Kondensatortyper og ydeevne

Kondensatorer er passive komponenter, der lagrer elektrisk ladning. Denne enkeltstående funktion kan dog bruges på mange måder inden for en lang række forskellige applikationer – AC og DC, analogt og digitalt. Som eksempler kan nævnes timing- og bølgeformningskredsløb, kobling og afkobling, bølgeformsfiltre og udjævning, tv- og radiostyring, oscillatorer og, med superkondensatorer, oplagring af ladning til enheder som f.eks. kamerablitzpærer. Denne mangfoldighed, kombineret med skalering til at rumme forskellige niveauer af effekt, strøm og spænding, betyder, at kondensatorer findes i mange former, størrelser og konstruktionsteknikker.

Denne artikel undersøger kondensatorer og betydningen af elektrisk kapacitet. Derefter ser den på de egenskaber – ud over kapacitansen – der definerer komponenternes ydeevne og indvirkning på målkredsløbet. Dernæst vises det, hvordan disse egenskaber udvises forskelligt af de forskellige kondensatortyper, der i øjeblikket er til rådighed, og hvordan de påvirker en konstruktørs valg af kondensatortype.

I nogle tilfælde er det tilsyneladende førstevalg til et projekt imidlertid ikke nødvendigvis den bedste vej at følge; det kan være ønskeligt at erstatte en kondensatorteknologi med en anden af en eller anden grund. Derfor afsluttes artiklen med et kort eksempel på, hvordan polymerkondensatorer kan erstatte keramiske flerlagstyper.

Hvad er en kondensator?

Som det fremgår af fig. 1, består en kondensator af to ledende plader, der ligger tæt på hinanden og er adskilt af en isolator eller et dielektrikum. Hvis der påføres en jævnstrøm på tværs af pladerne, vil de opbygge lige store og modsatte ladninger; negative på den ene plade og positive på den anden. Fjern strømkilden, og pladerne vil bevare deres ladning, bortset fra lækage. Hvis pladerne derefter forbindes over en belastning, f.eks. en kamerablitzpære, vil de afgive al deres energi til den for at drive blitzen.

Bemærk, at en kondensators konstruktion betyder, at den blokerer jævnstrøm, men leder vekselstrøm. Generelt gælder det, at jo højere vekselspændingsfrekvens, jo bedre leder kondensatoren vekselstrømmen.

Mængden af energi, som en kondensator kan lagre, er defineret ved dens kapacitet, der måles i farads. Da en farad er en upraktisk stor enhed for kapacitans (undtagen for superkondensatorer), er reelle komponenter normeret i et af følgende SI-intervaller, alt efter hvad der er relevant:

• 1 mF (millifarad, en tusindedel (10-3) af en farad)
• 1 μF (mikrofarad, en milliontedel (10-6) af en farad)
• 1 nF (nanofarad, en milliardedel (10-9) af en farad)
• 1 pF (picofarad, en trilliontedel (10-12) af en farad)

I alle tilfælde er kapacitansen C i farads givet ved ligningen:

Hvor q er ladningen i coulombier (+q og -q ladninger på pladerne) og V er spændingen i volt over pladerne.

Dette giver et spændings-/strømsforhold på

Hvor i = strøm i ampere.

Den energi, der er lagret i en kondensator, findes ved at integrere arbejdet W (watt)

Den første af ovenstående ligninger fortæller os, at en forøgelse af kapacitansen giver mulighed for at lagre mere ladning for en given spænding over kondensatoren. Kapacitansen kan øges ved at øge pladernes størrelse, ved at flytte pladerne tættere sammen eller ved at forbedre dielektriskets isoleringsegenskaber. Kondensatorer af alle typer opnår deres målkapacitansværdier ved at justere disse tre variabler efter behov. Hvis en krævet kapacitetsværdi kan opnås med forskellige kondensatortyper, hvordan kan vi så beslutte, hvilken type der er bedst til en given anvendelse?

