Tipuri și performanțe ale condensatoarelor

Capacitoarele sunt componente pasive care stochează sarcini electrice. Cu toate acestea, această singură funcție poate fi utilizată în multe moduri în cadrul unei mari varietăți de aplicații – AC și DC, analogice și digitale. Printre exemple se numără circuitele de sincronizare și de modelare a undelor, cuplarea și decuplarea, filtrele și netezirea formelor de undă, reglarea televiziunii și a radioului, oscilatoarele și, în cazul supercondensatoarelor, stocarea încărcăturii pentru dispozitive cum ar fi becurile flash ale aparatelor foto. Această diversitate, cuplată cu scalarea pentru a se adapta la diferite niveluri de putere, curent și tensiune, înseamnă că condensatorii vin în multe forme, dimensiuni și tehnici de construcție.

Acest articol examinează condensatorii și semnificația capacității electrice. Apoi analizează proprietățile – în plus față de capacitate – care definesc performanța și impactul componentelor asupra circuitelor sale țintă. Apoi, arată modul în care aceste proprietăți sunt prezentate în mod variat de diferitele tipuri de condensatoare disponibile în prezent și modul în care acestea influențează alegerile unui proiectant în ceea ce privește tipul de condensator.

Câteodată, totuși, prima alegere aparentă pentru un proiect poate să nu fie cea mai bună cale de urmat; poate fi de dorit să se înlocuiască o tehnologie de condensator cu alta dintr-un anumit motiv. În consecință, articolul se încheie cu un scurt exemplu despre modul în care condensatorii polimerici pot înlocui tipurile ceramice multistrat.

Ce este un condensator?

După cum arată Fig.1, un condensator cuprinde două plăci conductoare aflate în imediata apropiere una de cealaltă, separate de un izolator sau dielectric. Dacă se aplică un curent continuu între plăci, acestea vor acumula sarcini egale și opuse; negative pe o placă și pozitive pe cealaltă. Îndepărtați sursa de curent și plăcile își vor păstra încărcătura, cu excepția scurgerilor. Apoi, dacă plăcile sunt conectate la o sarcină, cum ar fi un bec cu bliț de aparat foto, ele vor elibera toată energia lor în acesta pentru a alimenta blițul.

Rețineți că designul unui condensator înseamnă că acesta blochează curentul continuu, dar conduce curentul alternativ. În general, cu cât frecvența tensiunii de curent alternativ este mai mare, cu atât condensatorul conduce mai bine curentul alternativ.

Cantitatea de energie pe care o poate stoca un condensator este definită de capacitatea sa, măsurată în farads. Deoarece un farad este o unitate de capacitate nepractic mare (cu excepția supercondensatoarelor), componentele reale sunt evaluate într-unul dintre următoarele intervale SI, după caz:

• 1 mF (miliafarad, o miime (10-3) de farad)
• 1 μF (microfarad, o milionime (10-6) de farad)
• 1 nF (nanofarad, o miliardime (10-9) de farad)
• 1 pF (picofarad, o trilionime (10-12) de farad)

În orice caz, capacitatea C în farade este dată de ecuația:

În orice caz, capacitatea C în farade este dată de ecuația:

Unde q este sarcina în coulombi (sarcini +q și -q pe plăci) și V este tensiunea în volți pe plăci.

Aceasta dă o relație tensiune/curent de

Unde i = curent în amperi.

Energia stocată într-un condensator se găsește prin integrarea lucrului W (wați)

Prima dintre ecuațiile de mai sus ne spune că mărirea capacității permite stocarea unei cantități mai mari de sarcină pentru o tensiune dată pe condensator. Capacitatea poate fi mărită prin creșterea dimensiunii plăcilor, prin mutarea plăcilor mai aproape una de cealaltă sau prin îmbunătățirea proprietăților de izolare ale dielectricului. Condensatoarele de toate tipurile își ating valorile țintă ale capacității prin ajustarea acestor trei variabile în funcție de acestea. Prin urmare, dacă o valoare de capacitate necesară poate fi obținută cu diferite tipuri de condensatoare, cum decidem ce tip este cel mai bun pentru o anumită aplicație?

