Kondensaattorin tyypit ja suorituskyky

Kondensaattorit ovat passiivisia komponentteja, jotka varastoivat sähkövarausta. Tätä yksittäistä toimintoa voidaan kuitenkin käyttää monin tavoin monenlaisissa sovelluksissa – vaihto- ja tasavirtasovelluksissa, analogisissa ja digitaalisissa sovelluksissa. Esimerkkeinä voidaan mainita ajoitus- ja aallonmuodostuspiirit, kytkentä ja irrotus, aaltomuodon suodattimet ja tasoitus, television ja radion viritys, oskillaattorit ja superkondensaattoreiden avulla varauksen varastointi laitteisiin, kuten kameran salamalampuihin. Tämä moninaisuus ja skaalautuminen eri teho-, virta- ja jännitetasoille tarkoittavat sitä, että kondensaattoreita on monen muotoisia, kokoisia ja -rakenteisia.

Tässä artikkelissa tarkastellaan kondensaattoreita ja sähkökapasitanssin merkitystä. Sen jälkeen tarkastellaan ominaisuuksia – kapasitanssin lisäksi – jotka määrittelevät komponenttien suorituskyvyn ja vaikutuksen kohdepiiriinsä. Seuraavaksi siinä osoitetaan, miten nämä ominaisuudet ilmenevät eri tavoin eri kondensaattorityypeissä, joita tällä hetkellä on saatavilla, ja miten ne vaikuttavat suunnittelijan valintoihin kondensaattorityypin suhteen.

Joskus näennäinen ensisijainen valinta projektiin ei kuitenkaan välttämättä ole paras reitti; jostain syystä voi olla toivottavaa korvata yksi kondensaattoritekniikka toisella. Näin ollen artikkeli päättyy lyhyeen esimerkkiin siitä, miten polymeerikondensaattorit voivat korvata monikerroksiset keraamiset tyypit.

Mikä on kondensaattori?

Kuten kuvasta 1 käy ilmi, kondensaattori koostuu kahdesta johtavasta levystä, jotka ovat lähekkäin ja jotka on erotettu toisistaan eristeellä tai dielektrisellä aineella. Jos levyjen yli johdetaan tasavirtaa, niihin kertyy yhtä suuri ja vastakkainen varaus; toiseen levyyn negatiivinen ja toiseen positiivinen varaus. Jos virtalähde poistetaan, levyt säilyttävät varauksensa vuotoja lukuun ottamatta. Jos sitten levyt kytketään kuorman, kuten kameran salamalampun, yli, ne vapauttavat kaiken energiansa siihen, jotta salama saa virtaa.

Huomaa, että kondensaattorin rakenne tarkoittaa, että se estää tasasähkövirran kulkemisen, mutta johtaa vaihtovirtaa. Yleensä mitä korkeampi vaihtojännitteen taajuus on, sitä paremmin kondensaattori johtaa vaihtovirtaa.

Kondensaattorin varastoiman energian määrä määritellään sen kapasitanssilla, joka mitataan faradeina. Koska farad on epäkäytännöllisen suuri kapasitanssin yksikkö (lukuun ottamatta superkondensaattoreita), todelliset komponentit mitoitetaan soveltuvin osin jollakin seuraavista SI-alueista:

• 1 mF (millifaradi, faradin tuhannesosa (10-3))
• 1 μF (mikrofaradi, faradin miljoonasosa (10-6))
• 1 nF (nanofaradi, yksi miljardisosa (10-9) faradista)
• 1 pF (pikofaradi, yksi biljoonasosa (10-12) faradista)

Jokatapauksessa kapasitanssi C faradeina saadaan yhtälöstä:

Jossa q on varaus coulombeina (+q ja -q varaukset levyissä) ja V on jännite voltteina levyjen yli.

Tästä saadaan jännitteen ja virran suhde

Jossa i = virta ampeereina.