Svaret er, at mens ideelle kondensatorer kun har kapacitet, har virkelige enheder også mange andre parametre og egenskaber, der påvirker deres ydeevne inden for og egnethed til deres målapplikation. Disse faktorer afhænger af den anvendte kondensatorteknologi, og de skal alle tages i betragtning, når der vælges en optimal løsning.

Kriterierne omfatter driftsspænding, enhedens størrelse, frekvensrespons, ældning (udtørring af våd elektrolyt), der forårsager kapacitansetab, maksimal anbefalet driftstemperatur, brændbarhed og selvhelbredende egenskaber. Nogle gange er ekstremt lav parasitær modstand (kendt som ækvivalent seriemodstand eller ESR) nødvendig for at minimere I2R tab i højstrømsanvendelser.

Næste afsnit ser vi nærmere på disse og andre kondensatoregenskaber og derefter på, hvordan de afspejles i de forskellige kondensatortyper.

Kondensatoregenskaber

KEMET-publikationen “Introduktion til kondensatorteknologier” indeholder mange nyttige oplysninger og har dannet baggrund for nedenstående diskussion af kondensatoregenskaber.

Dielektriske egenskaber og kondensator-CV

Dielektriske egenskaber påvirker kondensatorers volumetriske effektivitet, dvs. mængden af kapacitans pr. givet volumen. Dette udtrykkes som en CV-værdi, hvor C = kapacitans og V er spænding. CV-værdier er vigtige overvejelser ved konstruktion af bærbare systemer eller meget tæt befolkede printplader, hvor det er vigtigt med høj kapacitet inden for et minimalt volumen.

Nogle dielektriske materialer, f.eks. tantal, er kendt for deres høje CV-egenskaber. CV kan også øges ved at maksimere det anvendelige elektrodeoverfladeareal og minimere pakkeoverhead.

Praktiske kapacitetsproblemer

En kondensators anvendelige kapacitet kan afvige fra dens nominelle værdi på grund af flere faktorer. Disse omfatter:

• Temperatur
• Fugt
• Vakuum- og jævnspænding
• Signalfrekvens
• Kondensatorens alder
• Mekanisk
• Piezoelektrisk effekt

Ved valg af en kondensator til en applikation, skal man tage hensyn til dens klassificering for disse faktorer.

Tolerancer er en anden vigtig overvejelse. Kondensatorer er tolerancekodet, hvor de mest almindelige koder er:

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

Lækagestrøm vs. isolationsmodstand

De dielektriske materialer i kondensatorer er ikke ideelle isolatorer; de kan af forskellige årsager, der er specifikke for hver enkelt dielektrisk type, lade en lille jævnstrømslækstrøm slippe igennem. Dette vil medføre, at en opladet kondensators terminalspænding langsomt falder, efterhånden som lækstrømmen dræner dens ladning væk.

Generelt har isolationsmodstanden tendens til at falde, når kapacitansværdierne stiger. Lækstrømmen stiger med stigende temperatur.

Sammenhængen mellem lækstrømmen (LC) og kondensatorens dielektriske isolationsmodstand (IR) er givet ved den enkle formel:

I(LC) = V/R(IR)

Ladnings-/afladningsadfærd

Når en jævnspænding påføres en kondensator i serie med en modstand, oplades kondensatoren med en hastighed, der er bestemt af den påførte spænding, ladningstilstanden i forhold til dens slutværdi, seriemodstanden og dens egen kapacitet. Produktet af modstand og kapacitans, RC, er kendt som kredsløbets tidskonstant. For at være præcis er RC-tidskonstanten den tid, der er nødvendig for at oplade kondensatoren med 63,2 % af forskellen mellem den oprindelige og den endelige værdi. Den samme RC-værdi styrer også den tid, der er nødvendig for at aflade kondensatoren gennem seriemodstanden.

