Výběr správného typu kondenzátoru ke konkrétní aplikaci není jednoduché, jelikož je nutné splnit požadavky na výkon, spolehlivost, životnost, stabilitu a náklady na celý design. Tento článek popisuje různé typy kondenzátorů, jejich vlastnosti a klíčová kritéria pro jejich výběr. Pro ukázku rozdílů jsou použity příklady kondenzátorů od společnosti Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation a AVX Corporation.
Co je to kondenzátor?
Kondenzátory se řadí mezi základní elektronické pasivní součástky stejně jako rezistory a induktory. Každý kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek (elektrod) oddělených nevodivým materiálem nazývaným dielektrikum, které lze polarizovat pomocí elektrického pole (obrázek 1). Kapacita kondenzátoru je přímo úměrná k ploše elektrody A a nepřímo úměrná ke vzdálenosti mezi elektrodami d.
Obrázek 1: Kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek oddělených nevodivým dielektrikem, které je schopno ukládat energii. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Prvním kondenzátorem byla Leydenova nádoba vyvinutá v roce 1745. Tento kondenzátor se skládal ze skleněné nádoby vyložené kovovou fólií na vnitřním a vnějším povrchu. Benjamin Franklin použil jeden tento kondenzátor k prokázání toho, že blesk je elektřina. Kapacitu deskového kondenzátoru lze vypočítat pomocí rovnice 1:
Rovnice 1
C je kapacita ve Faradech
A je plocha elektrody v metrech čtverečních
d je vzdálenost mezi elektrodami v metrech
ε je permitivita dielektrického materiálu
Permitivita ε se rovná relativní permitivitě dielektrika εr vynásobené permitivitou vakua ε0. Relativní permitivita εr se často označuje jako dielektrická konstanta k.
Z rovnice 1 je zřejmé, že kapacita je přímo úměrná dielektrické konstantě a ploše elektrody a nepřímo úměrná vzdálenosti mezi elektrodami. Zvýšení kapacity lze dosáhnout zvětšením plochy elektrod nebo zmenšením vzdálenosti mezi elektrodami. Protože relativní permitivita vakua je 1, tak všechna dielektrika mají relativní permitivitu větší než 1. Z toho vyplývá, že vložením dielektrika mezi elektrody se zvýší kapacita kondenzátoru. Kondenzátory jsou obecně označovány typem použitého dielektrického materiálu (tabulka 1).
Tabulka 1: Charakteristiky běžných typů kondenzátorů seřazených podle použitého dielektrického materiálu. (Zdroj tabulky: Digi-Key Electronics)
Několik poznámek k jednotlivým vlastnostem:
- Relativní permitivita nebo také dielektrická konstanta kondenzátoru ovlivňuje maximální hodnotu kapacity dosažitelnou pro danou plochu elektrody a tloušťku dielektrika.
- Dielektrická pevnost je fyzikální pojem vyjadřující odolnost materiálů vůči elektrickému poli v závislosti na jeho tloušťce
- Minimální dosažitelná dielektrická tloušťka ovlivňuje maximální kapacitu, kterou lze dosáhnout. Tato vlastnost kondenzátoru souvisí s průrazným napětím kondenzátoru.
Konstrukce kondenzátoru
Kondenzátory jsou vyráběny v různých velikostech a různou možností montáže - axiální, radiální nebo pro povrchovou montáž (obrázek 2).
Obrázek 2: Kondenzátory jsou vyráběny pro axiální, radiální a pro povrchovou montáž. V současné době je velmi často používána varianta pro povrchová montáž. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Axiální typ se skládá ze střídajících se kovových a dielektrických vrstev nebo z pokoveného dielektrika válcového tvaru. Připojení k vodivým elektrodám je provedeno pomocí zasunutého jazýčku nebo kruhového vodivého ukončení. Radiální typ se obvykle skládá také ze střídajících se kovových a dielektrických vrstev. Kovové vrstvy jsou na koncích spojeny. Radiální a axiální konfigurace jsou určeny pro montáž do průchozích otvorů tzv. Through Hole montáž. Kondenzátory pro povrchovou montáž se skládá také z vodivých a dielektrických vrstev. Kovové vrstvy jsou na každém konci spojeny pájecí čepičkou určenou pro povrchovou montáž (SMD).
