Kondensatorstyper och prestanda

Kondensatorer är passiva komponenter som lagrar elektrisk laddning. Denna enda funktion kan dock användas på många olika sätt inom en mängd olika tillämpningar – växelström och likström, analogt och digitalt. Exempel på detta är tids- och vågformningskretsar, koppling och frikoppling, vågformsfilter och utjämning, tv- och radiostyrning, oscillatorer och, med superkondensatorer, laddningslagring för enheter som t.ex. blixtlampor i kameror. Denna mångfald, tillsammans med skalning för att klara olika nivåer av effekt, ström och spänning, innebär att kondensatorer finns i många former, storlekar och konstruktionstekniker.

Denna artikel undersöker kondensatorer och innebörden av elektrisk kapacitans. Därefter undersöks de egenskaper – utöver kapacitans – som definierar komponenternas prestanda och inverkan på dess målkretsar. Därefter visas hur dessa egenskaper på olika sätt uppvisas av de olika kondensatortyper som för närvarande finns tillgängliga, och hur de påverkar en konstruktörs val av kondensatortyp.

I vissa fall är dock det uppenbara förstahandsvalet för ett projekt kanske inte den bästa vägen att gå; det kan vara önskvärt att ersätta en kondensatorteknik med en annan av någon anledning. Följaktligen avslutas artikeln med ett kort exempel på hur polymerkondensatorer kan ersätta keramiska typer med flera lager.

Vad är en kondensator?

Som figur 1 visar består en kondensator av två ledande plattor som ligger nära varandra och som är åtskilda av en isolator eller ett dielektrikum. Om man applicerar en likström över plattorna kommer de att bygga upp lika stora och motsatta laddningar; negativa på den ena plattan och positiva på den andra. Om strömkällan avlägsnas behåller plattorna sin laddning, bortsett från läckage. Om plattorna sedan kopplas över en belastning, t.ex. en kamerablixtlampa, kommer de att avge all sin energi till den för att driva blixten.

Bemärk att en kondensators konstruktion innebär att den blockerar likström, men leder växelström. I allmänhet gäller att ju högre växelspänningsfrekvens, desto bättre leder kondensatorn växelströmmen.

Mängden energi som en kondensator kan lagra definieras av dess kapacitans, mätt i farads. Eftersom en farad är en opraktiskt stor enhet för kapacitans (med undantag för superkondensatorer), är verkliga komponenter specificerade i något av följande SI-områden, beroende på vad som är lämpligt:

• 1 mF (millifarad, en tusendel (10-3) av en farad)
• 1 μF (mikrofarad, en miljondel (10-6) av en farad)
• 1 nF (nanofarad, en miljarddel (10-9) av en farad)
• 1 pF (picofarad, en trilliondel (10-12) av en farad)

I vilket fall som helst ges kapacitansen C i farad genom ekvationen:

Varvid q är laddningen i coulomb (+q och -q laddningar på plattorna) och V är spänningen i volt över plattorna.

Detta ger ett spännings-/strömförhållande på

Varvid i = ström i ampere.

Den energi som lagras i en kondensator fås genom att integrera arbetet W (Watt)

Den första av ovanstående ekvationer talar om för oss att en ökning av kapacitansen gör att mer laddning kan lagras för en given spänning över kondensatorn. Kapaciteten kan ökas genom att öka plattornas storlek, flytta plattorna närmare varandra eller genom att förbättra dielektrikets isoleringsegenskaper. Kondensatorer av alla typer uppnår sina målvärden för kapacitans genom att justera dessa tre variabler. Om ett önskat kapacitansvärde kan uppnås med olika kondensatortyper, hur bestämmer vi då vilken typ som är bäst för en viss tillämpning?

Svaret är att även om ideala kondensatorer endast skulle ha kapacitans, har verkliga enheter också många andra parametrar och egenskaper som påverkar deras prestanda inom, och lämplighet för, deras måltillämpning. Dessa faktorer beror på den kondensatorteknik som används, och alla måste beaktas när man väljer en optimal lösning.

Kriterierna omfattar driftsspänning, enhetens storlek, frekvensrespons, åldrande (uttorkning av våtelektrolyt) som orsakar kapacitetsförlust, högsta rekommenderade driftstemperatur, brännbarhet och självläkande egenskaper. Ibland är extremt lågt parasitmotstånd (känt som ekvivalent serieresistans eller ESR) nödvändigt för att minimera I2R-förlusterna i högströmstillämpningar.

Nästan tittar vi närmare på dessa och andra kondensatoregenskaper och sedan på hur de återspeglas i de olika kondensatorstyperna.