Dielektrisk styrke

Hvis spændingen over en kondensator øges tilstrækkeligt, vil det elektriske felt til sidst få dielektret til at bryde sammen og lede strømmen. Med nogle dielektriske stoffer er virkningen permanent, så kondensatoren ødelægges.

Derimod kan nogle dielektriske stoffer selvhelbrede. F.eks. kan film- og papirkondensatorer med meget tynde elektroder selvhelbrede, da den store nedbrydningsstrøm opvarmer elektrodelagene, hvilket får metaller til at fordampe og oxideres væk fra det berørte område, hvorved kortslutningsvejen isoleres fra resten af kondensatoren. Denne proces kan forekomme selv i applikationer med meget høj effekt på op til flere kilowatt.

Afgivelse af energi

Når vekselspænding påføres over en kondensator, strømmer der strøm gennem dens dielektriske materiale og ledende dele. I praksis bortledes en del af denne strøm i den lille mængde modstand i kondensatoren. Denne dissipation manifesterer sig som en temperaturstigning i kondensatoren. Kondensatorens samlede modstand, kaldet ækvivalent seriemodstand (ESR), er en sum af to elementer:

• Dielektrisk materialets modstand
• De ledende deles modstand

Induktans

Elektroderne og ledningstrådene eller afslutningerne i en kondensator er metalledere, som har en vis induktans forbundet med dem. Denne induktans har en tendens til at modstå ændringer i vekselstrømmen gennem kondensatoren. Den er kendt som ækvivalent serieinduktans eller ESL.

Beskrivelse af kondensatorens ækvivalente kredsløb

En kondensators ledende dele har en tilknyttet ohmsk modstand, der sammen med den dielektriske modstand danner en ækvivalent seriemodstand (ESR). En praktisk kondensator kan beskrives ved hjælp af et såkaldt ækvivalent kredsløb som i fig.2, hvor en modstand (ESR) og en induktionsspole (ESL) er i serie med en ren kapacitet parallel med en modstand svarende til dielektrikummets isolationsmodstand.

Differente kondensatortyper

Fig.3 opsummerer de forskellige kondensatortyper, der i øjeblikket er tilgængelige. Vi gennemgår de faste kondensatortyper nedenfor.

Caoacitorguide.com giver uddybende forklaringer på de forskellige kondensatortyper og deres opbygning; oplysningerne om kondensatortyper nedenfor (undtagen for Glas og Feedthru) er baseret på dette indhold.

Film

Filmkondensatorer anvender en tynd plastfilm som dielektrikum; denne kan være metalliseret eller efterlades ubehandlet, afhængigt af kondensatorens krævede egenskaber. Disse typer giver stabilitet, lav induktans og lave omkostninger. De forskellige filmversioner omfatter polyester, metalliseret, polypropylen, PTFE og polystyren. Kapaciteterne varierer fra under 1nF til 30µF.

Disse kondensatortyper er ikke polariserede, hvilket gør dem velegnede til vekselstrømssignal- og effektanvendelser. Filmkondensatorer kan have meget høje kondensatorværdier med høj præcision, som de bevarer i længere tid end andre kondensatortyper. De er meget pålidelige med lang holdbarheds- og levetid, med en aldringsproces, der generelt er langsommere end andre typer såsom elektrolytiske. De har lave ESR- og ESL-værdier og derfor meget lave dissipationsfaktorer. De kan fremstilles til at modstå spændinger i kilovolt-området og kan give meget høje stødstrømpulser.

Der findes filmkondensatorer, der kan modstå reaktiv effekt på over 200 volt-ampere. De anvendes i effektelektroniske enheder, faseskiftere, røntgenblink og pulserende lasere. Varianterne med lav effekt anvendes som afkoblingskondensatorer, filtre og i A/D-konvertere. Andre bemærkelsesværdige anvendelser er sikkerhedskondensatorer, elektromagnetisk interferensundertrykkelse, forkoblinger til lysstofrør og snubberkondensatorer.

