Typy kondenzátorů a jejich výkon

Kondenzátory jsou pasivní součástky, které uchovávají elektrický náboj. Tuto jedinou funkci však lze využít mnoha způsoby v rámci nejrůznějších aplikací – střídavých i stejnosměrných, analogových i digitálních. Příkladem mohou být obvody pro časování a tvarování vln, spojování a oddělování, filtry a vyhlazování průběhů, televizní a rádiové ladění, oscilátory a v případě superkondenzátorů i ukládání náboje pro zařízení, jako jsou blesky fotoaparátů. Tato rozmanitost spolu se škálováním pro různé úrovně výkonu, proudu a napětí znamená, že kondenzátory mají mnoho tvarů, velikostí a konstrukčních technik.

Tento článek se zabývá kondenzátory a významem elektrické kapacity. Dále se zabývá vlastnostmi – kromě kapacity – které definují výkon součástek a jejich vliv na cílové obvody. Dále ukazuje, jak se tyto vlastnosti různě projevují u různých typů kondenzátorů, které jsou v současné době k dispozici, a jak ovlivňují návrhářovu volbu typu kondenzátoru.

Někdy však zdánlivě první volba pro projekt nemusí být tou nejlepší cestou; z nějakého důvodu může být žádoucí nahradit jednu technologii kondenzátorů jinou. V souladu s tím článek končí stručným příkladem, jak mohou polymerní kondenzátory nahradit vícevrstvé keramické typy.

Co je to kondenzátor?

Jak ukazuje obr. 1, kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek v těsné blízkosti oddělených izolantem nebo dielektrikem. Působením stejnosměrného proudu na desky se v nich vytvoří stejný a opačný náboj; na jedné desce záporný a na druhé kladný. Odpojte zdroj proudu a desky si zachovají svůj náboj, pokud nedojde k úniku. Pokud pak desky připojíte přes zátěž, například žárovku blesku fotoaparátu, uvolní do ní veškerou svou energii a napájí blesk.

Všimněte si, že konstrukce kondenzátoru znamená, že blokuje stejnosměrný proud, ale vede střídavý proud. Obecně platí, že čím vyšší je frekvence střídavého napětí, tím lépe kondenzátor vede střídavý proud.

Objem energie, který kondenzátor dokáže uchovat, je definován jeho kapacitou, která se měří ve faradech. Protože farad je neprakticky velká jednotka kapacity (s výjimkou superkondenzátorů), reálné součástky se podle potřeby hodnotí v jednom z následujících rozsahů SI:

• 1 mF (milifarad, jedna tisícina (10-3) faradu)
• 1 μF (mikrofarad, jedna miliontina (10-6) faradu)
• 1 nF (nanofarad, jedna miliardtina (10-9) faradu)
• 1 pF (pikofarad, jedna biliontina (10-12) faradu)

V každém případě je kapacita C ve faradech dána rovnicí:

Kde q je náboj v coulombech (+q a -q náboje na deskách) a V je napětí na deskách ve voltech.

Z toho vyplývá vztah mezi napětím a proudem

Kde i = proud v ampérech.

Energii uloženou v kondenzátoru zjistíme integrací práce W (wattů)

První z uvedených rovnic nám říká, že zvětšení kapacity umožňuje uložit více náboje při daném napětí na kondenzátoru. Kapacitu lze zvýšit zvětšením velikosti desek, přiblížením desek k sobě nebo zlepšením izolačních vlastností dielektrika. Kondenzátory všech typů dosahují cílových hodnot kapacity nastavením těchto tří proměnných podle potřeby. Pokud lze tedy požadované hodnoty kapacity dosáhnout pomocí různých typů kondenzátorů, jak se rozhodneme, který typ je pro danou aplikaci nejlepší?

Odpovědí je, že zatímco ideální kondenzátory by měly pouze kapacitu, reálná zařízení mají také mnoho dalších parametrů a vlastností, které ovlivňují jejich výkon v rámci cílové aplikace a vhodnost pro ni. Tyto faktory závisí na použité technologii kondenzátoru a všechny je třeba vzít v úvahu při výběru optimálního řešení.