Kondensaattoriin varastoitunut energia saadaan integroimalla työ W (wattia)

Ensimmäinen edellä esitetyistä yhtälöistä kertoo, että kondensaattorin kapasitanssin kasvattaminen mahdollistaa suuremman varauksen varastoimisen tietyllä kondensaattorin yli tulevalla jännitteellä. Kapasitanssia voidaan kasvattaa kasvattamalla levyjen kokoa, siirtämällä levyt lähemmäs toisiaan tai parantamalla dielektrisen eristysominaisuuksia. Kaikenlaiset kondensaattorit saavuttavat kapasitanssin tavoitearvot säätämällä näitä kolmea muuttujaa sopiviksi. Jos siis haluttu kapasitanssiarvo voidaan saavuttaa erilaisilla kondensaattorityypeillä, miten päätämme, mikä tyyppi on paras johonkin tiettyyn sovellukseen?

Vastaus on se, että vaikka ihanteellisilla kondensaattoreilla olisi vain kapasitanssi, todellisilla laitteilla on monia muitakin parametreja ja ominaisuuksia, jotka vaikuttavat niiden suorituskykyyn ja soveltuvuuteen niiden kohdesovellukseen. Nämä tekijät riippuvat käytetystä kondensaattoriteknologiasta, ja ne kaikki on otettava huomioon optimaalista ratkaisua valittaessa.

Kriteereihin kuuluvat käyttöjännite, laitteen koko, taajuusvaste, kapasitanssin häviämistä aiheuttava vanheneminen (märän elektrolyytin kuivuminen), suositeltu enimmäiskäyttölämpötila, syttymisherkkyys ja itsekorjautuvat ominaisuudet. Joskus erittäin alhainen loisresistanssi (tunnetaan nimellä ekvivalenttinen sarjavastus tai ESR) on tarpeen I2R-häviöiden minimoimiseksi suurvirtaisissa sovelluksissa.

Seuraavaksi tarkastelemme tarkemmin näitä ja muita kondensaattorin ominaisuuksia ja sitten sitä, miten ne näkyvät eri kondensaattorityypeissä.

Kondensaattorin ominaisuudet

KEMETin julkaisu ”Johdatus kondensaattoriteknologioihin” sisältää paljon hyödyllistä tietoa, ja se on tarjonnut taustatietoa jäljempänä esitettävälle kondensaattorin ominaisuuksia koskevalle keskustelulle.

Dielektriset ominaisuudet ja kondensaattorin CV

Dielektriset ominaisuudet vaikuttavat kondensaattoreiden tilavuushyötysuhteeseen eli tietyn tilavuuden kapasitanssin määrään. Tämä ilmaistaan CV-arvona, jossa C = kapasitanssi ja V on jännite. CV-arvot ovat tärkeitä näkökohtia suunniteltaessa kannettavia järjestelmiä tai hyvin tiheästi asuttuja piirilevyjä, joissa suuri kapasitanssi pienessä tilavuudessa on olennaista.

Jotkut dielektriset aineet, kuten tantaali, ovat tunnettuja korkeista CV-ominaisuuksistaan. CV:tä voidaan kasvattaa myös maksimoimalla käyttökelpoinen elektrodipinta-ala ja minimoimalla pakkauksen yleiskustannukset.

Käytännön kapasitanssikysymykset

Kondensaattorin käyttökelpoinen kapasitanssi voi poiketa sen nimellisarvosta useiden tekijöiden vuoksi. Näitä ovat mm:

• Lämpötila
• Kosteus
• Vaihto- ja tasajännite
• Signaalitaajuus
• Kondensaattorin ikä
• Mekaaninen
• Pietsosähköinen vaikutus

Valittaessa kondensaattoria sovellukseen, sen luokitukset näiden tekijöiden osalta on otettava huomioon.

Toleranssit ovat toinen tärkeä näkökohta. Kondensaattorit on toleranssikoodattu, yleisimmät koodit ovat:

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

Vuotovirta vs. eristysresistanssi

Kondensaattoreiden dielektriset materiaalit eivät ole ideaalisia eristeitä, vaan ne voivat päästää läpi pientä tasajännitevuotovirtaa erilaisista, kullekin dielektrityypille ominaisista syistä. Tämä aiheuttaa sen, että ladatun kondensaattorin pääjännite laskee hitaasti, kun vuotovirta tyhjentää sen varauksen.

Yleisesti eristysresistanssilla on taipumus pienentyä kapasitanssiarvojen kasvaessa. Vuotovirta kasvaa lämpötilan noustessa.