Keramisk

Keramiske kondensatorer anvender et keramisk materiale som dielektrikum. Flerlagschipkondensatoren (MLCC) og den keramiske skivekondensator er de mest almindeligt anvendte typer i moderne elektronik. MLCC’er fremstilles i SMT-form (Surface Mount Technology) og anvendes i vid udstrækning på grund af deres lille størrelse. Kapacitansværdierne ligger typisk på mellem 1 nF og 1 µF, selv om der findes værdier på op til 100 µF. De er upolariserede, så de kan anvendes i vekselstrømskredsløb. De har en stor frekvensrespons på grund af lave resistive og induktive parasitære effekter.

Der findes i dag to klasser af keramiske kondensatorer: klasse 1 og klasse 2. Keramiske kondensatorer i klasse 1 anvendes, hvor der kræves høj stabilitet og lave tab. De er meget nøjagtige, og kapacitansværdien er stabil med hensyn til anvendt spænding, temperatur og frekvens.

Klasse 2-kondensatorer har en høj kapacitans pr. volumen og anvendes til mindre følsomme anvendelser. Deres termiske stabilitet er typisk ±15% i driftstemperaturområdet, og tolerancerne for den nominelle værdi er omkring 20%.

MLCC’er tilbyder høje pakningstætheder til PCB-montering, selv om der også fås fysisk store keramiske effektkomponenter, som kan modstå spændinger fra 2 kV op til 100 kV, med effektværdier bedre end 200 VA.

Elektrolytisk

Elektrolytiske kondensatorer bruger en elektrolyt til at give en større kapacitetsværdi end andre kondensatortyper. Næsten alle elektrolytiske kondensatorer er polariserede, så de skal bruges i jævnstrømskredsløb og være korrekt polariseret. Elektrolytiske kondensatorer kan være enten vådelektrolyt- eller fast polymerkondensatorer. De er almindeligvis fremstillet af tantal eller aluminium. Aluminiumkondensatorer har typisk kapaciteter på mellem 1 µF og 47 mF med en driftsspænding på op til et par hundrede volt jævnstrøm. Der findes dog også superkondensatorer, undertiden kaldet dobbeltlagskondensatorer, med kapaciteter på hundreder eller tusinder af farads.

Ulemperne er bl.a. store lækstrømme, store værditolerancer på typisk 20 %, ækvivalent seriemodstand og begrænset levetid. Kapacitansværdierne afviger også over tid. Kondensatorer kan overophede eller endog eksplodere, hvis de udsættes for spændinger med omvendt polaritet.

Elektrolytiske kondensatorer anvendes i applikationer, der ikke kræver snævre tolerancer og vekselstrømspolarisation, men som kræver store kapacitetsværdier. Eksempler omfatter filtreringstrin i strømforsyninger for at fjerne vekselstrømsripple eller til udjævning af ind- og udgange som et lavpasfilter for jævnstrømssignaler med en svag vekselstrømskomponent.

Superkondensatorer

Superkondensatorer er en type elektrolytkondensatorer, som beskrevet ovenfor. De kan lagre ekstremt store mængder elektrisk energi ved hjælp af to mekanismer; dobbeltlagskapacitans og pseudokapacitans. Den første er elektrostatisk, mens den anden er elektrokemisk, så superkondensatorer kombinerer egenskaberne fra normale kondensatorer med egenskaberne fra almindelige batterier.

Faktisk anvendes de som alternativer til batterier i mange applikationer, herunder KERS-systemer (Kinetic Energy Recovery Systems) til biler, fotografisk flash- og statisk RAM-hukommelse. Fremtidige muligheder omfatter mobiltelefoner, bærbare computere og elbiler; deres mest spændende fordel er deres meget hurtige opladningshastighed, hvilket betyder, at en elbil kan oplades på få minutter.