Răspunsul este că, în timp ce condensatoarele ideale ar avea doar capacitatea, dispozitivele reale au, de asemenea, mulți alți parametri și caracteristici care le afectează performanța în cadrul aplicației lor țintă și adecvarea la aceasta. Acești factori depind de tehnologia condensatoarelor utilizată și toți trebuie luați în considerare atunci când se alege o soluție optimă.

Criteriile includ tensiunea de funcționare, dimensiunea dispozitivului, răspunsul în frecvență, îmbătrânirea (uscarea electrolitului umed) care cauzează pierderea capacității, temperatura maximă de funcționare recomandată, inflamabilitatea și proprietățile de autovindecare. Uneori, este necesară o rezistență parazită extrem de scăzută (cunoscută sub numele de rezistență echivalentă în serie sau ESR) pentru a minimiza pierderile I2R în aplicațiile de curent ridicat.

În continuare, analizăm mai îndeaproape aceste și alte proprietăți ale condensatoarelor și apoi modul în care acestea sunt reflectate în diferitele tipuri de condensatoare.

Proprietățile condensatoarelor

Publicația KEMET „Introducere în tehnologiile condensatoarelor” conține multe informații utile și a constituit fundalul discuției despre proprietățile condensatoarelor prezentate mai jos.

Caracteristicile dielectrice și CV-ul condensatorului

Proprietățile dielectrice influențează eficiența volumetrică a condensatoarelor, adică cantitatea de capacitate pe un volum dat. Aceasta este exprimată ca o valoare CV, unde C = capacitate și V este tensiunea. Valorile CV sunt considerații importante la proiectarea sistemelor portabile sau a plăcilor de circuite foarte dens populate, unde este esențială o capacitate mare într-un volum minim.

Câțiva dielectrici, cum ar fi tantalul, sunt cunoscuți pentru proprietățile lor CV ridicate. CV-ul poate fi, de asemenea, mărit prin maximizarea suprafeței utilizabile a electrozilor și prin minimizarea cheltuielilor generale ale ambalajului.

Probleme practice legate de capacitate

Capacitatea utilizabilă a unui condensator poate fi diferită de valoarea sa nominală din cauza mai multor factori. Aceștia includ:

• Temperatura
• Humiditatea
• Tensiunea de curent alternativ și de curent continuu
• Frecvența semnalului
• Vechimea condensatorului
• Mecanică
• Efectul piezoelectric

Când selectați un condensator pentru o aplicație, trebuie să se ia în considerare valorile sale nominale pentru acești factori.

Toleranțele sunt un alt considerent important. Condensatoarele sunt codificate în funcție de toleranță, cele mai frecvente coduri fiind:

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

Curentul de scurgere în funcție de rezistența de izolație

Materialele dielectrice din condensatoare nu sunt izolatori ideali; ele pot lăsa să treacă un mic curent continuu de scurgere din diverse motive specifice fiecărui tip de dielectric. Acest lucru va face ca tensiunea la bornele unui condensator încărcat să scadă încet, pe măsură ce curentul de scurgere drenează sarcina acestuia.

În general, rezistența de izolație tinde să scadă pe măsură ce valorile capacității cresc. Curentul de scurgere crește odată cu creșterea temperaturii.

Relația dintre curentul de scurgere (LC) și rezistența de izolație (IR) a dielectricului condensatorului este dată de formula simplă:

I(LC) = V/R(IR)

Comportamentul de încărcare/descărcare

Când o tensiune continuă este aplicată unui condensator în serie cu un rezistor, condensatorul se încarcă la o rată stabilită de tensiunea aplicată, de starea de încărcare în raport cu valoarea sa finală, de rezistența în serie și de propria sa capacitate. Produsul rezistență-capacitanță, RC, este cunoscut ca fiind constanta de timp a circuitului. Mai exact, constanta de timp RC este timpul necesar pentru a încărca condensatorul cu 63,2% din diferența dintre valoarea inițială și cea finală. Aceeași valoare RC guvernează, de asemenea, timpul necesar pentru descărcarea condensatorului prin rezistorul serie.

Tensiunea dielectrică

Dacă tensiunea pe un condensator este suficient de mare, câmpul electric va determina în cele din urmă ca dielectricul să se rupă și să conducă curentul. La unii dielectrici, efectul este permanent, astfel încât condensatorul este distrus.

