Perusteet: Ymmärrä kondensaattorityyppien ominaisuudet, jotta voit käyttää niitä asianmukaisesti ja turvallisesti

Kondensaattorit ovat energian varastointilaitteita, joita ei voi välttää analogisissa eikä digitaalisissa sähköpiireissä. Niitä käytetään ajoitukseen, aaltomuodon luomiseen ja muotoiluun, tasavirran estämiseen ja vaihtovirtasignaalien kytkemiseen, suodattamiseen ja tasoittamiseen sekä tietysti energian varastointiin. Erilaisten käyttötarpeiden seurauksena on syntynyt runsaasti kondensaattorityyppejä, joissa käytetään erilaisia levymateriaaleja, eristäviä dielektrisiä materiaaleja ja fyysisiä muotoja. Jokainen näistä kondensaattorityypeistä on tarkoitettu tietylle sovellusalueelle. Laaja valikoima vaihtoehtoja tarkoittaa, että niiden kaikkien läpikäynti voi viedä aikaa optimaalisen valinnan löytämiseksi projektia varten suorituskyvyn, luotettavuuden, käyttöiän, stabiilisuuden ja kustannusten suhteen.

On tunnettava jokaisen kondensaattorityypin ominaisuudet, jotta voidaan löytää aiottuun piirisovellukseen sopiva kondensaattori. Tämän tiedon on katettava kondensaattoreiden sähköiset, fyysiset ja taloudelliset ominaisuudet.

Tässä artikkelissa kuvataan erityyppisiä kondensaattoreja, niiden ominaisuuksia ja avainkriteereitä niiden valinnalle. Keskeisiä eroja ja ominaisuuksia havainnollistetaan käyttämällä seuraavien yritysten esimerkkejä Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation ja AVX Corporation.

Mikä kondensaattori on?

Kondensaattori on elektroninen laite, joka tallentaa energiaa sisäiseen sähkökenttään. Se on passiivinen elektroninen peruskomponentti samoin kuin vastukset ja kelat. Kaikki kondensaattorit koostuvat samasta perusrakenteesta, kahdesta dielektrisellä eristeellä erotetusta sähköä johtavasta levystä, jotka voidaan polarisoida sähkökentän avulla (kuva 1). Kapasitanssi on verrannollinen levyn pinta-alaan A ja kääntäen verrannollinen levyjen väliseen etäisyyteen d.

Kuva 1: Peruskondensaattori koostuu kahdesta sähköä johtavasta levystä, jotka on erotettu ei-johtavalla dielektrisellä eristeellä. Kondensaattori varastoi energiaa polarisoituneina alueina kahden levyn välisessä sähkökentässä. (kuvan lähde: DigiKey)

Ensimmäinen kondensaattori oli Leyden-purkki, joka kehitettiin vuonna 1745. Se muodostui lasipurkista, joka oli vuorattu sisä- ja ulkopinnoilta metallikalvolla ja sitä käytettiin alun perin staattisten sähkövarauksien varastointiin. Benjamin Franklin käytti yhtä osoittaakseen salaman olevan sähköä. Tästä tuli yksi varhaisimmista tallennetuista sovelluksista.

Rinnakkaisia levyjä käyttävän peruskondensaattorin kapasitanssi voidaan laskea yhtälön 1 avulla:

 Yhtälö 1

Missä

C on kapasitanssi Faradeissa

A on levyn pinta-ala neliömetreinä

d on levyjen välinen etäisyys metreinä

ε on dielektrisen materiaalin läpäisevyys

ε on yhtä suuri kuin dielektrisen materiaalin suhteellinen permittiivisyys ε_r kerrottuna tyhjiön permittiivisyydellä ε₀. Suhteellista permittiivisyyttä ε_r kutsutaan usein dielektriseksi vakioksi k.

Yhtälön 1 perusteella kapasitanssi on suoraan verrannollinen dielektriseen vakioon ja levyn pinta-alaan ja kääntäen verrannollinen levyjen väliseen etäisyyteen. Kapasitanssin lisäämiseksi levyjen pinta-alaa voidaan kasvattaa ja levyjen välistä etäisyyttä voidaan pienentää. Koska tyhjiön suhteellinen permittiivisyys on 1 ja kaikkien dielektrisien eristeiden suhteellinen permittiivisyys on yli 1, myös dielektrisen eristeen lisäys kasvattaa kondensaattorin kapasitanssia. Kondensaattoreihin viitataan yleensä käytetyn dielektrisen materiaalin tyypin mukaan (taulukko 1).

