EUR | USD

Grondbeginselen: Begrijp de kenmerken van de condensatortypes om ze op een gepaste en veilige manier te gebruiken.

Door Art Pini

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Condensators zijn energieopslagapparaten die essentieel zijn voor zowel analoge als digitale elektronische schakelingen. Ze worden gebruikt in de timing, voor het creëren en vormgeven van golfvormen, het blokkeren van gelijkstroom en het koppelen van wisselstroomsignalen, het filteren en gladstrijken, en natuurlijk voor de opslag van energie. Door het brede scala aan toepassingen is er een overvloed aan condensatortypes ontstaan met behulp van een verscheidenheid aan plaatmaterialen, isolerende diëlektrica en fysieke vormen. Elk van deze condensatortypes is bedoeld voor een specifieke reeks van toepassingen. De grote verscheidenheid aan opties betekent dat het tijd kan kosten om ze allemaal te sorteren om de optimale keuze voor een ontwerp te vinden in termen van prestatiekenmerken, betrouwbaarheid, levensduur, stabiliteit en kosten.

Kennis van de eigenschappen van elk type condensator is vereist om de condensator goed af te stemmen op de beoogde circuittoepassing. Deze kennis moet betrekking hebben op de elektrische, fysische en economische eigenschappen van condensatoren.

Dit artikel beschrijft de verschillende soorten condensatoren, hun kenmerken en de belangrijkste criteria voor hun selectie. Voorbeelden van Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation, en AVX Corporation zullen worden gebruikt om belangrijke verschillen en kenmerken te illustreren.

Wat is een condensator?

De condensator is een elektronisch apparaat dat energie opslaat in een intern elektrisch veld. Het is een elementaire passieve elektronische component, samen met weerstanden en inductoren. Alle condensatoren bestaan uit dezelfde basisstructuur, twee geleidende platen, gescheiden door een isolator, het diëlektricum genaamd, die gepolariseerd kan worden met de toepassing van een elektrisch veld (Afbeelding 1). De capaciteit is evenredig met het plaatoppervlak, A, en omgekeerd evenredig met de afstand tussen de platen, d.

Schema van de basiscondensator bestaat uit twee geleidende platen, gescheiden door een niet-geleidende diëlektrischeAfbeelding 1: De basiscondensator bestaat uit twee geleidende platen, gescheiden door een niet-geleidend diëlektricum dat energie opslaat als gepolariseerde gebieden in het elektrische veld tussen de twee platen. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

De eerste condensator was de Leyden pot, ontwikkeld in 1745. Het bestond uit een glazen pot met metalen folie aan de binnen- en buitenkant en werd oorspronkelijk gebruikt om statische elektrische ladingen op te slaan. Benjamin Franklin gebruikte er een om te bewijzen dat de bliksem elektriciteit was, wat een van de vroegste geregistreerde toepassingen werd.

De capaciteit van de basisparallelle plaatcondensator kan worden berekend met behulp van Vergelijking 1:

Vergelijking 1 Vergelijking 1

met

C is de capaciteit in Farads

A is de plaatoppervlakte in vierkante meters

d is de afstand tussen de platen in meters

ε is de permittiviteit van het diëlektrische materiaal

ε is gelijk aan de relatieve permittiviteit van het diëlektricum, εr, vermenigvuldigd met de permittiviteit van een vacuüm, ε0. De relatieve permittiviteit, εr, wordt vaak aangeduid als de diëlektrische constante, k.

Op basis van vergelijking 1 is de capaciteit recht evenredig met de diëlektrische constante en de plaatoppervlakte, en omgekeerd evenredig met de afstand tussen de platen. Om de capaciteit te verhogen kan de oppervlakte van de platen worden vergroot en de afstand tussen de platen worden verkleind. Aangezien de relatieve permittiviteit van een vacuüm 1 is, en alle diëlektrica een relatieve permittiviteit hebben die groter is dan 1, zal het invoegen van een diëlektricum ook de capaciteit van een condensator verhogen. Condensatoren worden over het algemeen aangeduid met het type diëlektrisch materiaal dat wordt gebruikt (tabel 1).

