Välj rätt kondensatorteknologi i en tillämpning

Att välja rätt kondensator för en tillämpning kan medföra en betydande skillnad i prestanda, tillförlitlighet och effektivitet för produkter som nätaggregat för försvar, flyg, medicinsk teknik, viktig energiinfrastruktur eller snabbladdare för elfordon.

Kondensatorer är viktiga komponenter i många elektroniska kretsar eftersom de lagrar och avger elektrisk energi, filtrerar bort oönskade signaler och utför andra funktioner. Alla kondensatorer är dock inte likadana, och olika typer av kondensatorer har olika egenskaper, fördelar och begränsningar.

Att välja rätt typ av kondensator är avgörande vid produktkonstruktion. Tre vanliga alternativ - keramiska flerlagerskondensatorer (MLCC), film- eller elektrolytiska aluminiumkondensatorer- har för- och nackdelar, och det finns otaliga varianter inom respektive kategori. Val av rätt typ säkerställer att slutprodukten har tillräckligt med energilagring, passar i det tillgängliga utrymmet och fungerar tillförlitligt för avsedd användning.

Argumenten för keramiska flerlagerskondensatorer

Keramiska flerlagerskondensatorer består av omväxlande lager av keramiskt dielektrikum och metallelektroder som staplats och sintrats ihop till en kompakt kapsling. Keramiska flerlagerskondensatorer används i många elektroniska enheter och har höga kapacitansvärden i små format, låg ekvivalent serieresistans (ESR), låg läckström, högt frekvensgensvar och god temperaturstabilitet.

Keramiska flerlagerskondensatorer är lämpliga i tillämpningar som kräver hög effekttäthet, hög verkningsgrad, lågt brus och hög tillförlitlighet. Det finns dock varianter inom denna kategori som kan göra skillnad när det gäller att utveckla framgångsrika produkter:

• Keramiska flerlagerskondensatorer med hög tillförlitlighet: Erbjuder hög tillförlitlighet, låg felfrekvens, lång livslängd och hög prestanda vid tuffa förhållanden. Dessa egenskaper är viktiga för att uppfylla strikta krav inom branscher som flyg- och rymdfart och försvarsindustrin, inklusive specifikationer enligt MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 och MIL-PRF-39014, samt medicintekniska tillämpningar.
• Keramiska flerlagerskondensatorer för höga spänningar: Arbetar vid spänningar över 500 V och upp till 12 kV. De är konstruerade för tillämpningar som kräver högspänningsisolering, som t.ex. nätaggregat, pulsgeneratorer och röntgenutrustning. De har hög kapacitans, låg ESR, låg förlustfaktor och hög genombrottsspänning.
• Keramiska flerlagerskondensatorer för höga temperaturer: Arbetar vid temperaturer över +125 °C, upp till +250 °C. De är konstruerade för tillämpningar som kräver stabilitet vid höga temperaturer, som t.ex. borrning i borrhål, fordonsindustri och industri. De har hög kapacitans, låg ESR, låg temperaturkoefficient och hög tålighet mot termisk chock.

Fördelar med filmkondensatorer

Filmkondensatorer är lämpliga i tillämpningar som kräver hög effekt, hög ström, hög spänning och hög frekvens, som t.ex. kraftomvandling, filtrering, urladdning och avkoppling. Kondensatorerna består av en tunn film av dielektriskt material - t.ex. polyester, polypropen, polykarbonat eller polyfenylensulfid - placerad mellan två metallelektroder, antingen lindade i en cylindrisk form eller staplade till en platt form.

Filmkondensatorer är ofta större och dyrare än keramiska flerlagerskondensatorer, men de har höga kapacitansvärden, höga märkspänningar, låg ESR, låg förlustfaktor, högt frekvensgensvar och lång livslängd. Fördelarna med tekniken är bland annat högre märkspänningar, linjär kapacitansförändring med spänning och temperatur, inga piezoelektriska störningar, självläkande förmåga och lång livslängd.

