SEK | EUR | USD

Grundfakta: Förstå egenskaperna hos olika kondensatortyper för att använda dem på lämpligt och säkert sätt

Av Art Pini

Bidraget med av Digi-Keys nordamerikanska redaktörer

Kondensatorer är energilagrande komponenter som är väsentliga för både analoga och digitala elektroniska kretsar. De används för klockningstillämpningar, för att skapa och forma vågformer, blockera likström och vidarebefordra växelströmssignaler, filtrering och utjämning och, förstås, energilagring. Till följd av den stora mängden tillämpningar har ett överflöd av kondensatortyper uppstått, vilka använder en mängd olika plattmaterial, isolerande dielektriskt material och fysiska former. Var och en av dessa kondensatortyper är avsedd för ett specifikt tillämpningsområde. Det stora utbudet av alternativ gör att det kan ta tid att sortera igenom dem alla för att hitta det optimala valet för en konstruktion när det gäller prestanda, tillförlitlighet, livslängd, stabilitet och kostnad.

Kunskaper om egenskaperna för varje kondensatortyp krävs för att korrekt matcha kondensatorn till den avsedda kretstillämpningen. Dessa kunskaper måste täcka in kondensatorernas elektriska, fysiska och ekonomiska egenskaper.

Denna artikel beskriver de olika typerna av kondensatorer, deras egenskaper och de viktigaste kriterierna för att välja dem. Exempel från Murata Electronics , KEMET , Cornell Dubilier Electronics , Panasonic Electronics Corporation och AVX Corporation kommer att användas för att illustrera viktiga skillnader och attribut.

Vad är en kondensator?

Kondensatorn är en elektronisk komponent som lagrar energi i ett internt elektriskt fält. Det är en fundamental passiv elektronisk komponent, tillsammans med motstånd och induktorer. Alla kondensatorer består av samma grundstruktur: två ledande plattor åtskilda av en isolator - kallad dielektrikum - som kan polariseras med användning av ett elektriskt fält (figur 1). Kapacitansen är proportionell mot plattytan A och omvänt proportionell mot avståndet mellan plattorna, d.

Diagram över grundkondensator som består av två ledande plattor åtskilda av ett icke-ledande dielektrikum Figur 1: Grundkondensatorn består av två ledande plattor åtskilda av ett icke-ledande dielektrikum som lagrar energi som polariserade områden i det elektriska fältet mellan de två plattorna. (Bildkälla: Digi-Key Electronics)

Den första kondensatorn var Leyden-flaskan, som utvecklades 1745. Den bestod av en glasflaska fodrad med metallfolie på de inre och yttre ytorna och användes ursprungligen för att lagra statiska elektriska laddningar. Benjamin Franklin använde en för att bevisa att blixtar bestod av elektricitet, vilket blev en av de tidigaste dokumenterade användningsfälten.

Kapacitansen hos en enkel parallellplattskondensator kan beräknas med hjälp av ekvation 1:

Ekvation 1 Ekvation 1

Där:

C är kapacitansen i Farad

A är plattan i kvadratmeter

d är avståndet mellan plattorna i meter

ε är permittiviteten för det dielektriska materialet

ε är lika med den relativa permittiviteten för dielektrikat, ε r , multiplicerat med vakuumpermeabiliteten ε 0 . Den relativa permittiviteten, ε r, kallas ofta den dielektriska konstanten, k.

Baserat på ekvation 1 är kapacitansen direkt proportionell mot den dielektriska konstanten och plattarean och omvänt proportionell mot avståndet mellan plattorna. För att öka kapacitansen kan plattornas yta ökas och avståndet mellan plattorna minskas. Eftersom den relativa permittiviteten för vakuum är 1 och alla dielektriska material har en relativ permittivitet större än 1, kommer också kondensatorns kapacitans öka om ett dielektrikum förs in. Kondensatorer benämns vanligtvis efter typen av dielektriskt material som används (tabell 1).

Tabell över egenskaper hos vanliga kondensatortyper Tabell 1: Egenskaper för vanliga kondensatortyper, sorterade efter dielektriskt material. (Tabellkälla: Digi-Key Electronics)

Några anteckningar om kolumnposterna:

  • Den relativa permittiviteten eller dielektricitetskonstanten hos en kondensator påverkar den maximala kapacitansen som kan uppnås för en given plattarea och given tjocklek på det dielektriska materialet.
  • Den dielektriska styrkan är en värdering av det dielektriska materialets motståndskraft mot spänningsgenombrott som en funktion av dess tjocklek.
  • Den minsta möjliga dielektriska tjockleken påverkar den maximala kapacitansen som kan uppnås, liksom kondensatorns genombrottsspänning.