Cei mai mulți dielectrici, totuși, se pot autovindeca. De exemplu, condensatoarele din peliculă și hârtie cu electrozi foarte subțiri se pot autovindeca, deoarece curentul mare de defecțiune încălzește straturile de electrozi, determinând evaporarea și oxidarea metalelor departe de zona afectată, izolând astfel calea de scurtcircuit de restul condensatorului. Acest proces poate avea loc chiar și în aplicații de putere foarte mare, cu puteri nominale de până la câțiva kilowați.

Disiparea energiei

Când o tensiune de curent alternativ este aplicată pe un condensator, curentul trece prin materialul său dielectric și prin părțile conductoare. În practică, o parte din acest curent este disipat în mica cantitate de rezistență din interiorul condensatorului. Această disipare se manifestă ca o creștere a temperaturii în condensator. Rezistența totală a condensatorului, numită Rezistența echivalentă în serie (ESR) este o sumă de două elemente:

• Rezistența materialului dielectric
• Rezistența părților conductoare

Inductanță

Electrozii și firele conductoare sau terminațiile unui condensator sunt conductoare metalice, care au o anumită inductanță asociată cu ele. Această inductanță tinde să reziste la modificări ale curentului alternativ prin condensator. Este cunoscută sub numele de inductanță echivalentă în serie sau ESL.

Descrierea circuitului echivalent al condensatorului

Părțile conductoare ale unui condensator au o rezistență ohmică asociată, care se combină cu rezistența dielectrică pentru a forma o rezistență echivalentă în serie (ESR). Un condensator practic poate fi descris prin utilizarea unui așa-numit circuit echivalent ca în Fig.2, unde o rezistență (ESR) și o inductanță (ESL) sunt în serie cu o capacitate pură pusă în paralel cu o rezistență egală cu rezistența de izolație a dielectricului.

Diferite tipuri de condensatoare

Fig.3 rezumă diferitele tipuri de condensatoare disponibile în prezent. Mai jos trecem în revistă tipurile de condensatoare fixe.

Caoacitorguide.com oferă explicații aprofundate despre diferitele tipuri de condensatoare și construcția acestora; informațiile despre tipurile de condensatoare de mai jos (cu excepția celor din sticlă și Feedthru) se bazează pe acest conținut.

Film

Condensatoarele cu film utilizează o peliculă subțire de plastic ca dielectric; aceasta poate fi metalizată sau lăsată netratată, în funcție de proprietățile necesare ale condensatorului. Aceste tipuri oferă stabilitate, inductanță scăzută și costuri reduse. Diferitele versiuni de film includ poliester, metalizat, polipropilenă, PTFE și polistiren. Capacitățile variază de la mai puțin de 1nF până la 30µF.

Aceste tipuri de condensatoare sunt nepolarizate, ceea ce le face potrivite pentru aplicații de semnal și putere în curent alternativ. Condensatoarele cu peliculă pot avea valori de condensator de foarte mare precizie, pe care le păstrează mai mult timp decât alte tipuri de condensatoare. Aceștia sunt foarte fiabili, cu o durată de depozitare și de funcționare lungă, cu un proces de îmbătrânire care este, în general, mai lent decât alte tipuri, cum ar fi cele electrolitice. Au valori ESR și ESL scăzute, prin urmare, factori de disipare foarte mici. Pot fi realizate pentru a rezista la tensiuni în gama de kilovolți și pot furniza impulsuri de curent de supratensiune foarte mari.

Există condensatoare cu peliculă de putere care pot rezista la o putere reactivă de peste 200 volt-amperi. Aceștia sunt folosiți în dispozitive electronice de putere, defazoare, flash-uri de raze X și lasere cu impulsuri. Variantele de putere redusă sunt utilizate ca și condensatori de decuplare, filtre și în convertoare A/D. Alte aplicații notabile sunt condensatorii de siguranță, suprimarea interferențelor electromagnetice, balasturile de lumină fluorescentă și condensatorii snubber.