Kondensatoregenskaper

KEMET:s publikation ”Introduktion till kondensatorteknik” innehåller mycket användbar information och har utgjort bakgrunden till diskussionen om kondensatoregenskaperna nedan.

Dielektriska egenskaper och kondensator-CV

Dielektriska egenskaper påverkar kondensatorers volymetriska verkningsgrad, dvs. mängden kapacitans per given volym. Detta uttrycks som ett CV-värde, där C = kapacitans och V är spänning. CV-värdena är viktiga överväganden vid utformning av bärbara system eller mycket tätt befolkade kretskort där hög kapacitans på minimal volym är viktigt.

Vissa dielektriska material, t.ex. tantal, är kända för sina höga CV-egenskaper. CV kan också ökas genom att maximera den användbara elektrodytan och minimera förpackningsöverskottet.

Praktiska kapacitetsfrågor

En kondensators användbara kapacitans kan skilja sig från dess nominella värde på grund av flera faktorer. Dessa inkluderar:

• Temperatur
• Fuktighet
• Växel- och likspänning
• Signalfrekvens
• Kondensatorns ålder
• Mekanisk
• Piezoelektrisk effekt

När man väljer en kondensator för en tillämpning, måste man ta hänsyn till dess klassificering för dessa faktorer.

Toleranser är ett annat viktigt övervägande. Kondensatorer är toleranskodade och de vanligaste koderna är:

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

Läckström vs isoleringsmotstånd

De dielektriska materialen i kondensatorer är inte idealiska isolatorer; de kan släppa igenom en liten likströmsläckström av olika skäl som är specifika för varje dielektrisk typ. Detta gör att en laddad kondensators terminalspänning långsamt sjunker när läckströmmen dränerar bort dess laddning.

I allmänhet tenderar isoleringsmotståndet att minska när kapacitansvärdena ökar. Läckströmmen ökar med stigande temperatur.

Sambandet mellan läckströmmen (LC) och kondensatorns dielektriska isoleringsmotstånd (IR) ges av den enkla formeln:

I(LC) = V/R(IR)

Laddnings-/urladdningsbeteende

När en likspänning läggs på en kondensator i serie med ett motstånd laddar kondensatorn i en takt som bestäms av den påförda spänningen, laddningsläget i förhållande till slutvärdet, serieresistansen och dess egen kapacitans. Motstånds-kapacitansprodukten RC är känd som kretsens tidskonstant. För att vara exakt är RC-tidskonstanten den tid som krävs för att ladda kondensatorn med 63,2 % av skillnaden mellan start- och slutvärdet. Samma RC-värde styr också den tid som krävs för att ladda ur kondensatorn genom seriemotståndet.

Dielektrisk styrka

Om spänningen över en kondensator ökas tillräckligt mycket kommer det elektriska fältet så småningom att leda till att dielektrikumet bryts ner och leder ström. Med vissa dielektriker är effekten permanent, så kondensatorn förstörs.

Vissa dielektriker kan dock självläka. Film- och papperskondensatorer med mycket tunna elektroder kan till exempel självläka eftersom den stora nedbrytningsströmmen värmer upp elektrodskikten vilket gör att metaller förångas och oxideras bort från det drabbade området, vilket isolerar kortslutningsbanan från resten av kondensatorn. Denna process kan inträffa även i tillämpningar med mycket hög effekt på upp till flera kilowatt.

Avledning av energi

När växelspänning läggs över en kondensator strömmar strömmen genom dess dielektriska material och ledande delar. I praktiken går en del av denna ström förlorad i den lilla mängden motstånd i kondensatorn. Denna förlust visar sig som en temperaturökning i kondensatorn. Kondensatorns totala motstånd, kallat ekvivalent serieresistans (ESR), är en summa av två element:

• Dielektriskt materialets resistans
• De ledande delarnas resistans

Induktans

Elektroderna och ledningstrådarna eller avslutningarna i en kondensator är metallledare, som har en viss induktans associerad med sig. Denna induktans tenderar att motstå förändringar i växelströmmen genom kondensatorn. Den kallas ekvivalent serieinduktans eller ESL.

Beskrivning av kondensatorns ekvivalenta krets

En kondensators ledande delar har ett tillhörande ohmsk motstånd som tillsammans med det dielektriska motståndet bildar ett ekvivalent seriemotstånd (ESR). En praktisk kondensator kan beskrivas med hjälp av en så kallad ekvivalentkrets enligt fig.2, där ett motstånd (ESR) och en induktans (ESL) ligger i serie med en ren kondensator parallellt med ett motstånd som är lika stort som dielektrikums isolationsmotstånd.