Vuotovirran (LC) ja kondensaattorin dielektrisen eristysresistanssin (IR) välinen suhde saadaan yksinkertaisella kaavalla:

I(LC) = V/R(IR)

Lataus/purkautumiskäyttäytyminen

Kun kondensaattoriin kytketään tasavirtajännite sarjaan vastuksen kanssa, kondensaattori latautuu vauhdilla, joka määräytyy kytketyn jännitteen, varaustilanteen loppuarvoonsa suhteutetun varaustilanteen, sarjaresistanssin ja kondensaattorin omien ominaisresistanssien mukaan. Vastuksen ja kapasitanssin tulo, RC, tunnetaan piirin aikavakiona. Tarkalleen ottaen RC-aikavakio on aika, joka tarvitaan kondensaattorin lataamiseen 63,2 %:lla alku- ja loppuarvon erotuksesta. Sama RC-arvo määrää myös ajan, joka kuluu kondensaattorin purkautumiseen sarjavastuksen kautta.

Dielektrinen lujuus

Jos kondensaattorin yli olevaa jännitettä kasvatetaan riittävästi, sähkökenttä saa dielektrisen lopulta hajoamaan ja johtamaan virtaa. Joillakin dielektrisillä aineilla vaikutus on pysyvä, joten kondensaattori tuhoutuu.

Jotkut dielektriset aineet voivat kuitenkin parantua itsestään. Esimerkiksi kalvo- ja paperikondensaattorit, joissa on hyvin ohuet elektrodit, voivat parantua itsestään, koska suuri läpilyöntivirta lämmittää elektrodikerroksia, jolloin metallit haihtuvat ja hapettuvat pois vaurioituneelta alueelta, jolloin oikosulkupolku eristyy muusta kondensaattorista. Tämä prosessi voi tapahtua jopa erittäin suuritehoisissa sovelluksissa, joiden nimellisteho on jopa useita kilowatteja.

Energian häviäminen

Kun kondensaattorin yli kytketään vaihtojännite, virta kulkee sen dielektrisen materiaalin ja johtavien osien läpi. Käytännössä osa tästä virrasta haihtuu kondensaattorin sisällä olevaan pieneen vastukseen. Tämä häviäminen ilmenee kondensaattorin lämpötilan nousuna. Kondensaattorin kokonaisresistanssi, jota kutsutaan ekvivalentiksi sarjavastukseksi (ESR, Equivalent Series Resistance), on kahden elementin summa:

• Dielektrisen materiaalin resistanssi
• Johtavien osien resistanssi

Induktanssi

Kondensaattorin elektrodit ja johdinjohdot tai päätepäätteet ovat metallisia johtimia, joihin liittyy jonkin verran induktanssia. Tämä induktanssi pyrkii vastustamaan kondensaattorin läpi kulkevan vaihtovirran muutoksia. Sitä kutsutaan ekvivalentiksi sarjainduktanssiksi eli ESL:ksi.

Kondensaattorin ekvivalenttipiirin kuvaus

Kondensaattorin johtavilla osilla on siihen liittyvä ohminen resistanssi, joka yhdessä dielektrisen resistanssin kanssa muodostaa ekvivalentin sarjaresistanssin (ESR). Käytännön kondensaattori voidaan kuvata niin sanotun ekvivalenttipiirin avulla kuten kuvassa 2, jossa vastus (ESR) ja induktori (ESL) ovat sarjassa puhtaan kapasitanssin kanssa, joka on rinnankytketty dielektrisen eristeen eristysresistanssia vastaavan vastuksen kanssa.

Erilaiset kondensaattorityypit

Kuvassa.3 on yhteenveto tällä hetkellä saatavilla olevista eri kondensaattorityypeistä. Seuraavassa tarkastelemme kiinteitä kondensaattorityyppejä.

Caoacitorguide.com tarjoaa perusteellisia selityksiä eri kondensaattorityypeistä ja niiden rakenteesta; alla olevat kondensaattorityyppitiedot (lukuun ottamatta Glass ja Feedthru) perustuvat tähän sisältöön.

Filmi

Kalvokondensaattoreiden dielektrisenä aineena käytetään ohutta muovikalvoa, joka voi olla metalloitua tai sitä voidaan pitää käsittelemättömänä kondensaattorilta vaadittavista ominaisuuksista riippuen. Nämä tyypit tarjoavat vakautta, pientä induktanssia ja alhaisia kustannuksia. Erilaisia kalvoversioita ovat polyesteri, metalloitu, polypropeeni, PTFE ja polystyreeni. Kapasitanssit vaihtelevat alle 1nF:stä 30µF:iin.