Kritéria zahrnují provozní napětí, velikost zařízení, frekvenční odezvu, stárnutí (vysychání mokrého elektrolytu) způsobující ztrátu kapacity, maximální doporučenou provozní teplotu, hořlavost a samoregenerační vlastnosti. Někdy je nutný extrémně nízký parazitní odpor (známý jako ekvivalentní sériový odpor nebo ESR), aby se minimalizovaly ztráty I2R v aplikacích s vysokým proudem.

Následující článek se podrobněji zabývá těmito a dalšími vlastnostmi kondenzátorů a poté tím, jak se odrážejí v různých typech kondenzátorů.

Vlastnosti kondenzátorů

Publikace společnosti KEMET „Úvod do technologií kondenzátorů“ obsahuje mnoho užitečných informací a poskytla podklady pro níže uvedenou diskusi o vlastnostech kondenzátorů.

Dielektrické vlastnosti a CV kondenzátoru

Dielektrické vlastnosti ovlivňují objemovou účinnost kondenzátorů, tj. velikost kapacity na daný objem. Ta se vyjadřuje jako hodnota CV, kde C = kapacita a V je napětí. Hodnoty CV jsou důležitým faktorem při navrhování přenosných systémů nebo velmi hustě osazených desek plošných spojů, kde je důležitá vysoká kapacita v minimálním objemu.

Některá dielektrika, například tantal, jsou známá svými vysokými CV vlastnostmi. CV lze také zvýšit maximalizací využitelné plochy elektrod a minimalizací režijních nákladů na obal.

Praktické problémy s kapacitou

Použitelná kapacita kondenzátoru se může lišit od jeho jmenovité hodnoty v důsledku několika faktorů. Mezi ně patří např:

• Teplota
• Vlhkost
• Střídavé a stejnosměrné napětí
• Frekvence signálu
• Stáří kondenzátoru
• Mechanický
• Piezoelektrický efekt

Při výběru kondenzátoru pro určitou aplikaci, je třeba vzít v úvahu jeho jmenovité hodnoty pro tyto faktory.

Dalším důležitým hlediskem jsou tolerance. Kondenzátory jsou označeny tolerančními kódy, přičemž nejčastější kódy jsou:

• ± 20% = M
• ± 10% = K
• ± 5% = J
• ± 2.5% = H
• ± 2% = G
• ± 1% = F

Svodový proud vs. izolační odpor

Dielektrické materiály v kondenzátorech nejsou ideálními izolanty; mohou propouštět malý stejnosměrný svodový proud z různých důvodů specifických pro každý typ dielektrika. To způsobí, že svorkové napětí nabitého kondenzátoru pomalu klesá, protože unikající proud odvádí jeho náboj.

Všeobecně má izolační odpor tendenci klesat s rostoucí hodnotou kapacity. S rostoucí teplotou se zvyšuje unikající proud.

Závislost mezi unikajícím proudem (LC) a izolačním odporem (IR) dielektrika kondenzátoru je dána jednoduchým vzorcem:

I(LC) = V/R(IR)

Chování při nabíjení/vybíjení

Při přivedení stejnosměrného napětí na kondenzátor v sérii s rezistorem se kondenzátor nabíjí rychlostí danou přiloženým napětím, stavem náboje vzhledem k jeho konečné hodnotě, sériovým odporem a vlastní kapacitou. Součin odporu a kapacity, RC, se nazývá časová konstanta obvodu. Přesněji řečeno, časová konstanta RC je doba potřebná k nabití kondenzátoru o 63,2 % rozdílu mezi počáteční a konečnou hodnotou. Stejnou hodnotou RC se řídí také doba potřebná k vybití kondenzátoru přes sériový rezistor.

Pevnost dielektrika

Pokud se napětí na kondenzátoru dostatečně zvýší, elektrické pole nakonec způsobí, že se dielektrikum rozpadne a povede proud. U některých dielektrik je tento jev trvalý, takže se kondenzátor zničí.