Tabel met kenmerken van de gangbare typen condensatorenTabel 1: Kenmerken van gangbare condensatortypes, gesorteerd op diëlektrisch materiaal. (Tabel bron: Digi-Key Electronics))

Enkele aantekeningen bij de kolomvermeldingen:

  • De relatieve permittiviteit of diëlektrische constante van een condensator beïnvloedt de maximale waarde van de capaciteit die voor een bepaalde plaatoppervlakte en diëlektrische dikte kan worden bereikt.
  • De diëlektrische sterkte is een beoordeling van de weerstand van het diëlektricum tegen spanningsuitval als functie van de dikte.
  • De minimaal haalbare diëlektrische dikte beïnvloedt de maximale capaciteit die kan worden gerealiseerd, evenals de afbraakspanning van de condensator.

Condensatorbouw

Condensatoren zijn beschikbaar in verschillende fysieke montageconfiguraties, waaronder axiale, radiale en oppervlaktemontage (Afbeelding 2).

Diagram van de configuratietypes van de condensatoren omvatten axiale, radiale en oppervlaktemontageAfbeelding 2: Condensatorbevestiging, of configuratietypen omvatten axiale, radiale en opbouwmontage. Opbouw wordt op dit moment zeer veel gebruikt. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

De axiale constructie is gebaseerd op alternatieve lagen van metaalfolie en diëlektrische, of een diëlektrische gemetalliseerd aan beide zijden gerold in een cilindrische vorm. Verbindingen met de geleidende platen kunnen worden gemaakt via een ingestoken lipje of een ronde geleidende eindkap.

Het radiale type bestaat meestal uit afwisselend metaal en diëlektrische lagen. Metalen lagen worden aan de uiteinden overbrugd. Radiale en axiale configuraties zijn bedoeld voor montage door een gat.

Opbouwcondensatoren zijn ook afhankelijk van alternatieve geleidende en diëlektrische lagen. De metalen lagen aan elk uiteinde worden overbrugd door een soldeerdopje voor opbouwmontage.

Condensator circuitmodel

Het circuitmodel voor een condensator omvat alle drie de passieve schakelelementen (Afbeelding 3).

Schema van het circuitmodel voor een condensator bestaat uit de capacitieve, inductieve en weerstandselementenAfbeelding 3: Het circuitmodel voor een condensator bestaat uit de capacitieve, inductieve en weerstandselementen. (Bron afbeelding: Digi-Key Electronics)

Het circuitmodel van een condensator bestaat uit een serie-weerstandselement dat de ohmse weerstand van de geleidende elementen samen met de diëlektrische weerstand weergeeft. Dit wordt de equivalente of effectieve serieweerstand (ESR) genoemd.

De diëlektrische effecten treden op wanneer AC-signalen op de condensator worden toegepast. AC spanningen zorgen ervoor dat de polarisatie van het diëlektricum bij elke cyclus verandert, wat leidt tot interne opwarming. De diëlektrische verwarming is een functie van het materiaal en wordt gemeten als de dissipatiefactor van het diëlektricum. De dissipatiefactor (DF) is een functie van de capaciteit van de condensator en de ESR, en kan worden berekend met behulp van vergelijking 2:

Vergelijking 2 Vergelijking 2

met

XC is de capacitieve reactie in ohm (Ω)

ESR is de equivalente serieweerstand (in Ω)

De dissipatiefactor is afhankelijk van de frequentie vanwege de capacitieve reactietijd en is dimensieloos, vaak uitgedrukt in een percentage. Een lagere dissipatiefactor resulteert in minder opwarming en dus minder verlies.