Nämä kondensaattorityypit ovat poolittomia, joten ne soveltuvat vaihtosignaali- ja tehosovelluksiin. Kalvokondensaattoreilla voi olla erittäin tarkkoja kondensaattoriarvoja, jotka ne säilyttävät pidempään kuin muut kondensaattorityypit. Ne ovat erittäin luotettavia ja niillä on pitkä hylly- ja käyttöikä, ja niiden vanhenemisprosessi on yleensä hitaampi kuin muiden tyyppien, kuten elektrolyyttisten kondensaattoreiden. Niillä on alhaiset ESR- ja ESL-arvot, joten niiden häviökertoimet ovat erittäin alhaiset. Ne voidaan valmistaa kestämään kilovoltin jännitteitä ja ne voivat tuottaa erittäin suuria ylijännitepulsseja.

Voimakalvokondensaattoreita on saatavilla, jotka kestävät yli 200 volttiampeerin reaktiivista tehoa. Niitä käytetään tehoelektroniikkalaitteissa, vaiheensiirtimissä, röntgensäteiden välähdyksissä ja pulssilaserissa. Pienitehoisia muunnoksia käytetään irrotuskondensaattoreina, suodattimina ja A/D-muuntimissa. Muita merkittäviä käyttökohteita ovat turvakondensaattorit, sähkömagneettisten häiriöiden vaimentaminen, loistelamppujen liitäntälaitteet ja snubber-kondensaattorit.

Keraamiset kondensaattorit

Keraamisissa kondensaattoreissa on dielektrikkona keraaminen materiaali. Monikerroslastikondensaattori (MLCC) ja keraaminen levykondensaattori ovat yleisimmin käytettyjä tyyppejä nykyaikaisessa elektroniikassa. MLCC-kondensaattorit valmistetaan pinta-asennustekniikalla (SMT), ja niitä käytetään laajalti niiden pienen koon vuoksi. Kapasitanssin arvot ovat tyypillisesti 1 nF:n ja 1 µF:n välillä, vaikka jopa 100 µF:n arvoja on saatavilla. Ne ovat poolittomia, joten niitä voidaan käyttää vaihtovirtapiireissä. Niillä on hyvä taajuusvaste vähäisten resistiivisten ja induktiivisten loisvaikutusten ansiosta.

Keraamisia kondensaattoreita on nykyään saatavana kahta luokkaa: luokka 1 ja luokka 2. Luokan 1 keraamisia kondensaattoreita käytetään silloin, kun vaaditaan suurta vakautta ja pieniä häviöitä. Ne ovat erittäin tarkkoja, ja kapasitanssiarvo on vakaa käytetyn jännitteen, lämpötilan ja taajuuden suhteen.

Luokan 2 kondensaattoreissa on suuri kapasitanssi tilavuutta kohti, ja niitä käytetään vähemmän herkissä sovelluksissa. Niiden lämpöstabiilisuus on tyypillisesti ±15 % käyttölämpötila-alueella, ja nimellisarvon toleranssit ovat noin 20 %.

MLCC:t tarjoavat suuren pakkaustiheyden piirilevyasennusta varten, vaikka saatavilla on myös fyysisesti suuria tehokeraamisia komponentteja, jotka kestävät jännitteitä 2 kV:stä 100 kV:n jännitteisiin ja joiden nimellistehot ovat parempia kuin 200 VA:ta.

Elektrolyyttikondensaattori

Elektrolyyttikondensaattorit käyttävät elektrolyyttiä tuottaakseen suuremman kapasitanssiarvon kuin muut kondensaattorityypit. Lähes kaikki elektrolyyttikondensaattorit ovat polarisoituneita, joten niitä on käytettävä tasavirtapiireissä ja ne on jännitettävä oikein. Elektrolyyttikondensaattorit voivat olla joko märkäelektrolyyttikondensaattoreita tai kiinteitä polymeerikondensaattoreita. Ne on yleensä valmistettu tantaalista tai alumiinista. Alumiinikondensaattoreiden kapasitanssit ovat tyypillisesti 1 µF:n ja 47 mF:n välillä, ja niiden käyttöjännite on jopa muutama sata volttia tasavirtaa. Saatavilla on kuitenkin myös superkondensaattoreita, joita joskus kutsutaan kaksikerroskondensaattoreiksi ja joiden kapasitanssit ovat satoja tai tuhansia faradeja.