Taulukko 1: Yleisten kondensaattorityyppien ominaisuudet, lajiteltu dielektrisen materiaalin mukaan. (Taulukon lähde: DigiKey)

Joitakin huomautuksia sarakemerkinnöistä:

• Kondensaattorin suhteellinen permittiivisyys tai dielektrinen vakio vaikuttaa kapasitanssin maksimiarvoon, joka voidaan saavuttaa käyttäen tiettyä levyn pinta-alaa ja dielektristä paksuutta.
• Läpilyöntilujuus kuvaa dielektrisen eristeen kestoa jännitteen läpilyönnille sen paksuuden funktiona.
• Pienin saavutettavissa oleva dielektrinen paksuus vaikuttaa suurimpaan saavutettavissa olevaan kapasitanssiin sekä kondensaattorin läpilyöntijännitteeseen.

Kondensaattorin rakenne

Kondensaattoreita on saatavana useissa fyysisissä asennusmuodoissa, mukaan lukien aksiaalinen, radiaalinen ja pintaliitos (kuva 2).

Kuva 2: Kondensaattorin asennus- tai konfiguraatiotyyppeihin kuuluvat aksiaalinen, radiaalinen ja pintaliitos. Pintaliitosta käytetään tällä hetkellä hyvin laajalti. (Kuvan lähde: DigiKey)

Aksiaalirakenne perustuu vuorottaisiin kerroksiin metallikalvoa ja dielektristä eristettä tai molemmin puolin metalloitua dielektristä eristettä rullattuna sylinterimäiseen muotoon. Liitännät johtaviin levyihin voivat muodostua lisätyn kaistaleen tai pyöreän sähköä johtavan päätykannen kautta.

Radiaalityyppi koostuu yleensä vuorottaisista kerroksista metallia ja dielektristä eristettä. Metallikerrokset yhdistetään päistä. Radiaaliset ja aksiaaliset mallit on tarkoitettu läpiasennusta varten.

Myös pintaliitoskondensaattorit luottavat vuorottaisiin johtaviin ja dielektrisiin kerroksiin. Metallikerrokset yhdistetään molemmissa päissä juotoshatulla pintaliitosta varten.

Kondensaattorin sijaiskytkentä

Kondensaattorin sijaiskytkentä sisältää kaikki kolme passiivista piirielementtiä (kuva 3).

Kuva 3: Kondensaattorin sijaiskytkentä koostuu kapasitiivisistä, induktiivisista ja resistiivisistä elementeistä. (Kuvan lähde: DigiKey)

Kondensaattorin sijaiskytkentä koostuu sarjassa olevasta vastuselementistä, joka edustaa sähköä johtavien elementtien ohmisia vastuksia yhdessä dielektrisen eristeen vastuksen kanssa. Tätä kutsutaan vastaavaksi tai ekvivalenttiseksi sarjaresistanssiksi (ESR).

Dielektriset vaikutukset tulevat esille kun kondensaattoriin syötetään vaihtovirtasignaaleja. Vaihtovirtajännitteet muuttavat dielektristä polarisaatiota jokaisella jaksolla ja synnyttävät sisäisesti lämpöä. Dielektrinen lämmöntuotto on materiaalin funktio ja sitä mitataan dielektrisen materiaalin häviökertoimella. Häviökerroin (DF) on kondensaattorin kapasitanssin ja ESR:n funktio ja se voidaan laskea yhtälön 2 avulla:

 Yhtälö 2

Missä

X _C on kapasitiivinen reaktanssi ohmeina (Ω)

ESR on vastaava sarjaresistanssi (yksikkönä Ω)

Häviökerroin riippuu taajuudesta kapasitiivisen reaktanssitermin takia eikä sillä ole dimensiota, vaan se ilmaistaan usein prosentteina. Alhaisempi häviökerroin johtaa pienempään lämmöntuottoon ja siten pienempään tehohäviöön.