Differenta kondensatorstyper

I fig.3 sammanfattas de olika kondensatorstyper som för närvarande finns tillgängliga. Vi går igenom de fasta kondensatortyperna nedan.

Caoacitorguide.com ger ingående förklaringar av de olika kondensatortyperna och deras uppbyggnad; informationen om kondensatortyperna nedan (med undantag för Glas och Feedthru) bygger på detta innehåll.

Film

Filmkondensatorer använder en tunn plastfilm som dielektrikum; denna kan vara metalliserad eller lämnas obehandlad, beroende på kondensatorns nödvändiga egenskaper. Dessa typer erbjuder stabilitet, låg induktans och låg kostnad. Olika filmversioner inkluderar polyester, metalliserad, polypropylen, PTFE och polystyren. Kapaciteterna varierar från under 1nF till 30µF.

Dessa kondensatortyper är opolerade, vilket gör dem lämpliga för växelsignal- och krafttillämpningar. Filmkondensatorer kan ha mycket höga precisionskondensatorvärden, som de behåller längre än andra kondensatortyper. De är mycket tillförlitliga med lång hållbarhet och livslängd, med en åldringsprocess som i allmänhet är långsammare än andra typer, t.ex. elektrolytiska. De har låga ESR- och ESL-värden och därmed mycket låga dissipationsfaktorer. De kan tillverkas för att tåla spänningar i kilovoltområdet och kan ge mycket höga stötströmspulser.

Det finns filmkondensatorer som tål reaktiv effekt på över 200 volt-ampere. Dessa används i kraftelektroniska apparater, fasskiftare, röntgenblixtar och pulslasrar. De låg effektvarianterna används som frikopplingskondensatorer, filter och i A/D-omvandlare. Andra anmärkningsvärda tillämpningar är säkerhetskondensatorer, elektromagnetisk störningsundertryckning, förkopplingsdon för lysrör och snubberkondensatorer.

Keramisk

Keramiska kondensatorer använder ett keramiskt material som dielektrikum. Flerlagerschipkondensatorn (MLCC) och den keramiska skivkondensatorn är de vanligaste typerna i modern elektronik. MLCC-kondensatorer tillverkas i SMT-form (Surface Mount Technology) och används ofta på grund av sin ringa storlek. Kapacitetsvärdena ligger vanligtvis mellan 1 nF och 1 µF, även om värden upp till 100 µF finns tillgängliga. De är opolära och kan därför användas i växelströmskretsar. De har en stor frekvensrespons på grund av låga resistiva och induktiva parasitära effekter.

Det finns två klasser av keramiska kondensatorer som finns tillgängliga idag: klass 1 och klass 2. Keramiska kondensatorer av klass 1 används när hög stabilitet och låga förluster krävs. De är mycket exakta och kapacitansvärdet är stabilt med avseende på applicerad spänning, temperatur och frekvens.

Klass 2-kondensatorer har en hög kapacitans per volym och används för mindre känsliga tillämpningar. Deras termiska stabilitet är typiskt ±15 % inom driftstemperaturområdet, och toleranserna för det nominella värdet är cirka 20 %.

MLCC:er erbjuder hög packningstäthet för montering på kretskort, även om det också finns fysiskt stora keramiska komponenter med stor effekt som klarar spänningar från 2 kV upp till 100 kV, med en effekt som är bättre än 200 VA.

Elektrolytisk

Elektrolytiska kondensatorer använder en elektrolyt för att ge ett större kapacitansvärde än andra kondensatorstyper. Nästan alla elektrolytkondensatorer är polariserade och måste därför användas i likströmskretsar och vara korrekt polariserade. Elektrolytkondensatorer kan vara antingen våtelektrolytkondensatorer eller fasta polymerkondensatorer. De tillverkas vanligen av tantal eller aluminium. Aluminiumkondensatorer har vanligtvis kapaciteter på mellan 1 µF och 47 mF, med en driftsspänning på upp till några hundra volt likström. Superkondensatorer, som ibland kallas dubbelskiktskondensatorer, finns dock också tillgängliga med kapaciteter på hundratals eller tusentals farads.

Nackdelar är bl.a. stora läckströmmar, stora värdetoleranser på typiskt 20 %, ekvivalent seriemotstånd och begränsad livslängd. Kapacitetsvärdena avviker också med tiden. Kondensatorer kan överhettas eller till och med explodera om de utsätts för spänningar med omvänd polaritet.