Kondensatorns konstruktion

Kondensatorer finns i en mängd olika fysiska monteringskonfigurationer, inklusive axiella, radiella och ytmonterade utföranden (figur 2).

Diagram över kondensatorkonfigurationstyper omfattar axiellt, radiellt och ytmonterat utförande Figur 2: Kondensatormontering och konfigurationstyper inkluderar axiellt, radiellt och ytmonterat utförande. Ytmontering används idag mycket ofta. (Bildkälla: Digi-Key Electronics)

Den axiella konstruktionen är baserad på växelvisa lager av metallfolie och dielektrikum, eller ett dielektriskt material som är metalliserat på båda sidor och rullat till en cylindrisk form. Anslutningar till de ledande plattorna kan ske via en införd tunga eller ett runt ledande ändlock.

Den radiella typen består vanligtvis av växelvisa metall- och dielektrikumskikt. Metallskikten är överbryggade i ändarna. Radiella och axiella konfigurationer är avsedda för hålmontering.

Ytmonterade kondensatorer bygger också på växelvisa ledande och dielektriska skikt. Metallskikten i vardera änden är överbryggade av ett lödlock för ytmontering.

Kondensatorkretsmodell

Kretsmodellen för en kondensator innehåller alla tre passiva kretselement (figur 3).

Diagram över hur kretsmodellen för en kondensator består av de kapacitiva, induktiva och resistiva elementen Figur 3: Kretsmodellen för en kondensator består av de kapacitiva, induktiva och resistiva elementen. (Bildkälla: Digi-Key Electronics)

Kretsmodellen för en kondensator består av ett seriemotståndselement som representerar det ohmiska motståndet hos de ledande elementen tillsammans med det dielektriska motståndet. Detta kallas motsvarande eller effektiv serieresistans (ESR).

De dielektriska effekterna uppstår när AC-signaler matas till kondensatorn. Växelströmsspänningar medför att polarisationen av det dielektriska materialet ändras i varje cykel, vilket orsakar intern uppvärmning. Den dielektriska uppvärmningen är en funktion av materialet och mäts som avledningsfaktorn för det dielektriska materialet. Dissipationsfaktorn (DF) är en funktion av kondensatorns kapacitans och ESR och kan beräknas med hjälp av ekvation 2:

Ekvation 2 Ekvation 2

Där:

X C är den kapacitiva reaktansen i ohm (Ω)

ESR är motsvarande seriemotstånd (i Ω)

Dissipationsfaktorn är frekvensberoende på grund av den kapacitiva reaktansperioden och är dimensionslös; ofta uttrycks den i procent. En lägre avledningsfaktor resulterar i mindre uppvärmning och därmed lägre förlust.

Det finns ett serieinduktivt element, kallat ESL (effektiv eller motsvarande induktans). Detta representerar induktansen i ledningsbanan. Serieinduktansen och -kapacitansen ger upphov till en serieresonans. Under serieresonansfrekvensen uppvisar enheten främst kapacitivt beteende, ovanför den är enheten mer induktiv. Denna serieinduktans kan vara problematisk i många högfrekvenstillämpningar. Leverantörer minimerar induktansen genom att använda den skiktade konstruktion som visas i de radiella och ytmonterade komponentkonfigurationerna.

Det parallella motståndet representerar det dielektriska materialets isolationsmotstånd. Värdena för de olika modellkomponenterna är beroende av kondensatorkonfigurationen och de material som valts för dess konstruktion.

Keramiska kondensatorer

Dessa kondensatorer använder ett keramiskt dielektrikum. Det finns två klasser av keramiska kondensatorer, klass 1 och klass 2. Klass 1 är baserad på paraelektrisk keramik som titandioxid. Keramiska kondensatorer i denna klass har hög stabilitet, god kapacitanstemperaturkoefficient och låga förluster. På grund av sin inherenta noggrannhet används de i oscillatorer, filter och andra RF-tillämpningar.

Keramiska kondensatorer av klass 2 använder ett keramiskt dielektrikum baserat på ferroelektriska material som bariumtitanat. På grund av den höga dielektriska konstanten för dessa material erbjuder keramiska kondensatorer av klass 2 en högre kapacitans per volymenhet, men har lägre noggrannhet och stabilitet än klass 1-kondensatorer. De används för bypass- och kopplingstillämpningar där kapacitansens absoluta värde inte är kritiskt.