Denne teknologi kan opnå kapacitetsværdier på op til 12 000 F. De har meget hurtige opladnings- og afladningstider, der kan sammenlignes med almindelige kondensatorer, på grund af deres lave indre modstand. I modsætning hertil kan det tage op til flere timer for batterier at blive fuldt opladet. Superkondensatorer har også en specifik effekt, der er 5-10 gange større end batteriernes, f.eks. 10 kW/Kg sammenlignet med 1-3 kW/Kg for Li-ion-batterier. Superkondensatorer opvarmes ikke så meget som batterier ved dårlig behandling og har en næsten ubegrænset cykluslevetid sammenlignet med 500+ cyklusser, der er typiske for batterier.

Superkondensatorers ulemper omfatter lav specifik energi (Wh/Kg), en lineær afladningsspændingskarakteristik (en superkondensator, der er beregnet til 2,7 V, vil f.eks. falde til 1,35 V ved 50 % afladning) og høje omkostninger. Disse har hidtil forhindret superkondensatorer i at erstatte batterier i de fleste anvendelser.

Glimmer

Med glimmerkondensatorer menes der i dag sølvglimmerkondensatorer, der fremstilles ved at indlejre glimmerplader belagt med metal på begge sider i en sandwich. Kapacitansværdierne er små, normalt fra et par pF op til et par nF, selv om de største glimmertyper kan nå op på 1 µF. Spændingsværdierne er typisk 100 til 1000 volt, selv om nogle kondensatorer er normeret til op til 10 kV til RF-senderapplikationer. De anvendes også i andre højspændingsapplikationer på grund af deres høje nedbrydningsspænding.

De har lavt tab, hvilket muliggør brug ved høje frekvenser, er pålidelige, og deres værdi forbliver stabil over tid. Kondensatorerne er også stabile over store spændings-, temperatur- og frekvensområder. De har normalt en relativt lille kapacitiv værdi. De giver præcision med tolerancer så lave som +/- 1 %. Kondensatorerne er dog voluminøse og dyre.

Glas

Glaskondensatorer anvendes i RF-kredsløb, hvor der kræves ultimativ ydeevne. De tilbyder en lav temperaturkoefficient uden hysterese, nul aldringshastighed, ingen piezo-elektrisk støj, nul aldringshastighed og ekstremt lavt tab. De har også en stor RF-strømskapacitet med høje driftstemperaturer, ofte op til 200°C.

Feedthru

AVX tilbyder en serie af feed-through-kondensatorer, som fås i både en standard 0805- og 1206-størrelse. Disse kondensatorer er ideelle valg til EMI-undertrykkelse, bredbånds I/O-filtrering eller Vcc-strømlinjekonditionering. Den unikke konstruktion af en feedthru-kondensator giver en lav parallel induktans og giver en fremragende afkoblingsevne i alle miljøer med høj di/dt og giver en betydelig støjreduktion i digitale kredsløb op til 5 GHz. AVX tilbyder feedthru-kondensatorer i autokvalitet, der er kvalificeret til AEC-Q200. Disse kondensatorer fås i NP0- og X7R-dielektrikum med termineringsmuligheder, herunder pletteret Ni og Sn.

Udskiftelighed af kondensatortyper

Selv om de forskellige kondensatortyper er optimeret til forskellige applikationer, kan det være muligt eller ønskeligt at udskifte en type med en anden. Panasonic har f.eks. skrevet en dybdegående hvidbog, der viser, hvordan polymerkondensatorer kan erstatte MLCC’er i forskellige anvendelser. Oplysninger fra dette dokument er anført nedenfor.

Den moderne udvikling inden for IC’er og de dermed forbundne forventninger til deres ydeevne har stillet højere krav til de tilhørende komponenter, herunder kondensatorer. Denne tendens er f.eks. tydelig i DC-DC-konverterkonstruktioner. Disse er på vej mod større energieffektivitet, stigende belastningsstrømme, miniaturisering og højere koblingsfrekvenser. Sådanne tendenser kræver kondensatorer, der kan klare større strømbelastninger i et mindre volumen. Der er et stigende behov for at afbalancere høj ydeevne og effekttæthed med langtidsholdbarhed, høj pålidelighed og sikkerhed.