Některá dielektrika se však mohou sama zacelit. Například filmové a papírové kondenzátory s velmi tenkými elektrodami se mohou samoregenerovat, protože velký průrazný proud zahřívá vrstvy elektrod a způsobuje odpařování a oxidaci kovů mimo postiženou oblast, čímž se zkratová cesta izoluje od zbytku kondenzátoru. K tomuto procesu může dojít i v aplikacích s velmi vysokým výkonem, který dosahuje až několika kilowattů.

Rozptyl energie

Při přivedení střídavého napětí přes kondenzátor protéká jeho dielektrikem a vodivými částmi proud. V praxi se část tohoto proudu rozptýlí v malém odporu uvnitř kondenzátoru. Tento rozptyl se projevuje jako zvýšení teploty kondenzátoru. Celkový odpor kondenzátoru, nazývaný ekvivalentní sériový odpor (ESR), je součtem dvou prvků:

• Odpor materiálu dielektrika
• Odpor vodivých částí

Indukčnost

Elektrody a přívodní vodiče nebo koncovky kondenzátoru jsou kovové vodiče, které s sebou nesou určitou indukčnost. Tato indukčnost má tendenci odolávat změnám střídavého proudu procházejícího kondenzátorem. Označuje se jako ekvivalentní sériová indukčnost neboli ESL.

Popis ekvivalentního zapojení kondenzátoru

Vodivé části kondenzátoru mají přidružený ohmický odpor, který v kombinaci s odporem dielektrika tvoří ekvivalentní sériový odpor (ESR). Praktický kondenzátor lze popsat pomocí tzv. ekvivalentního obvodu jako na obr. 2, kde jsou rezistor (ESR) a induktor (ESL) v sérii s čistou kapacitou paralelně s rezistorem rovným izolačnímu odporu dielektrika.

Různé typy kondenzátorů

Obrázek 3 shrnuje různé typy kondenzátorů, které jsou v současnosti k dispozici. Níže uvádíme přehled pevných typů kondenzátorů.

Caoacitorguide.com poskytuje podrobné vysvětlení různých typů kondenzátorů a jejich konstrukce; níže uvedené informace o typech kondenzátorů (kromě Glass a Feedthru) vycházejí z tohoto obsahu.

Filmové

Filmové kondenzátory používají jako dielektrikum tenkou plastovou fólii; ta může být metalizována nebo ponechána bez úpravy v závislosti na požadovaných vlastnostech kondenzátoru. Tyto typy nabízejí stabilitu, nízkou indukčnost a nízkou cenu. Různá provedení fólií zahrnují polyester, metalizovanou fólii, polypropylen, PTFE a polystyren. Kapacity se pohybují od méně než 1nF do 30µF.

Tyto typy kondenzátorů jsou nepolarizované, takže jsou vhodné pro střídavé signálové a výkonové aplikace. Filmové kondenzátory mohou mít velmi vysoké přesné hodnoty, které si zachovávají po delší dobu než jiné typy kondenzátorů. Jsou velmi spolehlivé s dlouhou skladovatelností a životností, přičemž proces stárnutí je obecně pomalejší než u jiných typů, například elektrolytických. Mají nízké hodnoty ESR a ESL, tedy velmi nízké rozptylové faktory. Mohou být vyrobeny tak, aby odolávaly napětím v rozsahu kilovoltů, a mohou poskytovat velmi vysoké impulsy rázového proudu.

K dispozici jsou výkonové filmové kondenzátory, které vydrží jalový výkon přesahující 200 voltampérů. Používají se v zařízeních výkonové elektroniky, fázových měničích, rentgenových záblescích a pulzních laserech. Varianty s nízkým výkonem se používají jako oddělovací kondenzátory, filtry a v A/D převodnících. Dalšími významnými aplikacemi jsou bezpečnostní kondenzátory, potlačení elektromagnetického rušení, předřadníky zářivek a snubovací kondenzátory.