Elektrický model kondenzátoru
Elektrický model kondenzátoru obsahuje všechny tři pasivní prvky (obrázek 3).
Obrázek 3: Elektrický model kondenzátoru se skládá z kapacitních, indukčních a odporových prvků. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)
Elektrický model kondenzátoru se skládá z řady odporových prvků, která představuje ohmický odpor vodivých prvků spolu s dielektrickým odporem. Tomu se říká ekvivalentní nebo efektivní sériový odpor (ESR).
Střídavé napětí způsobuje, že se polarizace dielektrika mění v každém cyklu. To způsobuje vnitřní zahřívání. Dielektrický ohřev je vlastnost materiálu a značí se jako ztrátový činitel dielektrika. Ztrátový činitel (DF) je funkcí kapacity kondenzátoru a ESR a lze ho vypočítat pomocí rovnice 2:
Rovnice 2
XC je kapacitní reaktance v Ω
ESR je ekvivalentní sériový odpor v Ω
Ztrátový činitel je frekvenčně závislý díky kapacitní reaktanci a vyjadřuje se v procentech. Nižší ztrátový činitel má za následek menší zahřívání, a tím i nižší ztráty.
Sériový indukční prvek se nazývá efektivní nebo také ekvivalentní sériová indukčnost (ESL). Ta představuje indukčnost vodivé cesty. Sériová indukčnost a kapacita vedou k sériové rezonanci. Pod sériovou rezonanční frekvenci vykazuje kondenzátor primárně kapacitní chování, nad ní více indukční. Tato sériová indukčnost může být problematická v mnoha vysokofrekvenčních aplikacích. Potlačení indukčnosti dochází pomocí vrstvené konstrukce, která se používá například v radiálním či SMD typu kondenzátoru.
Paralelní odpor představuje izolační odpor dielektrika. Hodnoty výše zmíněných vlastností závisí na konstrukci kondenzátoru a na použitých materiálech.
Keramické kondenzátory
Tyto kondenzátory používají keramické dielektrikum. Existují dvě třídy keramických kondenzátorů. Třída 1 je založena na para-elektrické keramice, jako je oxid titaničitý. Keramické kondenzátory této třídy mají vysokou úroveň stability, dobrý teplotní koeficient kapacity a nízké ztráty. Používají se v oscilátorech, filtrech a dalších RF aplikacích.
Keramické kondenzátory třídy 2 používají keramické dielektrikum na bázi ferroelektrických materiálů, jako je titaničitan barnatý. Kvůli vysoké dielektrické konstantě těchto materiálů nabízejí keramické kondenzátory třídy 2 vyšší kapacitu na jednotku objemu, ale mají nižší přesnost a stabilitu než kondenzátory třídy 1. Používají se pro bypass a coupling aplikace, kde absolutní hodnota kapacity není tak důležitá.
Příklad keramického kondenzátoru je GCM1885C2A101JA16 od společnosti Murata Electronics (obrázek 4). Kondenzátor o kapacitě 100 pF třídy 1 má toleranci kapacity 5%, je dimenzován na 100 V a je určen pro povrchovou montáž. Tento kondenzátor je určen pro automobilové aplikace s teplotním rozsahem -55 °C až +125 °C.