Kondensaattoriin vaikuttaa myös sarjainduktiivinen elementti, jota kutsutaan vastaavaksi tai ekvivalenttiseksi sarjainduktanssiksi (ESL). Tämä edustaa johdon ja johtavan reitin induktanssia. Sarjainduktanssi ja kapasitanssi synnyttävät sarjaresonanssia. Sarjaresonanssitaajuuden alapuolella laite käyttäytyy pääosin kapasitiivisesti, sen yläpuolella laite on induktiivisempi. Tämä sarjainduktanssi voi olla ongelmallista monissa suurtaajuussovelluksissa. Toimittajat minimoivat induktanssia käyttämällä kerrosrakennetta, joka on esitetty radiaalisissa ja pintaliitoskomponenttimalleissa.

Rinnakkaisvastus edustaa dielektrisen materiaalin eristysresistanssia. Sijaiskytkennän komponenttien arvot riippuvat kondensaattorin konfiguraatiosta ja sen rakentamiseen valituista materiaaleista.

Keraamiset kondensaattorit

Nämä kondensaattorit käyttävät keraamista dielektristä eristettä. Keraamisia kondensaattoreita on kaksi luokkaa, luokka 1 ja luokka 2. Luokka 1 perustuu paraelektrisiin keraamisiin materialeihin kuten titaanidioksidi. Tämän luokan keraamiset kondensaattorit ovat stabiileja, niiden kapasitanssin lämpötilakerroin on hyvä ja niiden häviöt ovat alhaiset. Niiden luonnollisen tarkkuuden vuoksi niitä käytetään oskillaattoreissa, suodattimissa ja muissa RF-sovelluksissa.

Luokan 2 keraamisissa kondensaattoreissa käytetään keraamista dielektristä ainetta, joka perustuu ferrosähköisiin materiaaleihin kuten bariumtitanaatti. Näiden materiaalien korkean dielektrisen vakion vuoksi luokan 2 keraamiset kondensaattorit tarjoavat suuremman kapasitanssin tilavuusyksikköä kohti, mutta niiden tarkkuus ja stabiilius ovat alhaisemmat kuin luokan 1 kondensaattorien. Niitä käytetään ohitus- ja kytkentäsovelluksiin, joissa kapasitanssin absoluuttinen arvo ei ole kriittinen.

Murata Electronicsin GCM1885C2A101JA16 on esimerkki keraamisesta kondensaattorista (kuva 4). Luokan 1 100 pikofaradin (pF) kondensaattorin toleranssi on 5 %, sen jänniteluokitus on 100 volttia ja se on saatavana pintaliitosmallisena. Tämä kondensaattori on tarkoitettu autokäyttöön sen lämpötilaluokitus on −55 °C ... +125 °C.

Kuva 4: GCM1885C2A101JA16 on luokan 1 ja 100 pF:n keraaminen pintaliitoskondensaattori, jonka toleranssi on 5 % ja jänniteluokitus 100 volttia. (Kuvalähde: Murata Electronics)

Kalvokondensaattorit

Kalvokondensaattorit käyttävät dielektrisenä eristeenä ohutta muovikalvoa. Johtavat levyt voidaan toteuttaa joko kalvokerroksina tai kahtena ohuena metallointikerroksena, yksi muovikalvon kummallakin puolella. Dielektrisenä eristeenä käytetty muovi määrää kondensaattorien ominaisuudet. Kalvokondensaattoreita on monenlaisia:

Polypropeeni (PP): Näiden toleranssi ja stabiilius ovat erityisen hyvät, niiden ESR- ja ESL-arvot ovat alhaiset ja niiden läpilyöntijännite on korkea. Dielektrisen eristeen lämpötilarajojen vuoksi niitä on saatavana vain jalallisina. PP-kondensaattoreita käytetään piireissä, joissa esiintyy suuria tehoja tai korkeita jännitteitä, esimerkkinä hakkurivirtalähteet, virranrajoittimet, suurtaajuiset purkauspiirit ja äänentoistojärjestelmät, joissa niiden matalia ESR- ja ESL-arvoja arvostetaan signaalimuodon säilyttämiseksi.

Polyeteenitereftalaatti (PET) : Kutsutaan myös polyesteri- tai mylarkondensaattoreiksi, nämä kondensaattorit ovat tilavuudeltaan tehokkaimpia kalvokondensaattoreita niiden korkeamman dielektrisen vakion ansiosta. Niitä käytetään yleensä radiaalisten jalkojen kanssa. Niitä käytetään yleiskäyttöisiin kapasitiivisiin sovelluksiin.