Keramické

Keramické kondenzátory používají jako dielektrikum keramický materiál. Vícevrstvý čipový kondenzátor (MLCC) a keramický diskový kondenzátor jsou nejčastěji používané typy v moderní elektronice. MLCC se vyrábějí technologií povrchové montáže (SMT) a jsou široce používány díky svým malým rozměrům. Hodnoty kapacity se obvykle pohybují mezi 1 nF a 1 µF, i když jsou k dispozici hodnoty až 100 µF. Jsou nepolarizované, takže je lze použít ve střídavých obvodech. Mají skvělou frekvenční odezvu díky nízkým odporovým a induktivním parazitním účinkům.

V současné době jsou k dispozici dvě třídy keramických kondenzátorů: třída 1 a třída 2.

. Keramické kondenzátory třídy 1 se používají tam, kde se vyžaduje vysoká stabilita a nízké ztráty. Jsou velmi přesné a hodnota kapacity je stabilní s ohledem na použité napětí, teplotu a frekvenci.

Kondenzátory třídy 2 mají vysokou kapacitu na objem a používají se pro méně citlivé aplikace. Jejich tepelná stabilita je obvykle ±15 % v rozsahu provozních teplot a tolerance jmenovité hodnoty se pohybují kolem 20 %.

MLCC nabízejí vysokou hustotu balení pro montáž na desky plošných spojů, i když jsou k dispozici také fyzicky velké výkonové keramické součástky, které vydrží napětí od 2 kV do 100 kV, s výkonem lepším než 200 VA.

Elektrolytické

Elektrolytické kondenzátory používají elektrolyt, který poskytuje větší hodnotu kapacity než jiné typy kondenzátorů. Téměř všechny elektrolytické kondenzátory jsou polarizované, takže musí být použity ve stejnosměrných obvodech a správně předpjaté. Elektrolytické kondenzátory mohou být buď s mokrým elektrolytem, nebo s pevným polymerem. Běžně se vyrábějí z tantalu nebo hliníku. Hliníkové kondenzátory mají obvykle kapacitu mezi 1 µF a 47 mF a provozní napětí až několik set voltů stejnosměrného proudu. K dispozici jsou však také superkondenzátory, někdy nazývané dvouvrstvé kondenzátory, s kapacitami stovek nebo tisíců faradů.

Mezi nevýhody patří velké svodové proudy, široké tolerance hodnot obvykle 20 %, ekvivalentní sériový odpor a omezená životnost. Hodnoty kapacit také driftují v čase. Kondenzátory se mohou přehřát nebo dokonce explodovat, pokud jsou vystaveny napětí s opačnou polaritou.

Elektrolytické kondenzátory se používají v aplikacích, které nepotřebují úzké tolerance a polarizaci střídavého proudu, ale vyžadují velké hodnoty kapacity. Příkladem jsou filtrační stupně v napájecích zdrojích pro odstranění střídavého zvlnění nebo pro vyhlazování vstupů a výstupů jako dolní propust pro stejnosměrné signály se slabou střídavou složkou.

Superkondenzátory

Superkondenzátory jsou typem elektrolytických, jak je popsáno výše. Mohou uchovávat extrémně velké množství elektrické energie pomocí dvou mechanismů; dvouvrstvé kapacity a pseudokapacity. První z nich je elektrostatický, zatímco druhý je elektrochemický, takže superkondenzátory kombinují vlastnosti běžných kondenzátorů s vlastnostmi běžných baterií.

V mnoha aplikacích, včetně automobilových systémů rekuperace kinetické energie (KERS), fotografických pamětí flash a statických pamětí RAM, se používají jako alternativa k bateriím. Budoucí možnosti zahrnují mobilní telefony, notebooky a elektromobily; jejich nejzajímavější výhodou je velmi rychlé dobíjení, což znamená, že elektromobil by mohl být dobit během několika minut.

Tato technologie může dosahovat hodnot kapacity až 12000 F. Díky nízkému vnitřnímu odporu mají velmi rychlou dobu nabíjení a vybíjení, srovnatelnou s běžnými kondenzátory. Naproti tomu plné nabití baterií může trvat až několik hodin. Superkondenzátory mají také 5 až 10krát vyšší měrný výkon než baterie, například 10 kW/Kg ve srovnání s 1 až 3 kW/Kg u li-ionových baterií. Superkondenzátory se při špatném zacházení nezahřívají tolik jako baterie a mají prakticky neomezenou životnost ve srovnání s více než 500 cykly typickými pro baterie.