Er is een serie-inductief element, genaamd de effectieve of equivalente serie-inductantie (ESL). Dit vertegenwoordigt lood en geleidende padinductantie. De serie-inductantie en capaciteit geven aanleiding tot een serie-resonantie. Onder de resonantiefrequentie van de serie vertoont het apparaat voornamelijk capacitief gedrag, daarboven is het apparaat meer inductief. Deze serie-inductantie kan problematisch zijn in veel hoogfrequente toepassingen. Leveranciers minimaliseren de inductantie door gebruik te maken van de gelaagde constructie die in de radiale en oppervlaktemontage componentconfiguraties wordt getoond.

De parallelle weerstand vertegenwoordigt de isolatieweerstand van het diëlektricum. De waarden van de verschillende modelcomponenten zijn afhankelijk van de configuratie van de condensator en de materialen die voor de constructie ervan zijn gekozen.

Keramische condensators

Deze condensators maken gebruik van een keramische diëlektricum. Er zijn twee klassen van keramische condensators, Klasse 1 en Klasse 2. Klasse 1 is gebaseerd op para-elektrische keramiek zoals titaniumdioxide. Keramische condensators in deze klasse hebben een hoge mate van stabiliteit, een goede temperatuurcoëfficiënt van de capaciteit en een laag verlies. Vanwege hun inherente nauwkeurigheid worden ze gebruikt in oscillators, filters en andere RF-toepassingen.

Klasse 2 keramische condensators gebruiken een keramische diëlektricum op basis van ferro-elektrische materialen zoals bariumtitanaat. Door de hoge diëlektrische constante van deze materialen bieden de klasse 2 keramische condensators een hogere capaciteit per volume-eenheid, maar hebben ze een lagere nauwkeurigheid en stabiliteit dan klasse 1 condensators. Ze worden gebruikt voor bypass- en koppelingstoepassingen waarbij de absolute waarde van de capaciteit niet kritisch is.

Murata Electronics' GCM1885C2A101JA16 is een voorbeeld van een keramische condensator (Afbeelding 4). De klasse 1 100 picoFarad (pF) condensator heeft een tolerantie van 5%, is geclassificeerd bij 100 volt en wordt geleverd in een opbouwconfiguratie. Deze condensator is bedoeld voor gebruik in de automobielindustrie met een temperatuurbereik van -55 ° tot +125 °C.

Afbeelding van Murata GCM1885C2A101JA16 Klasse 1, 100 pF keramische opbouwcondensatorAfbeelding 4: De GCM1885C2A101JA16 is een keramische opbouwcondensator van klasse 1, 100 pF met 5% tolerantie en een vermogen van 100 volt. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Foliecondensators

De foliecondensators gebruiken een dunne plastic folie als diëlektricum. Geleidende platen kunnen worden uitgevoerd als folielagen of als twee dunne lagen metallisatie, één aan elke kant van de plastic folie. De kunststof die voor het diëlektricum wordt gebruikt, bepaalt de eigenschappen van de condensatoren. Foliecondensators zijn er in vele vormen:

Polypropyleen (PP): Deze hebben een bijzonder goede tolerantie en stabiliteit met een lage ESR- en ESL- en hoogspanningsuitval. Vanwege de temperatuurlimieten van het diëlektricum zijn ze alleen beschikbaar als gelode apparaten. De PP-condensators vinden toepassingen in schakelingen waar een hoog vermogen of hoge spanning wordt aangetroffen, zoals schakelende voedingen, ballastschakelingen, hoogfrequente ontladingscircuits, en in audiosystemen waar hun lage ESR en ESL worden gewaardeerd voor de signaalintegriteit.

Polyethyleentereftalaat (PET): Ook wel polyester of mylar condensators genoemd, deze condensators zijn door hun hogere diëlektrische constante de meest volumetrische van de foliecondensators. Ze worden over het algemeen toegepast als radiale loden apparaten. Ze worden gebruikt voor algemene capacitieve toepassingen.

Polyfenyleensulfide (PPS): Deze condensators worden alleen als gemetalliseerde folie-apparaten geproduceerd. Ze hebben een bijzonder goede temperatuurstabiliteit en worden dus toegepast in circuits die een goede frequentiestabiliteit vereisen.