Obrázek 4: GCM1885C2A101JA16 je keramický kondenzátor třídy 1 o kapacitě 100 pF s tolerancí 5% a jmenovitým napětím 100 V. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)
Svitkové kondenzátory
Svitkové kondenzátory používají jako dielektrikum tenkou plastovou fólii. Vodivé elektrody jsou realizovány buď jako foliové vrstvy nebo jako dvě tenké vrstvy pokovení, jedna na každé straně plastové fólie. Plast použitý pro dielektrikum určuje vlastnosti kondenzátorů.
Polypropylen (PP): Mají obzvláště dobrou toleranci a stabilitu kapacity s nízkým ESR a ESL a vysokým průrazným napětím. Vzhledem k teplotním limitům dielektrika jsou k dispozici pouze jako vývodové. Kondenzátory PP nacházejí uplatnění v obvodech, kde se setkáváme s vysokým výkonem nebo vysokým napětím, jako jsou spínané napájecí zdroje, předřadníky, vysokofrekvenční výbojové obvody a v audio systémech, kde jejich nízké ESR a ESL jsou ceněny pro integritu signálu.
Polyetylén tereftalát (PET): Tyto kondenzátory, nazývané také polyesterové nebo mylarové, mají největší kapacitu na objem ze všech svitkových kondenzátorů. Je do dáno vyšší dielektrické konstantě. Obvykle se vyrábějí jako radiální. Jejich použití není ničím výjimečným, a tak se používají všeobecně.
Polyfenylen sulfid (PPS): Tyto kondenzátory se vyrábějí pouze s metalizovanou fólií. Mají zvláště dobrou teplotní stabilitu, a proto se používají v obvodech, které vyžadují dobrou frekvenční stabilitu. Příkladem takového svitkového kondenzátoru je ECH-U1H101JX5 od společnosti Panasonic Electronics Corporation. Kondenzátor s kapacitou 100 pF má toleranci 5%, je dimenzován na 50 V a je učen pro povrchovou montáž. Jeho rozsah provozních teplot se pohybuje od -55 °C do 125 °C a je určen pro obecné aplikace v elektronice.
Polyethylen naftalát (PEN): Stejně jako kondenzátory PPS se vyrábí pouze v provedení s metalizovanou fólií. Mají vysokou teplotní stabilitu a jsou k dispozici pro povrchovou montáž. Jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují odolnost vůči vysoké teplotě a vysokému napětí.
Polytetrafluorethylenové (PTFE) neboli teflonové kondenzátory se vyznačují dobrou tolerancí, teplotní stabilitou a jsou vvhodné ro vysoké napětí. Vyrábí se v metalizované i fóliové konstrukci. Kondenzátory PTFE se většinou nacházejí v aplikacích s vysokou teplotou.
Elektrolytické kondenzátory
Elektrolytické kondenzátory se vyznačují vysokou kapacitou a vysokou objemovou účinností. Toho je dosaženo použitím kapalného elektrolytu jako jedné z jeho elektrod. Hliníkový elektrolytický kondenzátor obsahuje čtyři oddělené vrstvy: katodu z hliníkové fólie; papír nasáklý elektrolytem; hliníkovou anodu, která byla chemicky upravena tak, aby vytvořila velmi tenkou vrstvu oxidu hlinitého; a nakonec další papír. Tato sestava se poté svine a umístí do zapečetěného kovového válce.
Elektrolytické kondenzátory jsou polarizované součástky. To znamená, že napětí musí být přivedeno na kladnou a zápornou svorku. Nesprávné připojení elektrolytického kondenzátoru může způsobit výbuch, i když pouzdro obsahuje membrány pro odlehčení tlaku, které snižují riziko poškození.
Hlavními výhodami elektrolytického kondenzátoru je vysoká hodnota kapacity, malá velikost a relativně nízké náklady. Nejběžnějšími aplikacemi pro elektrolytické kondenzátory jsou filtrační obvody v lineárních a spínaných zdrojích (obrázek 5).
Obrázek 5: Příklady elektrolytických kondenzátorů; všechny mají kapacitu 10 µF. (Zdroj obrázku: Kemet a AVX Corp.)