Polyfenyleenisulfidi (PPS): Näitä kondensaattoreita valmistetaan vain metallisoidulla kalvolla. Niiden lämpötilastabiilisuus on erityisen hyvä, joten niitä käytetään piireissä, joissa taajuuden on oltava stabiili.

Esimerkki PPS-kalvokondensaattorista on Panasonic Electronics Corporationin ECH-U1H101JX5. 100 pF:n laitteen toleranssi on 5 %, sen jänniteluokitus on 50 volttia ja se toimitetaan pintaliitosmallisena. Sen käyttölämpötila-alue on −55 ... 125 °C ja se on tarkoitettu yleisiin elektroniikkasovelluksiin.

Polyetyleeninaftalaatti (PEN): Kuten PPS-kondensaattorit, näitä on saatavana vain metallisoidulla kalvolla. Niillä on korkea lämpötilatoleranssi ja niitä on saatavana pintaliitosmallisina. Sovellukset keskittyvät niihin, joissa vaaditaan korkeaa lämpötilaa ja korkeita jännitteitä.

Polytetrafluorieteeni- (PTFE) tai teflonkondensaattorit ovat tunnettuja siitä, että ne kestävät korkeita lämpötiloja ja korkeita jännitteitä. Niitä valmistetaan sekä metalloituina että kalvorakenteina. PTFE-kondensaattoreita käytetään enimmäkseen sovelluksissa, jotka vaaditaan korkeiden lämpötilojen kestämistä.

Elektrolyyttikondensaattorit

Merkittävää elektrolyyttikondensaattoreissa on niiden korkeat kapasitanssiarvot ja korkea tilavuushyötysuhde. Tämä saavutetaan käyttämällä nestemäistä elektrolyyttiä yhtenä sen levyistä. Alumiinielektrolyyttikondensaattori käsittää neljä erillistä kerrosta: alumiinifoliokatodi; elektrolyyttiin kastettu paperierotin; alumiinianodi, joka on kemiallisesti käsitelty muodostamaan hyvin ohut alumiinioksidikerros; ja lopuksi toinen paperierotin. Tämä kokoonpano rullataan sitten ja laitetaan suljettuun metalliseen tölkkiin.

Elektrolyyttikondensaattorit ovat polarisoituja tasavirta (DC) -laitteita, mikä tarkoittaa, että käytetty jännite on kytkettävä määrättyihin positiivisiin ja negatiivisiin napoihin. Jos elektrolyyttikondensaattorin kytketään väärin, se voi vaurioitua räjähtäen. Kondensaattorien koteloissa on kuitenkin paineenalennuskalvot, joilla hallitaan reaktiota ja minimoidaan mahdollisia vaurioita.

Elektrolyyttikondensaattorin tärkeimmät edut ovat korkeat kapasitanssiarvot, pieni koko ja suhteellisen alhaiset kustannukset. Kapasitanssiarvoilla on laaja toleranssialue ja suhteellisen suuret vuotovirrat. Elektrolyyttikondensaattoreita käytetään yleisimmin suodatinkondensaattoreina sekä lineaarisissa että hakkurivirtalähteissä (kuva 5).

Kuva 5: Esimerkkejä elektrolyyttikondensaattoreista; kaikkien kapasitanssi on 10 mikrofaradia (uF). (Kuvalähde: Kemet ja AVX Corp.)

Kuvassa 5 näytetään vasemmalta oikealle ensiksi Kemetin radiaalimallinen 10 µF:n, 20 prosentin ja 63 voltin ESK106M063AC3FA-alumiinielektrolyyttikondensaattori. Sitä voidaan käyttää jopa 85 °C:n lämpötiloissa ja sen käyttöikä on 2000 tuntia. Se on tarkoitettu yleiskäyttöisiin elektrolyyttisovelluksiin, esimerkkinä suodatus, erotus ja ohitus.

Vaihtoehto alumiinielektrolyyttikondensaattorille on alumiinipolymeerikondensaattori, jossa nestemäisen elektrolyytti korvataan kiinteällä polymeerielektrolyytillä. Polymeerialumiinikondensaattorin ESR on pienempi kuin alumiinielektrolyyttisen ja sen käyttöikä on pidempi. Kuten kaikki elektrolyyttikondensaattorit, ne ovat polarisoituja ja niitä käytetään virtalähteissä suodatin- ja erotuskondensaattoreina.