Mezi nevýhody superkondenzátorů patří nízká měrná energie (Wh/Kg), lineární charakteristika vybíjecího napětí (Například superkondenzátor dimenzovaný na výstupní napětí 2,7 V by při 50% vybití klesl na 1,35 V) a vysoké náklady. Ty zatím brání tomu, aby superkondenzátory ve většině aplikací nahradily baterie.

Slídové

Slídovými kondenzátory se dnes rozumí stříbrné slídové kondenzátory, vyrobené sendvičováním slídových plátů potažených z obou stran kovem. Hodnoty kapacit jsou malé, obvykle od několika pF do několika nF, i když největší typy slídových kondenzátorů mohou dosahovat až 1 µF. Jmenovité napětí je obvykle 100 až 1000 V, ačkoli některé kondenzátory jsou dimenzovány až na 10 kV pro aplikace v RF vysílačích. Díky vysokému průraznému napětí se používají i v jiných vysokonapěťových aplikacích.

Mají nízké ztráty, což umožňuje použití při vysokých frekvencích, jsou spolehlivé a jejich hodnota zůstává v čase stabilní. Kondenzátory jsou rovněž stabilní v širokém rozsahu napětí, teploty a frekvence. Obvykle mají relativně malou kapacitní hodnotu. Nabízejí přesnost s tolerancemi až +/- 1 %. Kondenzátory jsou však objemné a drahé.

Skleněné

Skleněné kondenzátory se používají ve vysokofrekvenčních obvodech, kde je vyžadován maximální výkon. Nabízejí nízký teplotní koeficient bez hystereze, nulovou rychlost stárnutí, žádný piezoelektrický šum, nulovou rychlost stárnutí a extrémně nízké ztráty. Mají také velkou RF proudovou kapacitu při vysokých provozních teplotách, často až 200 °C.

Feedthru

AVX nabízí řadu průchozích kondenzátorů, které jsou k dispozici ve standardní velikosti 0805 i 1206. Tyto kondenzátory jsou ideální volbou pro potlačení EMI, širokopásmovou filtraci I/O nebo úpravu napájecího vedení Vcc. Jedinečná konstrukce průchozího kondenzátoru zajišťuje nízkou paralelní indukčnost a nabízí vynikající oddělovací schopnost pro všechna prostředí s vysokým di/dt a poskytuje významné snížení šumu v digitálních obvodech do 5 GHz. Společnost AVX nabízí kondenzátory feedthru pro automobilový průmysl, které splňují požadavky normy AEC-Q200. Tyto kondenzátory jsou k dispozici v dielektrikách NP0 a X7R s možností zakončení včetně pokoveného Ni a Sn.

Zaměnitelnost typů kondenzátorů

Přestože jsou různé typy kondenzátorů optimalizovány pro různé aplikace, může být možné nebo žádoucí nahradit jeden typ jiným. Například společnost Panasonic napsala podrobnou bílou knihu, ve které ukazuje, jak mohou polymerové kondenzátory nahradit kondenzátory MLCC v různých aplikacích. Informace z tohoto dokumentu jsou uvedeny níže.

Moderní vývoj v oblasti integrovaných obvodů a související očekávání jejich výkonu kladou náročnější požadavky na související komponenty, včetně kondenzátorů. Tento trend je patrný například u konstrukcí DC-DC měničů. Ty směřují k vyšší výkonové účinnosti, zvyšování zátěžových proudů, miniaturizaci a vyšším spínacím frekvencím. Tyto trendy vyžadují kondenzátory, které zvládnou vyšší proudové zatížení při menším objemu. Roste potřeba vyvážit vysoký výkon a hustotu výkonu s dlouhodobou výdrží, vysokou spolehlivostí a bezpečností.