Det finns flera olika kategorier av filmkondensatorer som kan påverka vilken som är rätt i en viss tillämpning:

• Kondensatorer med film av metalliserad polyester använder ett tunt lager metall, t.ex. aluminium eller zink, som deponerats på polyesterfilmen som elektroder. De har hög kapacitans, låg ESR, låg kostnad och goda självläkande egenskaper. De uppfyller behoven för allmänna tillämpningar som förbikoppling, koppling och avkoppling.
• Kondensatorer med film av metalliserad polypropen använder en film av polypropen som elektroder med ett tunt lager av metall, t.ex. aluminium eller zink. De kännetecknas av hög kapacitans, låg ESR, låg förlustfaktor, högt frekvensgensvar och hög stabilitet. De är lämpliga för högeffektiva tillämpningar, för t.ex. effektfaktorkorrigering, filtrering och urladdning.
• Kondensatorer med film av polykarbonat använder en film av polykarbonat som dielektriskt material. De har hög kapacitans, hög märkspänning, låg temperaturkoefficient och hög tillförlitlighet. De är lämpliga för tillämpningar som kräver hög temperaturstabilitet, som t.ex. timing-, avkännings- och precisionskretsar.
• Kondensatorer med film av polyfenylensulfid använder en film av polyfenylensulfid som dielektriskt material. De har hög kapacitans, hög temperaturklassificering, låg ESR, låg förlustfaktor och högt frekvensgensvar. Lämpliga tillämpningar är sådana som kräver prestanda vid höga temperaturer, t.ex. inom fordons-, industri- och telekomsektorn.
• Kondensatorer med film av metalliserat papper förlitar sig på en film av metalliserat papper som dielektriskt material. De har hög kapacitans, hög märkspänning, låg ESR, låg förlustfaktor och självläkande egenskaper. De är lämpliga i tillämpningar som kräver högspänningsisolering, som t.ex. nätaggregat, pulsgeneratorer och röntgenutrustning.

Elektrolytiska aluminiumkondensatorer

Elektrolytiska aluminiumkondensatorer är lämpliga i tillämpningar som kräver hög kapacitans, hög spänning och låg frekvens, som t.ex. glättning, filtrering och energilagring.

En elektrolytisk aluminiumkondensator har förmågan att lagra stora mängder elektrisk energi i förhållande till sin storlek och kan därför användas för glättning i nätaggregat i elektroniska apparater. De kan ha kortare livslängd än keramiska flerlagerskondensatorer och alternativ av film, och eftersom de är polariserade med en positiv och en negativ anslutning kan de skadas om de installeras åt fel håll. De kan även läcka en liten mängd ström kontinuerlig, och är inte lika stabila vid höga frekvenser jämfört med alternativen.

Elektrolytiska aluminiumkondensatorer finns med olika typer av elektrolyt, som t.ex. flytande, fast eller hybrid, som har olika egenskaper vad gäller prestanda, stabilitet och tillförlitlighet:

• Elektrolytiska aluminiumkondensatorer med flytande aluminium använder en flytande elektrolytlösning som katod. De har hög kapacitans, hög märkspänning och låg kostnad. Men de har även hög ESR, hög läckström, hög förlustfaktor och begränsad livslängd. De är lämpliga i allmänna tillämpningar, som t.ex. glättning, filtrering och energilagring.
• Kondensatorer med fast aluminiumelektrolyt innehåller ett fast elektrolytmaterial - som t.ex. mangandioxid eller ledande polymer - som katod. De har låg ESR, låg läckström, låg förlustfaktor och lång livslängd. Men de har även lägre kapacitans, lägre märkspänning och högre kostnad än kondensatorer med flytande elektrolyt. De är lämpliga för högeffektiva tillämpningar, som t.ex. switchade nätaggregat, LED-drivkretsar och ljudförstärkare.
• Hybridvarianter av elektrolytiska aluminiumkondensatorer använder en kombination av flytande elektrolytlösning och fasta elektrolytmaterial som katod. De har en balans mellan kapacitans, märkspänning, ESR, läckström, förlustfaktor och livslängd. De är lämpliga i tillämpningar som kräver hög effekttäthet, hög tillförlitlighet och prestanda vid höga temperaturer, t.ex. inom fordons-, industri- och telekomsektorn.