Haittapuolia ovat suuret vuotovirrat, laajat arvotoleranssit, jotka ovat tyypillisesti 20 %:n suuruisia, ekvivalenttinen sarjaresistanssi ja rajallinen käyttöikä. Kapasitanssin arvot myös ajautuvat ajan myötä. Kondensaattorit voivat ylikuumentua tai jopa räjähtää, jos niihin kohdistuu käänteisen polariteetin jännitteitä.

Elektrolyyttikondensaattoreita käytetään sovelluksissa, joissa ei tarvita tiukkoja toleransseja ja vaihtovirran polariteettia, mutta tarvitaan suuria kapasitanssiarvoja. Esimerkkejä ovat virtalähteiden suodatusvaiheet vaihtovirran aaltoilun poistamiseksi tai tulon ja lähdön tasaamiseen alipäästösuodattimena tasavirtasignaaleille, joissa on heikko vaihtovirtakomponentti.

Ylipainekondensaattorit

Ylipainekondensaattorit ovat eräs elektrolyyttikondensaattorityyppi, jota kuvattiin yllä. Ne voivat varastoida erittäin suuria määriä sähköenergiaa käyttämällä kahta mekanismia; kaksikerroskapasitanssia ja pseudokapasitanssia. Ensimmäinen mekanismi on sähköstaattinen ja toinen sähkökemiallinen, joten superkondensaattoreissa yhdistyvät tavallisten kondensaattoreiden ja tavallisten akkujen ominaisuudet.

Itse asiassa niitä käytetään akkujen vaihtoehtoina monissa sovelluksissa, kuten autojen kineettisen energian talteenottojärjestelmissä (KERS), valokuvien flash- ja staattisissa RAM-muisteissa. Tulevaisuuden mahdollisuuksia ovat matkapuhelimet, kannettavat tietokoneet ja sähköautot; niiden jännittävin etu on niiden erittäin nopea latausnopeus, mikä tarkoittaa, että sähköauto voitaisiin ladata muutamassa minuutissa.

Tekniikalla voidaan saavuttaa jopa 12000 F:n kapasitanssiarvot.

Kapasitanssin arvot voivat olla jopa 12000 F.

Tekniikalla voidaan saavuttaa jopa 12000 F:n kapasitanssiarvoja. Sitä vastoin akkujen täyteen latautuminen voi kestää jopa useita tunteja. Superkondensaattoreiden ominaisteho on 5-10 kertaa suurempi kuin akkujen; esimerkiksi 10 kW/Kg verrattuna 1-3 kW/Kg Li-ion-akkuihin. Superkondensaattorit eivät kuumene yhtä paljon kuin akut, kun niitä käsitellään väärin, ja niiden syklien kesto on lähes rajoittamaton verrattuna akuille tyypilliseen yli 500 sykliin.

Superkondensaattoreiden haittoja ovat alhainen ominaisenergia (Wh/Kg), lineaarinen purkautumisjänniteominaisuus (superkondensaattorilla, joka on mitoitettu 2,7 V:n ulostulon teholle, jännite putoaa 1,35 V:n jännitteeseen, kun se on purkautunut 50-prosenttisesti, esimerkiksi) ja korkea hinta. Nämä ovat toistaiseksi estäneet superkondensaattoreita korvaamasta akkuja useimmissa sovelluksissa.

Glimmeri

Glimmerikondensaattoreilla tarkoitetaan nykyään hopeaglimmerikondensaattoreita, jotka valmistetaan asettamalla sandwich-menetelmällä molemmilta puolilta metallilla päällystettyjä kiillelevyjä. Kapasitanssin arvot ovat pieniä, yleensä muutamasta pF:stä muutamaan nF:iin, vaikka suurimmat kiillekondensaattorityypit voivat olla jopa 1 µF. Jännitearvot ovat tyypillisesti 100-1000 volttia, vaikka jotkut kondensaattorit on mitoitettu jopa 10 kV:iin RF-lähettimien sovelluksissa. Niitä käytetään myös muissa korkeajännitesovelluksissa niiden korkean läpilyöntijännitteen ansiosta.