Murata Electronics GCM1885C2A101JA16 är ett exempel på en keramisk kondensator (figur 4). Klass 1-kondensatorn på 100 pF har 5 % tolerans, är klassad för 100 V och tillverkas i en ytmonterad konfiguration. Denna kondensator är avsedd för fordonsbruk och för temperaturer på mellan -55 och +125 °C.

Bild på Murata GCM1885C2A101JA16 100 pF keramisk, ytmonterad kondensator klass 1 Figur 4: GCM1885C2A101JA16 är en keramisk ytmonterad kondensator av klass 1 på 100 pF med 5 % tolerans och en spänningsklassning på 100 V. (Bildkälla: Murata Electronics)

Filmkondensatorer

Filmkondensatorer använder en tunn plastfilm som dielektrikum. Ledande plattor kan implementeras antingen som folielager eller som två tunna metalliseringsskikt, ett på vardera sidan av plastfilmen. Plasten som används för det dielektriska materialet bestämmer kondensatorns egenskaper. Filmkondensatorer finns i många former:

Polypropylen (PP): Dessa har särskilt god tolerans och stabilitet med låg ESR och ESL och hög genombrottsspänning. På grund av det dielektriska materialets temperaturgränser är de endast tillgängliga som komponenter med ledarben. PP-kondensatorerna används i tillämpningar i kretsar där hög effekt eller hög spänning finns, såsom strömförsörjning för switchade strömförsörjningar, ballastkretsar, högfrekventa urladdningskretsar och i ljudsystem där deras låga ESR och ESL är av stor vikt för integritet på signalen.

Polyetylentereftalat (PET): Dessa kallas även polyester- eller mylarkondensatorer och är de mest volumetriskt effektiva av filmkondensatorerna på grund av deras högre dielektriska konstant. De används vanligtvis i utförande med radiella ledarben. De används för allmänna kapacitiva tillämpningar.

Polyfenylensulfid (PPS): Dessa kondensatorer tillverkas endast som komponenter med metalliserad film. De har särskilt god temperaturstabilitet och används därför i kretsar som kräver god frekvensstabilitet.

Ett exempel på PPS-filmkondensator är ECH-U1H101JX5 från Panasonic Electronics Corporation. Komponenten på 100 pF har en tolerans på 5 %, är klassad för 50 volt och levereras i utförande för ytmontering. Den har ett driftstemperaturområde på -55 till 125 °C och är avsedd för allmänna elektroniktillämpningar.

Polyetennaftalat (PEN): Liksom PPS-kondensatorerna finns dessa endast i utförande med metalliserad film. De har hög temperaturtolerans och finns i ytmonterat utförande. Tillämpningar är framförallt sådana som involverar hög temperatur och hög spänning.

Polytetrafluoroeten (PTFE) eller teflonkondensatorer är kända för sin höga temperatur och höga spänningstolerans. De tillverkas i både metalliserat utförande och i konstruktion med folie. PTFE-kondensatorer finner man mestadels i tillämpningar som kräver exponering för höga temperaturer.

Elektrolytkondensatorer

Elektrolytkondensatorer är anmärkningsvärda för sina höga kapacitansvärden och hög volymetriska effektivitet. Detta uppnås genom att använda en flytande elektrolyt som en av dess plattor. En elektrolytkondensator i aluminium består av fyra separata skikt: en aluminiumfoliekatod, en elektrolytindränkt pappersavskiljare, en aluminiumanod som har behandlats kemiskt för att bilda ett mycket tunt aluminiumoxidskikt och slutligen en annan pappersavskiljare. Denna sammansättning rullas sedan ihop och stoppas i en förseglad metallburk.

Elektrolytkondensatorer är polariserade likströmskomponenter, vilket innebär att den pålagda spänningen måste matchas till rätt plus- och minuspol. Om elektrolytkondensatorn inte ansluts korrekt kan det orsaka explosion, även om kapslingarna har tryckavlastande membran för att hantera reaktionen och minimera risken för skador.

De huvudsakliga fördelarna med den elektrolytiska kondensatorn är höga kapacitansvärden, liten storlek och relativt låg kostnad. Kapacitansvärdena har ett brett toleransområde och relativt höga läckströmmar. De vanligaste tillämpningarna för elektrolytkondensatorer är som filterkondensatorer i både linjära och switchade strömförsörjningar (Figur 5).

Bild av exempel på elektrolytkondensatorer på 10 µF Figur 5: Exempel på elektrolytkondensatorer. Alla har en kapacitans på 10 µF. (Bildkälla: Kemet och AVX Corp.)