Elektrolytiska kondensatorer används i tillämpningar som inte kräver snäva toleranser och växelströmspolning, men som kräver stora kapacitansvärden. Exempel är filtersteg i strömförsörjningar för att ta bort växelströmsrippel, eller för utjämning av in- och utgångar som lågpassfilter för likströmsignaler med en svag växelströmskomponent.

Superkondensatorer

Superkondensatorer är en typ av elektrolytiska kondensatorer, som beskrivs ovan. De kan lagra extremt stora mängder elektrisk energi genom att använda två mekanismer; dubbelskiktskapacitans och pseudokapacitans. Den första är elektrostatisk, medan den andra är elektrokemisk, så superkondensatorer kombinerar egenskaperna hos normala kondensatorer med egenskaperna hos vanliga batterier.

I själva verket används de som alternativ till batterier i många tillämpningar, inklusive KERS-system (Kinetic Energy Recovery Systems) för bilar, fotografiska flash- och statiska RAM-minnen. Framtida möjligheter omfattar mobiltelefoner, bärbara datorer och elbilar; deras mest spännande fördel är deras mycket snabba uppladdningshastighet, vilket innebär att en elbil skulle kunna laddas på några minuter.

Denna teknik kan uppnå kapacitansvärden på upp till 12 000 F. De har mycket snabba laddnings- och urladdningstider, som är jämförbara med vanliga kondensatorer, på grund av deras låga inre motstånd. Däremot kan det ta upp till flera timmar för batterier att bli fulladdade. Superkondensatorer har också en specifik effekt som är 5-10 gånger större än batteriernas, t.ex. 10 kW/Kg jämfört med 1-3 kW/Kg för Li-ion-batterier. Superkondensatorer värms inte lika mycket som batterier när de misshandlas och har en praktiskt taget obegränsad livslängd, jämfört med 500+ cykler som är typiska för batterier.

Nackdelar med superkondensatorer är bl.a. låg specifik energi (Wh/Kg), linjär urladdningsspänningskarakteristik (en superkondensator som är dimensionerad för en utgångseffekt på 2,7 V skulle t.ex. sjunka till 1,35 V vid en urladdning på 50 %) och höga kostnader. Dessa har hittills hindrat superkondensatorer från att ersätta batterier i de flesta tillämpningar.

Glimmer

Glimmerkondensatorer innebär i dag silverglimmerkondensatorer, som tillverkas genom att man smörjer in glimmerplattor som beläggs med metall på båda sidor. Kapacitetsvärdena är små, vanligtvis från några pF upp till några nF, även om de största glimmertyperna kan nå 1 µF. Spänningen är vanligtvis 100 till 1000 volt, även om vissa kondensatorer är dimensionerade för upp till 10 kV för RF-sändartillämpningar. De används också i andra högspänningstillämpningar på grund av sin höga brytningsspänning.

De har låg förlust, vilket gör att de kan användas vid höga frekvenser, är tillförlitliga och deras värde förblir stabilt över tiden. Kondensatorerna är också stabila över stora spännings-, temperatur- och frekvensområden. De har vanligtvis ett relativt litet kapacitivt värde. De erbjuder precision, med toleranser så låga som +/- 1 %. Kondensatorerna är dock skrymmande och dyra.

Glas

Glaskondensatorer används i RF-kretsar där ultimata prestanda krävs. De erbjuder en låg temperaturkoefficient utan hysterese, noll åldringshastighet, inget piezoelektriskt brus, noll åldringshastighet och extremt låga förluster. De har också en stor RF-strömkapacitet, med höga driftstemperaturer, ofta upp till 200°C.

Feedthru

AVX erbjuder ett sortiment av genomföringskondensatorer, som finns i både standardstorlek 0805 och 1206. Dessa kondensatorer är idealiska val för EMI-undertryckning, bredbandig I/O-filtrering eller konditionering av Vcc-strömlinje. Den unika konstruktionen av en genommatningskondensator ger låg parallell induktans och erbjuder utmärkt frikopplingsförmåga för alla miljöer med hög di/dt och ger betydande brusreducering i digitala kretsar upp till 5 GHz. AVX erbjuder feedthru-kondensatorer av fordonskvalitet som är kvalificerade enligt AEC-Q200. Dessa kondensatorer finns i NP0- och X7R-dielektriker med termineringsalternativ inklusive pläterad Ni och Sn.

Utbytbarhet av kondensatortyper

Och även om de olika kondensatortyperna är optimerade för olika tillämpningar, kan det vara möjligt eller önskvärt att byta ut en typ mot en annan. Panasonic har till exempel skrivit en djupgående vitbok som visar hur polymerkondensatorer kan ersätta MLCC i olika tillämpningar. Information från detta dokument ges nedan.