Ne ovat pienihäviöisiä, mikä mahdollistaa käytön korkeilla taajuuksilla, luotettavia ja niiden arvo pysyy vakaana ajan myötä. Kondensaattorit ovat myös vakaita laajoilla jännite-, lämpötila- ja taajuusalueilla. Niiden kapasitiivinen arvo on yleensä suhteellisen pieni. Ne ovat tarkkoja, sillä niiden toleranssit ovat vain +/- 1 %. Kondensaattorit ovat kuitenkin tilaa vieviä ja kalliita.

Lasi

Lasikondensaattoreita käytetään RF-piireissä, joissa vaaditaan äärimmäistä suorituskykyä. Ne tarjoavat alhaisen lämpötilakertoimen, jossa ei ole hystereesiä, nolla ikääntymisnopeutta, ei pietsosähköistä kohinaa, nolla ikääntymisnopeutta ja erittäin pienet häviöt. Niillä on myös suuri RF-virtakapasiteetti ja korkeat käyttölämpötilat, usein jopa 200 °C.

Feedthru

AVX tarjoaa läpivientikondensaattoreiden sarjan, joita on saatavana sekä vakiokokoisena 0805 että 1206. Nämä kondensaattorit ovat ihanteellisia valintoja EMI-suojaukseen, laajakaistaiseen I/O-suodatukseen tai Vcc-virtajohdon ilmastointiin. Läpisyöttökondensaattorin ainutlaatuinen rakenne tarjoaa alhaisen rinnakkaisinduktanssin ja erinomaisen erottelukyvyn kaikissa korkean di/dt:n ympäristöissä, ja se vähentää merkittävästi kohinaa digitaalisissa piireissä aina 5 GHz:iin asti. AVX tarjoaa ajoneuvoluokan feedthru-kondensaattoreita, jotka on hyväksytty AEC-Q200:n mukaisesti. Näitä kondensaattoreita on saatavana NP0- ja X7R-dielektrisinä, ja päätevaihtoehtoina ovat muun muassa pinnoitettu Ni ja Sn.

Kondensaattorityyppien vaihdettavuus

Vaikka eri kondensaattorityypit on optimoitu erilaisiin sovelluksiin, voi olla mahdollista tai toivottavaa korvata yksi tyyppi toisella. Esimerkiksi Panasonic on kirjoittanut perusteellisen valkoisen kirjan, jossa osoitetaan, miten polymeerikondensaattorit voivat korvata MLCC:t eri sovelluksissa. Seuraavassa on tietoja tästä asiakirjasta.

Nykyaikainen kehitys integroiduissa piirilevyissä ja niihin liittyvät odotukset niiden suorituskyvystä ovat asettaneet entistä tiukempia vaatimuksia niihin liittyville komponenteille, myös kondensaattoreille. Tämä suuntaus näkyy esimerkiksi DC-DC-muuntimien suunnittelussa. Ne pyrkivät kohti suurempaa tehotehokkuutta, kasvavia kuormitusvirtoja, pienentämistä ja suurempia kytkentätaajuuksia. Tällaiset suuntaukset edellyttävät kondensaattoreita, jotka pystyvät selviytymään suuremmista virtakuormista pienemmällä tilavuudella. Suuren suorituskyvyn ja tehotiheyden sekä pitkäaikaisen kestävyyden, korkean luotettavuuden ja turvallisuuden tasapainottaminen on yhä tärkeämpää.

Lähtökondensaattorit ovat DC-DC-muuntimissa välttämättömiä, koska ne muodostavat yhdessä pääinduktorin kanssa sähköenergiavaraston ulostuloa varten ja tasoittavat lähtöjännitettä. Tulokondensaattoreiden on suoriuduttava hyvin tehohäviön ja aaltoilun suhteen. Niiden on ylläpidettävä jännitettä ja varmistettava, että kiskojännite pysyy vakaana taajuusmuuttajalle.

Vaihtelevia kondensaattorityyppejä voidaan käyttää näihin DC-DC-muuntimen tulo- ja lähtörooleihin. Kuvassa 8 esitetään joitakin vaihtoehtoja, mukaan lukien elektrolyyttikondensaattorit, OSCON-kondensaattorit, SP-kondensaattorit, POS-kondensaattorit, kalvokondensaattorit ja monikerroksiset keraamiset kondensaattorit (MLCC-kondensaattorit), ja luokitellaan niiden suorituskyky kunkin ominaisuuden mukaan. Vaikka paras valinta riippuu sovelluksesta, voimme vertailla kunkin tyypin suhteellisia ominaisuuksia.