Förvärv av leverantör breddar kondensatorsortimentet

Knowles och Cornell Dubilier Electronics (CDE) är två ledande tillverkare av kondensatorer med ett stort sortiment av kondensatorteknologier och produkter. Knowles förvärvade CDE 2023 och kombinerade de båda bolagens kompletterande styrkor, inklusive CDE:s filmkondensatorer och elektrolytiska aluminiumkondensatorer och Knowles Precision Devices filmkondensatorer och keramiska flerlagerskondensatorer.

Knowles har ett omfattande sortiment av keramiska flerlagerskondensatorer i ytmonterade standardkapslingar och kapslingar med band- eller radiella anslutningar, från mindre än en picofarad till hundratals mikrofarad, med märkspänningar från 6,3 V till 12 kV. Knowles keramiska flerlagerskondensatorer finns med olika dielektriska material och olika temperaturkoefficienter, dielektriska konstanter och åldringshastigheter.

Knowles tillverkningsmetod för FlexiCap™ använder ett egenutvecklat flexibelt anslutningsmaterial av epoxipolymer som appliceras under den vanliga nickelbarriären, och klarar en högre grad av böjning av kretskortet än konventionella kondensatorer. Sortimentet StackiCap™ tar upp betydligt mindre plats på kretskortet för ett likvärdigt kapacitansvärde i fall där kretskortsytan är begränsad. En standardkrets på 150 nF i 8060-format finns exempelvis i ett mycket mindre 3640-format.

Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (figur 1) är en ytmonterad keramisk flerlagers FlexiCap-kondensator som kan lagra 0,56 µF elektrisk laddning - med en tolerans på ±10 % - och är konstruerad för att klara upp till 500 V. Den är en del av ett produktsortiment likströmsklassificerade keramiska flerlagerskondensatorer från 0,2 pF till 22 µF i kapslingsstorlekar från 0402 till 8060.

Figur 1: En bild på 2220Y5000564KXT från Knowles Syfer. (Bildkälla: Knowles)

2220Y6300105KETWS2 från Knowles Syfer (figur 2) är en ytmonterad keramisk flerlagers FlexiCap-kondensator som kan lagra 1 µF elektrisk laddning - med en tolerans på ±10 % - och är konstruerad för att klara upp till 630 V.

Bild 2: Illustration av kapslingen StackiCap för 2220Y6300105KETWS2 och liknande keramiska flerlagerskondensatorer från Knowles Sifer. (Bildkälla: Knowles)

Knowles CDE har ett stort sortiment av standard- och kundanpassade skruvplintar, kondensatorer med snäppfäste och kortmontage för användning i viktiga tillämpningar, för allt från defibrillatorer och medicinsk bildbehandling till radarsystem och UPS-reservkraft för stora datasystem.

477XMPL002MG19R från CDE ingår i serien XMPL av kretskondensatorer av polymer för tillämpningar som kräver högre spänning och/eller kapacitans. Med låg ESR och robust klassificering för rippelströmmar överträffar de ytmonterade elektrolytisa kondensatorer av större storlek och ger längre livslängd, högre stabilitet vid temperaturförändringar och lägre ESR vid högre frekvenser. Standardvärdena för kapacitans går från 6,8 µF till 470 µF, med en maximal arbetsspänning på 35 V_DC i en gjuten kapsling med måtten 7,3 x 4,3 x 1,9 mm.

Bland ett omfattande sortiment av filmkondensatorer erbjuder CDE:s kondensatorer av akrylfilm av typen FCA, som t.ex. FCA0805C104M-J2, höga kapacitansvärden i standardstorlekar för ytmontering. Serien har ett kapacitansområde från 0,10 till 1 µF. Som kopplingskondensatorer i ljudkretsar kan de ge distorsionsfritt ljud och filtrering av höga frekvenser.

Sammanfattning

Kondensatorer är viktiga elektroniska komponenter och det är avgörande för produktkonstruktionen att välja rätt kondensator. Lyckligtvis ger Knowles och Cornell Dubilier Electronics tillgång till ett stort urval av vanliga typer med flera varianter, liksom specialtyper som är konstruerade för specifika tillämpningar.