Ceramica

Condensatorii ceramici folosesc un material ceramic ca dielectric. Condensatorul cu cip multistrat (MLCC) și condensatorul cu disc ceramic sunt cele mai frecvent utilizate tipuri în electronica modernă. MLCC-urile sunt fabricate în forme de tehnologie de montare pe suprafață (SMT) și sunt utilizate pe scară largă datorită dimensiunilor lor mici. Valorile capacității sunt de obicei cuprinse între 1 nF și 1 µF, deși sunt disponibile valori de până la 100 µF. Acestea sunt nepolarizate, deci pot fi utilizate în circuite de curent alternativ. Au un răspuns în frecvență foarte bun datorită efectelor parazite rezistive și inductive reduse.

Există două clase de condensatori ceramici disponibili în prezent: clasa 1 și clasa 2. Condensatoarele ceramice de clasa 1 sunt utilizate acolo unde este necesară o stabilitate ridicată și pierderi reduse. Ele sunt foarte precise, iar valoarea capacității este stabilă în ceea ce privește tensiunea aplicată, temperatura și frecvența.

Condensatorii de clasa 2 au o capacitate mare pe volum și sunt folosiți pentru aplicații mai puțin sensibile. Stabilitatea lor termică este, de obicei, de ±15% în domeniul temperaturii de funcționare, iar toleranțele valorii nominale sunt de aproximativ 20%.

CCCM oferă densități mari de împachetare pentru montarea pe PCB, deși sunt disponibile și componente ceramice de mare putere fizică, care pot rezista la tensiuni de la 2 kV până la 100 kV, cu puteri nominale mai bune de 200 VA.

Condensatoare electrolitice

Condensatoarele electrolitice utilizează un electrolit pentru a oferi o valoare mai mare a capacității decât alte tipuri de condensatoare. Aproape toate condensatoarele electrolitice sunt polarizate, deci trebuie utilizate în circuite de curent continuu și polarizate corect. Condensatoarele electrolitice pot fi fie cu electrolit umed, fie cu polimer solid. Aceștia sunt de obicei fabricați din tantal sau aluminiu. Condensatoarele din aluminiu au de obicei capacități cuprinse între 1 µF și 47 mF, cu o tensiune de funcționare de până la câteva sute de volți în curent continuu. Cu toate acestea, supercondensatorii, uneori numiți condensatori cu dublu strat, sunt de asemenea disponibili cu capacități de sute sau mii de faradii.

Inconvenientele includ curenți de scurgere mari, toleranțe largi ale valorilor, de obicei de 20%, rezistență serie echivalentă și o durată de viață limitată. De asemenea, valorile capacităților se modifică în timp. Condensatorii se pot supraîncălzi sau chiar exploda dacă sunt supuși la tensiuni de polaritate inversă.

Condensatorii electrolitici sunt utilizați în aplicații care nu au nevoie de toleranțe strânse și polarizare în curent alternativ, dar care necesită valori mari ale capacității. Exemplele includ etapele de filtrare în sursele de alimentare pentru a elimina ondulațiile de curent alternativ sau pentru netezirea intrării și ieșirii ca filtru trece-jos pentru semnale de curent continuu cu o componentă slabă de curent alternativ.

Condensatori supercondensatori

Condensatorii supercondensatori sunt un tip de electrolitic, așa cum este descris mai sus. Aceștia pot stoca cantități extrem de mari de energie electrică prin utilizarea a două mecanisme; capacitatea cu dublu strat și pseudocapacitanța. Primul este electrostatic, în timp ce al doilea este electrochimic, astfel încât supercapacitorii combină caracteristicile condensatorilor normali cu cele ale bateriilor obișnuite.

De fapt, ele sunt folosite ca alternative la baterii în multe aplicații, inclusiv în sistemele de recuperare a energiei cinetice (KERS) pentru automobile, în memoria flash fotografică și în memoria RAM statică. Printre posibilitățile viitoare se numără telefoanele mobile, laptopurile și mașinile electrice; cel mai interesant avantaj al lor este rata de reîncărcare foarte rapidă, ceea ce înseamnă că o mașină electrică ar putea fi reîncărcată în câteva minute.

Această tehnologie poate atinge valori ale capacității de până la 12000 F. Au timpi de încărcare și descărcare foarte rapizi, comparabili cu cei ai condensatorilor obișnuiți, datorită rezistenței lor interne scăzute. În schimb, bateriile pot avea nevoie de până la câteva ore pentru a se încărca complet. Supercondensatorii au, de asemenea, puteri specifice de 5 până la 10 ori mai mari decât cele ale bateriilor; de exemplu, 10 kW/Kg în comparație cu 1 – 3 kW/Kg pentru bateriile Li-ion. Supercondensatorii nu se încălzesc la fel de mult ca și bateriile atunci când sunt maltratați și au o durată de viață a ciclurilor practic nelimitată, în comparație cu cele peste 500 de cicluri tipice pentru baterii.