Udgangskondensatorer er afgørende for DC-DC-konvertere, fordi de sammen med hovedinduktoren giver et reservoir af elektrisk energi til udgangen og udjævner udgangsspændingen. Indgangskondensatorer skal yde godt med hensyn til strømforbrug og ripple-ydelse. De skal opretholde spændingen og sikre, at skinnespændingen forbliver stabil for inverteren.

Der kan anvendes forskellige kondensatortyper til disse ind- og udgangsroller i DC-DC-konvertere. Fig.8 viser nogle muligheder, herunder elektrolytkondensatorer, OSCONs, SP-Caps, POS-Caps, filmkondensatorer og flerlagede keramiske kondensatorer (MLCCs), og rangordner deres ydeevne i henhold til hver egenskab. Mens det bedste valg afhænger af applikationen, kan vi sammenligne de relative egenskaber for hver type.

Mens elektrolytkondensatorer giver den største ESR, forringes deres kapacitet og lækstrømsydelse betydeligt ved højere temperaturer og frekvenser. Keramiske kondensatorers meget lave ESR og ESL giver en fantastisk transient ydeevne, men de har begrænsninger med hensyn til kapacitetsnedtrapning. De kan også fungere ved meget høje ripple-strømme, men de er tilbøjelige til at ældes og kræver lavere elektriske driftsfelter.

Polymerelektrolytkondensatorer er populære i strømforsyninger til IC-kredsløb til buffer-, bypass- og afkoblingsfunktioner, især i enheder med fladt eller kompakt design. De konkurrerer derfor med MLCC’er, men tilbyder højere kapacitetsværdier, og i modsætning til keramiske kondensatorer i klasse 2 og 3 har de ingen mikrofoneffekt.

Til ind- og udgangsfiltre til DC-DC-konvertere har MLCC-kondensatorer været den mest anvendte type på grund af deres lave omkostninger og lave ESR og ESL. De har dog ulemper, herunder:

• Lille kapacitans pr. volumen, især for klasse 1 dielektriske materialer (NO/COG)
• Store kropsstørrelser, der er tilbøjelige til at knække ved bøjning af PCB
• DC bias ustabilitet
• Piezoeffekt (Singing)

Det er her, at polymerkondensatorer finder en rolle. Panasonic fremstiller solide polymeraluminiumkondensatorer: SP-Caps og OS-CON, tantalpolymerkondensatorer (POS-CAP) og polymerhybrid aluminium-elektrolytkondensatorteknologier. Disse polymerkondensatortyper har udvidet deres anvendelsesområde. De har stor kapacitet og fremragende bias-egenskaber, der er langt bedre end MLCC’ernes, samt ekstremt lav ESR- og lav ESL-egenskaber.

Dertil kommer, at polymerkondensatorer opnår meget høj pålidelighed og overlegen ydeevne ved lave temperaturer ved at anvende faste polymermaterialer som elektrolyt.

Kredsløbet i fig. 9 nedenfor viser et par eksempler på, hvordan forskellige polymerkondensatorer kan forbedre MLCC-kondensatorers ydeevne.

Sourcing af kondensatorer

De forskellige kondensatortyper, med en lang række variabler for ydeevne, kan findes på Farnell element14’s websted.

Konklusion

Denne artikel har forklaret, hvad en kondensator er, og hvordan en ren kondensator fungerer i et elektrisk kredsløb. Den erkender dog også, at der ikke findes en ren kondensator i den virkelige verden. Derfor har den undersøgt de forskellige fysiske og elektriske egenskaber, som uundgåeligt udgør en ægte kondensatorkomponent, og har diskuteret den brede vifte af kondensatortyper og deres varierende egenskaber, der nu er tilgængelige til forskellige anvendelser.

Den har også set på, hvordan en kondensatortype undertiden kan erstattes af en anden, idet polymerkondensatorer erstattes af MLCC’er som eksempel.