Den moderna utvecklingen av integrerade kretsar, och därmed sammanhängande förväntningar på deras prestanda, har ställt högre krav på deras relaterade komponenter, inklusive kondensatorer. Denna trend är till exempel tydlig i konstruktioner av DC-DC-omvandlare. Dessa strävar efter högre energieffektivitet, ökande belastningsströmmar, miniatyrisering och högre kopplingsfrekvenser. Sådana trender kräver kondensatorer som klarar högre strömstyrkor i en mindre volym. Det finns ett ökande behov av att balansera hög prestanda och effekttäthet mot långvarig uthållighet, hög tillförlitlighet och säkerhet.

Utgångskondensatorer är viktiga för DC-DC-omvandlare eftersom de tillsammans med huvudinduktorn tillhandahåller en reservoar av elektrisk energi för utgången och jämnar ut utgångsspänningen. Ingångskondensatorer måste prestera bra när det gäller effektförlust och rippelprestanda. De ska bibehålla spänningen och se till att rälsspänningen förblir stabil till växelriktaren.

Varierande kondensatorstyper kan användas för dessa DC-DC-omvandlares ingångs- och utgångsroller. Figur 8 visar några alternativ, inklusive elektrolytkondensatorer, OSCONs, SP-Caps, POS-Caps, filmkondensatorer och keramiska flerskiktskondensatorer (MLCCs), och rangordnar deras prestanda enligt varje egenskap. Även om det bästa valet beror på applikationen kan vi jämföra de relativa egenskaperna hos varje typ.

Samtidigt som elektrolytkondensatorer ger störst ESR, försämras deras kapacitans- och läckströmsprestanda avsevärt vid högre temperaturer och frekvenser. Keramiska kondensatorers mycket låga ESR och ESL ger bra transientprestanda, men de har begränsningar när det gäller kapacitetsminskning. De kan också fungera vid mycket höga rippelströmmar, men de är benägna att åldras och kräver lägre elektriska fält.

Polymerelektrolytkondensatorer är populära i strömförsörjningar för IC-kretsar för buffert-, bypass- och frikopplingsfunktioner, särskilt i enheter med platt eller kompakt konstruktion. De konkurrerar därför med MLCC, men erbjuder högre kapacitansvärden och till skillnad från keramiska kondensatorer av klass 2 och 3 uppvisar de ingen mikrofoneffekt.

För DC-DC-omvandlares ingångs- och utgångsfilter har MLCC-kondensatorer varit den mest använda typen på grund av deras låga kostnader och låga ESR och ESL. De har dock nackdelar, bland annat:

• Liten kapacitans per volym, särskilt för dielektriska material av klass 1 (NO/COG)
• Stora kroppsstorlekar som är benägna att spricka vid böjning av kretskortet
• Instabilitet i likströmsförspänningen
• Piezo-effekt (Singing)

Det är här som polymerkondensatorer finner en roll. Panasonic tillverkar solida polymerkondensatorer av aluminium: SP-Caps och OS-CON, tantalpolymerkondensatorer (POS-CAP) och polymerhybridteknik för aluminiumelektrolytkondensatorer. Dessa typer av polymerkondensatorer har utökat sina användningsområden. De har stor kapacitans och utmärkta förspänningsegenskaper, långt överlägsna MLCC:s, samt extremt låga ESR- och ESL-egenskaper.

Den polymera kondensatorerna uppnår dessutom en mycket hög tillförlitlighet och överlägsna lågtemperaturegenskaper genom att använda fasta polymera material som elektrolyt.

Kretsen i fig. 9 nedan visar ett par exempel på hur olika polymera kondensatorer kan förbättra MLCC-kondensatorernas prestanda.

Köp av kondensatorer

De olika kondensatorstyperna, med ett brett utbud av prestandavariabler, finns på Farnell element14:s webbplats.

Slutsats

Denna artikel har förklarat vad en kondensator är och hur en ren kondensator fungerar i en elektrisk krets. Den erkänner dock också att det inte finns någon ren kondensator i den verkliga världen. Följaktligen har man undersökt de olika fysiska och elektriska egenskaper som oundvikligen utgör en verklig kondensatorkomponent och diskuterat det breda utbudet av kondensatortyper och deras varierande egenskaper som nu finns tillgängliga för olika tillämpningar.

Den har också tittat på hur en kondensatortyp ibland kan ersättas av en annan, med polymerkondensatorers substitution av MLCC:s som ett exempel.