Dezvantajele supercondensatorilor includ o energie specifică scăzută (Wh/Kg), o caracteristică liniară a tensiunii de descărcare (un supercondensator evaluat pentru o putere de ieșire de 2,7 V ar scădea la 1,35 V la o descărcare de 50%, de exemplu) și costuri ridicate. Acestea au împiedicat până în prezent ca supercondensatoarele să înlocuiască bateriile în majoritatea aplicațiilor.

Mica

Condensatoarele de mica înseamnă astăzi condensatoare de mica argintată, realizate prin intercalarea în sandwich a unor foi de mica acoperite cu metal pe ambele fețe. Valorile capacităților sunt mici, de obicei de la câțiva pF până la câțiva nF, deși cele mai mari tipuri de mica pot ajunge la 1 µF. Tensiunile nominale sunt de obicei cuprinse între 100 și 1000 de volți, deși unii condensatori au valori nominale de până la 10 kV pentru aplicații în emițătoare RF. Aceștia sunt, de asemenea, utilizați în alte aplicații de înaltă tensiune, datorită tensiunii de rupere ridicate.

Sunt cu pierderi reduse, permițând utilizarea la frecvențe ridicate, fiabili, iar valoarea lor rămâne stabilă în timp. Condensatoarele sunt, de asemenea, stabile în intervale largi de tensiune, temperatură și frecvență. Aceștia au, de obicei, o valoare capacitivă relativ mică. Ei oferă precizie, cu toleranțe de până la +/- 1%. Cu toate acestea, condensatorii sunt voluminoși și costisitori.

Condensatori de sticlă

Condensatorii de sticlă sunt utilizați în circuitele de radiofrecvență în care este necesară o performanță maximă. Aceștia oferă un coeficient de temperatură scăzut, fără histerezis, rată de îmbătrânire zero, fără zgomot piezoelectric, rată de îmbătrânire zero și pierderi extrem de mici. De asemenea, au o capacitate mare de curent RF, cu temperaturi de funcționare ridicate, adesea de până la 200°C.

Feedthru

AVX oferă o linie de condensatori de trecere, care sunt disponibili atât în dimensiunea standard 0805, cât și în 1206. Acești condensatori sunt alegeri ideale pentru suprimarea EMI, filtrarea I/O în bandă largă sau condiționarea liniei de alimentare Vcc. Construcția unică a unui condensator feed-thru asigură o inductanță paralelă redusă și oferă o capacitate excelentă de decuplare pentru toate mediile cu di/dt ridicat și asigură o reducere semnificativă a zgomotului în circuitele digitale de până la 5 GHz. AVX oferă condensatori feedthru de calitate auto calificați conform AEC-Q200. Aceste condensatoare sunt disponibile în dielectrici NP0 și X7R cu opțiuni de terminații, inclusiv Ni și Sn placate.

Interschimbabilitatea tipurilor de condensatoare

Deși diferitele tipuri de condensatoare sunt optimizate pentru diferite aplicații, poate fi posibil sau de dorit să se înlocuiască un tip cu altul. De exemplu, Panasonic a scris o carte albă detaliată care arată cum condensatorii polimerici pot înlocui MLCC-urile în diverse aplicații. Informațiile din această lucrare sunt prezentate mai jos.

Dezvoltările moderne ale circuitelor integrate și așteptările aferente în ceea ce privește performanța acestora au impus cerințe mai exigente pentru componentele aferente, inclusiv pentru condensatori. Această tendință este evidentă, de exemplu, în proiectele de convertoare DC-DC. Aceștia se îndreaptă spre o mai mare eficiență energetică, creșterea curenților de sarcină, miniaturizare și frecvențe de comutare mai mari. Astfel de tendințe necesită condensatori care pot face față unor sarcini de curent mai mari dintr-un volum mai mic. Există o nevoie din ce în ce mai mare de a echilibra performanțele ridicate și densitatea de putere cu rezistența pe termen lung, fiabilitatea ridicată și siguranța.