Kemetin A758BG106M1EDAE070 on 10 uF:n, 25 voltin radiaalimallinen alumiinipolymeerikondensaattori, jolla on pidempi käyttöikä ja parempi stabiilius laajalla lämpötila-alueella. Se on tarkoitettu teolliseen ja kaupalliseen käyttöön, esimerkkinä matkapuhelimen laturit ja lääketieteellinen elektroniikka.

Myös tantaalikondensaattorit ovat muodoltaan elektrolyyttikondensaattoreita. Tässä tapauksessa tantaalifolioon muodostetaan kemiallisesti tantaalioksidikerros. Niiden tilavuustehokkuus on parempi kuin alumiinielektrolyyttinen, mutta niiden maksimijännitetasot ovat yleensä matalampia. Tantaalikondensaattoreilla on alhaisempi ESR ja korkeampi lämpötoleranssi kuin alumiinielektrolyyteillä, mikä tarkoittaa, että ne kestävät paremmin juotosprosessia.

Kemetin T350E106K016AT on 10 uF:n, 10  prosentin ja 16 voltin radiaalimuotoinen tantaalikondensaattori. Sen etuihin kuuluvat pieni koko, alhainen vuotovirta ja alhainen häviökerroin ja niitä käytetään suodatus-, ohitus-, vaihtovirtakytkentä- ja ajoitussovelluksissa.

Viimeinen elektrolyyttikondensaattorityyppi on niobiumoksidi. Tantaalipulan aikana kehitetty niobiumelektrolyyttikondensaattori korvaa tantaalin niobiumilla ja käyttää elektrolyyttinä niobiumpentoksidia. Korkeamman dielektrisen vakionsa ansiosta se tarjoaa pienemmän kotelon kapasitanssiyksikköä kohti.

Esimerkkinä niobiumelektrolyyttikondensaattorista toimii AVX Corp -yrityksen NOJB106M010RWJ. Tämä on 10 µF:n, 20 prosentin ja 10 voltin kondensaattori pintaliitosmuodossa. Kuten tantaalielektrolyyttikondensaattoriakin, sitä käytetään suodatukseen sekä ohitus- ja vaihtovirtakytkentäsovelluksiin.

Kiillekondensaattorit

Kiillekondensaattoreille (pääasiassa hopeakiille) on tunnusomaista tarkka kapasitanssitoleranssi (±1 %), kapasitanssin alhainen lämpötilakerroin (tyypillisesti 50 ppm/°C), poikkeuksellisen pieni häviökerroin sekä alhainen kapasitanssimuutos käyttöjännitteen mukaan. Tarkka toleranssi ja korkea stabiilius tekevät niistä sopivia RF-piireihin. Dielektrinen kiille-eriste on hopeoitu molemmilta puolilta johtavien pintojen muodostamiseksi. Kiille on stabiili mineraali, joka ei ole reagoi yleisimpien elektronisten epäpuhtauksien kanssa.

Cornell Dubilier Electronicsin MC12FD101J-F on 100 pF:n, 5 prosentin ja 500 voltin kiillekondensaattori pintaliitosmuodossa (kuva 6). Sitä käytetään RF-sovelluksissa, esimerkkinä MRI, mobiiliradio, tehovahvistimet ja oskillaattorit. Niiden lämpötilaluokitus käsittää alueen −55 °C ... 125 °C.

Kuva 6: Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F on RF-sovelluksiin tarkoitettu pintaliitosmallinen kiillekondensaattori. (Kuvan lähde: Cornell Dubilier Electronics)

Yhteenveto

Kondensaattorit ovat tärkeä osa elektroniikkasuunnittelua. Vuosien varrella on kehitetty runsaasti erilaisia kondensaattorityyppejä. Näillä on erilaiset ominaisuudet, mikä tekee joistakin kondensaattoriteknologioista erityisen sopivia tiettyihin sovelluksiin. Suunnittelijoiden kannattaa hankkia hyvä käytännöllinen ymmärrys erilaisista tyypeistä, konfiguraatioista ja spesifikaatioista ja tällä tavoin varmistaa optimaalinen valinta kutakin sovellusta varten.