet, dielektriset vakiot ja ikääntymisnopeudet.

Knowlesin FlexiCap™-valmistusmenetelmässä käytetään sen omaa joustavaa epoksipolymeeriterminointimateriaalia, joka levitetään tavanomaisen nikkelieristinpinnoitteen alle ja joka mahdollistaa levyn tavanomaisia kondensaattoreita suuremman taivutuksen. Sen StackiCap™-valikoima mahdollistaa piirilevyn tilatarpeen merkittävän vähentämisen vastaavaan kapasitanssiarvoon verrattuna tapauksissa, joissa piirilevytilaa on rajoitetusti; esimerkiksi tavallinen 150 nanofaradin (nF) siru käyttää 8060-koteloa, mutta nyt se on saatavana paljon pienemmässä 3640-kotelossa.

Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (kuva 1) on FlexiCap MLCC-pintaliitoskondensaattori, joka voi varastoida 0,56 mikrofaradin (µF) sähkövarauksen – toleranssilla ±10 % – ja joka on luokiteltu jopa 500 V:n jännitteelle. Se on kuuluu DC-luokiteltujen MLCC-kondensaattoreiden tuotevalikoimaan, joiden kapasitanssialue ulottuu 0,2 pikofaradista (pF) 22 mikrofaradiin ja joiden kotelokoot ovat 0402–8060.

Kuva 1: Kuvassa Knowles Syfer 2220Y5000564KXT -kondensaattori. (Kuvan lähde: Knowles)

Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 (kuva 2) on StackiCap MLCC-kondensaattori, joka voi varastoida 1 µF:n sähkövarauksen toleranssilla ±10 % ja joka on luokiteltu jännitteelle 630 V.

Kuva 2: Knowles Sifer 2220Y6300105KETWS2 -kondensaattorin ja samanlaisten MLCC-kondensaattoreiden StackiCap-kotelo. (Kuvan lähde: Knowles)

Knowles CDE tarjoaa laajan valikoiman standardimallisia ja räätälöityjä ruuviliitäntä-, kiinninapsautettavia ja piirilevylle asennettavia kondensaattoreita käytettäväksi kriittisissä sovelluksissa defibrillaattoreista ja lääketieteellisestä kuvantamisesta tutkajärjestelmiin ja suurten tietojärjestelmien UPS-varavirtalähteisiin.

CDE 477XMPL002MG19R on osa polymeeripintaliitokondensaattorien XMPL-sarjaa, joka on tarkoitettu korkeampaa jännitettä ja/tai kapasitanssia vaativiin sovelluksiin. Ne päihittävät matalan ESR-arvon ja vankkojen rippelivirtaluokitusten ansiosta suurempikokoiset pintaliitoselektrolyyttikondensaattorit ja tarjoavat pidemmän käyttöiän, paremman stabiiliuden lämpötilavaihteluissa ja matalamman ESR-arvon korkeammilla taajuuksilla. Sarjan normaali kapasitanssiarvoalue on nyt 6,8–470 µF ja maksimi käyttöjännite on 35 V_DC valukotelossa, jonka mitat ovat 7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm.

Laajaan kalvokondensaattorivalikoimaan kuuluvat CDE:n FCA-tyyppiset akryylikalvokondensaattorit, kuten FCA0805C104M-J2, tarjoavat korkeita kapasitanssiarvoja tavallisina pintaliitoskotelokokoina. Sarja tarjoaa kapasitanssialueen 0,0 µF – 1,0 µF. Ne voivat tarjota audiopiirien kytkentäkondensaattoreina särötöntä ääntä ja korkeiden taajuuksien suodatusta.

Yhteenveto

Kondensaattorit ovat erittäin tärkeitä elektroniikkakomponentteja, ja sopivan kondensaattorin valinta on ratkaisevan tärkeää tuotesuunnittelussa. Onneksi Knowles ja Cornell Dubilier Electronics tarjoavat laajan valikoiman yleistyyppejä, joista on saatavana lukuisia variaatioita, sekä erityissovelluksiin suunniteltuja erikoistyyppejä.