Een voorbeeld PPS-foliecondensator is de ECH-U1H101JX5 van Panasonic Electronics Corporation. Het 100 pF apparaat heeft een tolerantie van 5%, is geclassificeerd bij 50 volt, en wordt geleverd in een opbouwconfiguratie. Het heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -55° tot 125 °C en is bedoeld voor algemene elektronicatoepassingen.

Polyethyleennaftalaat (PEN): Net als de PPS-condensators zijn deze alleen verkrijgbaar in een gemetalliseerd folie-ontwerp. Ze hebben een hoge temperatuurtolerantie en zijn verkrijgbaar in een opbouwconfiguratie. Toepassingen richten zich op die waarvoor hoge temperatuur- en hoogspanningsprestaties nodig zijn.

Polytetrafluorethyleen (PTFE) of tefloncondensators staan bekend om hun hoge temperatuur- en hoogspanningstolerantie. Ze worden zowel in een gemetalliseerde als in een folieconstructie vervaardigd. PTFE-condensators vinden meestal toepassingen waarbij blootstelling aan hoge temperaturen vereist is.

Elektrolytische condensators

Elektrolytische condensators vallen op door hun hoge capaciteit en hoog volumetrisch rendement. Dit wordt bereikt door een vloeibare elektrolyt als een van de platen te gebruiken. Een aluminium elektrolytische condensator bestaat uit vier afzonderlijke lagen: een aluminiumfolie-kathode; een met elektrolyten doordrenkte papierscheider; een aluminiumanode die chemisch is behandeld om een zeer dunne aluminiumoxidelaag te vormen; en ten slotte een andere papierscheider. Deze assemblage wordt vervolgens gerold en in een afgesloten metalen blik geplaatst.

Elektrolytische condensatoren zijn gepolariseerde, gelijkstroom (DC) apparaten, wat betekent dat de toegepaste spanning moet worden toegepast op de opgegeven positieve en negatieve klemmen. Als de elektrolytische condensator niet correct wordt aangesloten, kan dit leiden tot explosieve uitval, hoewel de behuizingen zijn voorzien van drukontlastingsmembranen om de reactie te beheersen en de kans op schade tot een minimum te beperken.

De belangrijkste voordelen van de elektrolytische condensator zijn de hoge capaciteitswaarden, de geringe omvang en de relatief lage kosten. De capaciteitswaarden hebben een breed tolerantiebereik en relatief hoge lekstromen. De meest voorkomende toepassingen voor elektrolytische condensatoren zijn als filtercondensatoren in zowel lineaire als schakelende voedingen (Afbeelding 5).

Afbeelding van voorbeelden van 10 µF elektrolytische condensatorsAfbeelding 5: Voorbeelden van elektrolytische condensators; ze hebben allemaal een capaciteit van 10 microfarads (µF). (Bron afbeelding: Kemet en AVX Corp.))

Verwijzend naar Afbeelding 5 en bewegend van links naar rechts, is de ESK106M063AC3FA van Kemet een 10 µF, 20%, 63 volt, radiaal gelode, aluminium elektrolytische condensator. Het kan worden gebruikt bij temperaturen tot 85 °C en heeft een levensduur van 2000 uur. Het is bedoeld voor algemene elektrolytische toepassingen, waaronder filtering, ontkoppeling en bypass operaties.

Een alternatief voor de aluminium elektrolytische condensator is de aluminium polymeercondensator die de vloeibare elektrolyt vervangt door een vaste polymeerelektrolyt. De polymeer aluminium condensator heeft een lagere ESR dan de aluminium elektrolytische en een langere levensduur. Zoals alle elektrolytische condensatoren zijn ze gepolariseerd en vinden ze toepassing in voedingen als filter en ontkoppelingscondensatoren.