Med hänvisning till figur 5, från vänster till höger, ESK106M063AC3FA från Kemet är en aluminiumelektrolytkondensator på 10 µF, 63 V (20 %)med radiella ledarben. Den kan användas vid temperaturer upp till 85 °C och har en livslängd på 2000 timmar. Den är avsedd för allmänna elektrolytiska tillämpningar inklusive filtrering, avkoppling och förbikoppling.

Ett alternativ till aluminiumelektrolytkondensatorn är aluminiumpolymerkondensatorn som ersätter den flytande elektrolyten med en fast polymerelektrolyt. Polymeraluminiumkondensatorn har lägre ESR än elektrolytisk aluminium och har en längre livslängd. Liksom alla elektrolytkondensatorer är de polariserade och kan användas i nätaggregat som filter- och avkopplingskondensatorer.

Kemets A758BG106M1EDAE070 är en 10 µF, 25 V, aluminiumpolymerkondensator med radiella ledarben och med längre livslängd och större stabilitet över ett stort temperaturområde. Den är avsedd för industriella och kommersiella användningsområden som mobiltelefonladdare och medicinsk elektronik.

Tantalkondensatorer är en annan form av elektrolytkondensator. I detta fall bildas ett lager av tantaloxid kemiskt på tantalfolie. Deras volymetriska effektivitet är bättre än en elektrolytisk aluminium, men de maximala spänningsnivåerna är i allmänhet lägre. Tantalkondensatorer har lägre ESR och högre temperaturtolerans än aluminiumelektrolytiska, vilket innebär att de bättre tål lödningsprocessen.

Kemet T350E106K016AT är en 10 µF, 10 %, 16 V tantalkondensator med radiella ledarben. Den erbjuder fördelarna med liten storlek, lågt läckage och låg avledningsfaktor för filtrering, bypass, växelströmskoppling och klockningsfunktioner.

Den sista typen av elektrolytkondensatorer är elektrolytisk nioboxid. Niobelektrolytkondensatorn utvecklades under en brist på tantal och ersätter tantal med niob och niobpentoxid som elektrolyt. På grund av sin högre dielektriska konstant blir den kompaktare per kapacitansenhet.

Ett exempel på elektrolytisk nioboxid är NOJB106M010RWJ från AVX Corp. Detta är en 10 µF, 20 %, 10 V kondensator i ytmonterat utförande. Precis som elektrolytiskt tantal används det för filtrering, förbikoppling och AC-koppling.

Glimmerkondensatorer

Glimmerkondensatorer (mestadels silverglimmer) kännetecknas av snäv kapacitanstolerans (± 1 %), låg temperaturkoefficient för kapacitans (vanligtvis 50 ppm/°C), exceptionellt låg avledningsfaktor och en låg kapacitansvariation med pålagd spänning. Den täta toleransen och den höga stabiliteten gör att de passar RF-kretsar. Det glimmerdielektriska materialet är försilvrat på båda sidorna för att ge ledande ytor. Glimmer är ett stabilt mineral som inte interagerar med de vanligaste elektroniska föroreningarna.

Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F är en 100 pF, 5 %, 500 V glimmerkondensator i ytmonterat utförande (figur 6). Den används i RF-tillämpningar som MR, mobilradio, effektförstärkare och oscillatorer. De är temperaturklassade för att fungera inom intervallet -55 till 125 °C.

Bild av Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F är en ytmonterad glimmerkondensator Figur 6: Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F är en ytmonterad glimmerkondensator avsedd för RF-applikationer. (Bildkälla: Cornell Dubilier Electronics)

Sammanfattning

Kondensatorer är en viktig komponent i elektronikkonstruktioner. Under åren har ett brett utbud av komponenttyper utvecklats med olika egenskaper som gör vissa kondensatorteknologier särskilt lämpade för specifika tillämpningar. För konstruktörer är det bra att skaffa sig en god arbetskunskap om olika typer, utföranden och specifikationer för att säkerställa ett optimalt val för en given tillämpning.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Art Pini

Arthur (Art) Pini arbetar som skribent på Digi-Key Electronics. Han har en kandidatexamen i elteknik på City College i New York och en master i elteknik från City University i New York. Arthur har mer än 50 års erfarenhet inom elektronik och har innehaft nyckelroller inom konstruktion och marknadsföring på Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek och Nicolet Scientific. Han är intresserad av mätteknik och har lång erfarenhet av oscilloskop, spektrumanalysatorer, arbiträra vågformsgeneratorer, digitaliserare och effektmätare.

Om utgivaren

Digi-Keys nordamerikanska redaktörer