Na obrázku 5 jsou vyobrazeny zleva doprava následující typy kondenzátorů. Elektrolytický hliníkový kondenzátor ESK106M063AC3FA od společnosti Kemet s kapacitou 10 μF, 20%, 63 V, radiálně vedený. Může být provozován při teplotách do 85 °C a má životnost 2 000 hodin. Je určen pro všeobecné použití, včetně filtračních, oddělovacích a bypassových aplikacích.
Alternativou k hliníkovému elektrolytickému kondenzátoru je hliníkový polymerní kondenzátor, který má nahrazen kapalný elektrolyt pevným polymerním elektrolytem. Polymerní hliníkový kondenzátor má nižší ESR než elektrolytický a má delší životnost. Jsou určeny pro aplikace v napájecích zdrojích jako filtrační a oddělovací kondenzátory.
Hliníko-polymerový kondenzátor Kemet A758BG106M1EDAE070 s kapacitou 10 µF, 25 V, radiální, s delší životností a větší stabilitou v širokém rozsahu teplot. Je určen pro průmyslové a komerční aplikace, jako jsou nabíječky mobilních telefonů a lékařská elektronika.
Tantalové kondenzátory jsou další formou elektrolytického kondenzátoru. V tomto případě se na tantalové fólii chemicky vytvoří vrstva oxidu tantalu. Jejich objemová účinnost je lepší než u elektrolytického hliníku, ale maximální úrovně napětí jsou obecně nižší. Tantalové kondenzátory mají nižší ESR a vyšší teplotní toleranci než hliníkové elektrolytické kondenzátory. To znamená, že lépe odolávají procesu pájení.
Dalším je radiální tantalový kondenzátor Kemet T350E106K016AT s kapacitou 10 μF, 10%, 16 V. Má malé rozměry nízký ztrátový činitel a díky tomu je vhodný pro filtrování, bypass, coupling a časování.
Konečným typem elektrolytického kondenzátoru je kondenzátor s oxidem niobičitý. Byl vyvinut kvůli nedostatku tantalu. Díky své vyšší dielektrické konstantě nabízí menší velikost na jednotku kapacity.
Příkladem elektrolytického kondenzátoru s oxidem niobu je NOJB106M010RWJ od AVX Corp. Jedná se o kondenzátor s kapacitou 10 μF, 20%, 10 V a je určen pro povrchovou montáž. Stejně jako tantalový elektrolyt se používá pro filtrování, bypass a AC coupling.
Slídové kondenzátory
Slídové kondenzátory (většinou stříbrná slída) se vyznačují tolerancí kapacity ± 1%, nízkým teplotním koeficientem kapacity (typicky 50 ppm / °C), nízkým ztrátovým činitelem a malou změnou kapacity. Díky malé toleranci kapacity a vysoké stabilitě jsou vhodné pro vysokofrekvenční obvody. Slídové dielektrikum je na obou stranách postříbřeno.
MC12FD101J-F od společnosti Cornell Dubilier Electronics je slídový kondenzátor s kapacitou 100 pF, 5%, 500 V a je určen pro povrchovou montáž (obrázek 6). Používá se v RF aplikacích jako MRI, mobilní rádia, výkonové zesilovače a oscilátory. Jsou schopny pracovat v teplotním rozsahu od -55 °C do 125 °C.
Obrázek 6: Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F je slídový kondenzátor pro povrchovou montáž určený pro RF aplikace. (Zdroj obrázku: Cornell Dubilier Electronics)
Závěr
Kondenzátor je základní součástkou elektronického designu. V průběhu let byla vyvinuta široká škála typů kondenzátorů s různými vlastnostmi, které jsou vhodné pro konkrétní typ aplikace.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Art Pini.
Komentáře
Správné a bezpečné použití různých typů kondenzátorů
Dobrý den,
Děkuji za stučný obsah.
S pozdravem
Martin Vydra