De Kemet A758BG106M1EDAE070 is een 10 µF, 25 volt, radiaallood, aluminium-polymeer condensator met een langere levensduur en een grotere stabiliteit over een breed temperatuurbereik. Het is bedoeld voor industriële en commerciële toepassingen zoals laders voor mobiele telefoons en medische elektronica.

Tantaalcondensatoren zijn een andere vorm van elektrolytische condensator. In dit geval wordt een laag tantaaloxide chemisch gevormd op tantaalfolie. Hun volumetrisch rendement is beter dan een aluminium elektrolytische, maar de maximale spanningsniveaus zijn over het algemeen lager. Tantaalcondensatoren hebben een lagere ESR en hogere temperatuurtolerantie dan aluminiumelektrolytica, wat betekent dat ze het soldeerproces beter kunnen weerstaan.

De Kemet T350E106K016AT is een 10 µF, 10%, 16 volt, radiale loodtantaalcondensator. Het biedt de voordelen van klein formaat, lage lekkage en een lage dissipatiefactor voor filtering, bypass, AC-koppeling en timingtoepassingen.

Het uiteindelijke type elektrolytische condensator is het niobiumoxide elektrolytisch. Ontwikkeld tijdens een tantaaltekort, vervangt de niobium elektrolytische condensator tantaal door niobium en niobium pentoxide als de elektrolyt. Door de hogere diëlektrische constante biedt het een kleinere pakketgrootte per capaciteitseenheid.

Een voorbeeld van niobiumoxide elektrolytisch is de NOJB106M010RWJ van AVX Corp. Dit is een 10 µF, 20%, 10 volt condensator in een opbouwconfiguratie. Net als de tantaal elektrolytische, wordt het gebruikt voor het filteren, bypass, en AC-koppeling toepassingen.

Mica-condensators

Mica-condensators (meestal zilver mica) worden gekenmerkt door een nauwe capaciteitstolerantie (±1%), een lage temperatuurcoëfficiënt van de capaciteit (meestal 50 ppm/°C), een uitzonderlijk lage dissipatiefactor en een lage capaciteitsvariatie met toegepaste spanning. De nauwe tolerantie en hoge stabiliteit maken ze geschikt voor RF-circuits. Het mica dielectricum is aan beide zijden verzilverd voor de geleidende oppervlakken. Mica is een stabiel mineraal dat geen wisselwerking heeft met de meest voorkomende elektronische verontreinigingen.

De Cornell Dubilier Electronics' MC12FD101J-F is een 100 pF, 5%, 500 volt, mica-condensator in een opbouwconfiguratie (Afbeelding 6). Het wordt gebruikt in RF-toepassingen zoals MRI, mobiele radio's, eindversterkers en oscillators. Ze zijn geschikt voor een temperatuur van -55 ° tot 125 °C.

Afbeelding van Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F is een mica-condensator voor opbouw.Afbeelding 6: De Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F is een opbouw mica-condensator bedoeld voor RF-toepassingen. (Bron afbeelding: Cornell Dubilier Electronics))

Conclusie

Condensators zijn een essentieel onderdeel van het elektronica-ontwerp. In de loop der jaren is een breed scala aan toesteltypes ontwikkeld met verschillende kenmerken die sommige condensatortechnologieën bijzonder geschikt maken voor specifieke toepassingen. Voor ontwerpers is het verwerven van een goede praktijkkennis van de verschillende typen, configuraties en specificaties een waardevol streven om de optimale keuze te maken voor een bepaalde toepassing.

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.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Art Pini

Arthur (Art) Pini is een verdienstelijke auteur bij Digi-Key Electronics. Hij behaalde een Bachelor-diploma in Elektrotechniek bij het City College van New York en een Master-diploma in Elektrotechniek bij de City University van New York. Hij heeft meer dan 50 jaar ervaring in elektronica en vervulde belangrijke technische en marketingfuncties bij Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek en Nicolet Scientific. Hij is geïnteresseerd in meettechnologie en heeft heel veel ervaring met oscilloscopen, spectrumanalysators, arbitraire golfvormgenerators, digitizers en vermogenmeters.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key