Výstupní kondenzátory jsou pro DC-DC měniče nezbytné, protože spolu s hlavním induktorem poskytují zásobárnu elektrické energie pro výstup a vyhlazují výstupní napětí. Vstupní kondenzátory musí mít dobré parametry z hlediska rozptylu výkonu a zvlnění. Měly by udržovat napětí a zajišťovat, aby napětí na liště měniče zůstalo stabilní.

Pro tyto vstupní a výstupní role měničů DC-DC lze použít různé typy kondenzátorů. Obr. 8 ukazuje některé možnosti, včetně elektrolytických kondenzátorů, OSCON, SP-Caps, POS-Caps, filmových kondenzátorů a vícevrstvých keramických kondenzátorů (MLCC), a řadí jejich výkon podle jednotlivých charakteristik. I když nejlepší volba závisí na aplikaci, můžeme porovnat relativní vlastnosti jednotlivých typů.

Ačkoli elektrolytické kondenzátory poskytují největší ESR, jejich kapacita a výkonnost v oblasti unikajícího proudu se při vyšších teplotách a frekvencích výrazně zhoršuje. Velmi nízké ESR a ESL keramických kondenzátorů poskytují skvělý přechodový výkon, ale mají omezení při snižování kapacity. Mohou také pracovat při velmi vysokých zvlněných proudech, ale jsou náchylné k poruchám vlivem stárnutí a vyžadují nižší provozní elektrická pole.

Polymerní elektrolytické kondenzátory jsou oblíbené v napájecích zdrojích pro obvody integrovaných obvodů pro vyrovnávací, bypassové a oddělovací funkce, zejména v rámci zařízení plochého nebo kompaktního provedení. Konkurují tedy kondenzátorům MLCC, ale nabízejí vyšší hodnoty kapacity a na rozdíl od keramických kondenzátorů třídy 2 a 3 nevykazují žádný mikrofonní efekt.

Pro vstupní a výstupní filtry měničů DC-DC jsou kondenzátory MLCC nejpoužívanějším typem díky svým nízkým nákladům a nízkému ESR a ESL. Mají však nevýhody, mezi které patří:

• Malá kapacita na objem, zejména u materiálů s dielektrikem třídy 1 (NO/COG)
• Velké rozměry těla náchylné k praskání při ohýbání desky plošných spojů
• Nestabilita stejnosměrného zkreslení
• Piezoefekt (Singing)

Tady nacházejí uplatnění polymerní kondenzátory. Společnost Panasonic vyrábí kondenzátory z pevného polymerního hliníku: SP-Caps a OS-CON, tantalové polymerní kondenzátory (POS-CAP) a technologie polymerních hybridních hliníkoelektrolytických kondenzátorů. Tyto typy polymerních kondenzátorů rozšiřují rozsah svých aplikací. Mají velkou kapacitu a vynikající charakteristiky předpětí, které jsou mnohem lepší než u kondenzátorů MLCC, a také se vyznačují extrémně nízkým ESR a nízkými charakteristikami ESL.

Polymerní kondenzátory navíc dosahují velmi vysoké spolehlivosti a vynikajícího výkonu při nízkých teplotách díky použití pevných polymerních materiálů jako elektrolytu.

Obvod na obr. 9 níže ukazuje několik příkladů, jak mohou různé polymerní kondenzátory zlepšit výkon kondenzátorů MLCC.

Získávání kondenzátorů

Různé typy kondenzátorů s širokou škálou výkonnostních proměnných naleznete na webových stránkách společnosti Farnell element14.

Závěr

Tento článek vysvětlil, co je kondenzátor a jak funguje čistá kapacita v elektrickém obvodu. Zároveň však uznává, že v reálném světě nic takového jako čistý kondenzátor neexistuje. V souladu s tím prozkoumal různé fyzikální a elektrické vlastnosti, které nevyhnutelně tvoří skutečnou součástku kondenzátoru, a pojednal o široké škále typů kondenzátorů a jejich různých vlastnostech, které jsou nyní k dispozici pro různé aplikace.

Podíval se také na to, jak lze někdy jeden typ kondenzátoru nahradit jiným, na příkladu náhrady polymerových kondenzátorů za MLCC.