Vaikka elektrolyyttikondensaattorit tarjoavat suurimman ESR:n, niiden kapasitanssi- ja vuotovirtaominaisuudet heikkenevät merkittävästi korkeammissa lämpötiloissa ja suuremmilla taajuuksilla. Keraamisten kondensaattoreiden erittäin alhainen ESR ja ESL tarjoavat loistavan transienttisuorituskyvyn, mutta niillä on rajoituksia kapasitanssin deratoinnissa. Ne voivat toimia myös hyvin suurilla ripple-virroilla, mutta ne ovat alttiita ikääntymisvaurioille ja vaativat pienempiä käyttösähkökenttiä.

Polymeerielektrolyyttikondensaattorit ovat suosittuja IC-piirien virtalähteissä puskuri-, ohitus- ja irtikytkentätoiminnoissa, erityisesti litteissä tai kompakteissa laitteissa. Ne kilpailevat siis MLCC-kondensaattoreiden kanssa, mutta tarjoavat korkeammat kapasitanssiarvot, ja toisin kuin luokan 2 ja 3 keraamisilla kondensaattoreilla, niillä ei ole mikrofonivaikutusta.

DC-DC-muuntimien tulo- ja lähtösuodattimissa MLCC-kondensaattorit ovat olleet yleisimmin käytetyin tyyppi edullisten kustannustensa ja alhaisen ESR:n ja ESL:n vuoksi. Niillä on kuitenkin haittapuolia, kuten:

• Pieni kapasitanssi tilavuutta kohti, erityisesti luokan 1 dielektrisillä materiaaleilla (NO/COG)
• Suuret runkokoot, jotka ovat alttiita halkeilemaan piirilevyn taivutuksen yhteydessä
• DC-varautumisen epävakaus
• Piezo-ilmiö (Singing)

Tässä polymeerikondensaattoreiden rooli löytyy. Panasonic valmistaa kiinteitä polymeerialumiinikondensaattoreita: SP-Caps ja OS-CON, tantaalipolymeerikondensaattoreita (POS-CAP) ja polymeerihybridialumiinielektrolyyttikondensaattoriteknologioita. Nämä polymeerikondensaattorityypit ovat laajentaneet sovellusvalikoimaansa. Niillä on suuri kapasitanssi ja erinomaiset bias-ominaisuudet, jotka ovat huomattavasti paremmat kuin MLCC:llä, sekä erittäin alhainen ESR- ja alhainen ESL-ominaisuus.

Lisäksi polymeerikondensaattoreilla saavutetaan erittäin korkea luotettavuus ja ylivoimainen suorituskyky matalissa lämpötiloissa käyttämällä kiinteitä polymeerimateriaaleja elektrolyyttinä.

Alla olevassa kuvassa 9 olevassa piirissä on esitetty muutama esimerkki siitä, miten erilaisilla polymeerikondensaattoreilla pystytään parempaan suorituskykyyn kuin MLCC:llä.

Kondensaattoreiden hankkiminen

Erilaisia kondensaattorityyppejä, joissa on laaja valikoima suorituskykymuuttujia, löytyy Farnellin element14:n verkkosivustolta.

Yhteenveto

Tässä artikkelissa on selitetty, mikä kondensaattori on ja miten puhdas kapasitanssi toimii sähköpiirissä. Siinä kuitenkin myös tunnustetaan, että puhdasta kondensaattoria ei reaalimaailmassa ole olemassa. Näin ollen siinä on tarkasteltu erilaisia fysikaalisia ja sähköisiä ominaisuuksia, jotka väistämättä muodostavat todellisen kondensaattorikomponentin, ja siinä on käsitelty laajaa valikoimaa kondensaattorityyppejä ja niiden vaihtelevia ominaisuuksia, joita nykyään on saatavilla eri sovelluksiin.

Tässä artikkelissa on myös tarkasteltu sitä, miten yksi kondensaattorityyppi voidaan toisinaan korvata toisella, käyttäen esimerkkinä polymeerikondensaattoreiden korvaamista MLCC-kondensaattoreilla.