Condensatorii de ieșire sunt esențiali pentru convertoarele DC-DC deoarece, împreună cu inductorul principal, furnizează un rezervor de energie electrică pentru ieșire și reglează tensiunea de ieșire. Condensatorii de intrare trebuie să aibă performanțe bune în ceea ce privește disiparea de putere și performanța de ondulație. Ei ar trebui să mențină tensiunea și să se asigure că tensiunea de șină rămâne stabilă pentru invertor.

Pentru aceste roluri de intrare și de ieșire ale convertoarelor DC-DC pot fi utilizate diferite tipuri de condensatoare. Fig.8 prezintă câteva opțiuni, inclusiv condensatori electrolitici, OSCONs, SP-Caps, POS-Caps, condensatori cu peliculă și condensatori ceramici multistrat (MLCCs), și le clasifică performanța în funcție de fiecare caracteristică. În timp ce cea mai bună alegere depinde de aplicație, putem compara caracteristicile relative ale fiecărui tip.

În timp ce condensatoarele electrolitice oferă cel mai mare ESR, performanța capacității și a curentului de scurgere a acestora se degradează semnificativ la temperaturi și frecvențe mai mari. Condensatoarele ceramice, cu ESR și ESL foarte scăzute, oferă performanțe tranzitorii excelente, dar au limitări în ceea ce privește reducerea capacității. De asemenea, pot funcționa la curenți de ondulație foarte mari, dar sunt predispuși la defecțiuni de îmbătrânire și necesită câmpuri electrice de funcționare mai mici.

Condensatorii electrolitici polimerici sunt populari în sursele de alimentare pentru circuite integrate pentru funcții de tampon, bypass și decuplare, în special în cadrul dispozitivelor cu design plat sau compact. Prin urmare, ei concurează cu MLCC, dar oferă valori mai mari ale capacității și, spre deosebire de condensatorii ceramici de clasa 2 și 3, nu prezintă niciun efect microfonic.

Pentru filtrele de intrare și ieșire ale convertoarelor DC-DC, condensatorii MLCC au fost cel mai utilizat tip datorită costurilor lor reduse și a ESR și ESL scăzute. Cu toate acestea, ei au dezavantaje, printre care:

• Capacitate mică pe volum, în special pentru materialele dielectrice de clasa 1 (NO/COG)
• Corpuri de dimensiuni mari, predispuse la fisurare la flexarea PCB
• Instabilitate de polarizare DC
• Efect piezo (Singing)

Aici își găsesc un rol condensatorii polimerici. Panasonic produce condensatoare solide din polimer de aluminiu: SP-Caps și OS-CON, condensatori polimerici cu tantal (POS-CAP) și tehnologii de condensatori electrolitici din aluminiu hibrid cu polimeri. Aceste tipuri de condensatoare polimerice și-au extins gama de aplicații. Ele au o capacitate mare și caracteristici de polarizare excelente, mult superioare celor ale MLCC, precum și caracteristici ESR și ESL extrem de scăzute.

În plus, condensatorii polimerici ating o fiabilitate foarte ridicată și performanțe superioare la temperaturi scăzute prin utilizarea materialelor polimerice solide ca electrolit.

Circuitul din Fig. 9 de mai jos prezintă câteva exemple de îmbunătățire a performanțelor condensatoarelor MLCC de către diferiți condensatori polimerici.

Sourcing condensatori

Diferitele tipuri de condensatori, cu o gamă largă de variabile de performanță, pot fi găsite pe site-ul web al Farnell element14.

Concluzie

Acest articol a explicat ce este un condensator și cum funcționează o capacitate pură în cadrul unui circuit electric. Cu toate acestea, el recunoaște, de asemenea, că nu există un condensator pur în lumea reală. În consecință, a explorat diferitele caracteristici fizice și electrice care alcătuiesc în mod inevitabil o componentă condensatoare reală și a discutat despre gama largă de tipuri de condensatoare și despre caracteristicile lor variate disponibile în prezent pentru diferite aplicații.

Acesta a analizat, de asemenea, modul în care un tip de condensator poate fi uneori înlocuit cu altul, folosind ca exemplu înlocuirea condensatoarelor polimerice pentru MLCC.

.