Výběr správné technologie kondenzátoru pro danou aplikaci

Výběr správného kondenzátoru pro danou aplikaci může znamenat významný rozdíl ve výkonu, spolehlivosti a účinnosti produktů, jako jsou napájecí zdroje pro obranu, letectví a kosmonautiku, lékařskou techniku, kritickou energetickou infrastrukturu nebo rychlé nabíječky elektromobilů.

Kondenzátory jsou základními součástkami mnoha elektronických obvodů, protože ukládají a uvolňují elektrickou energii, filtrují nežádoucí signály a provádějí další funkce. Ne všechny kondenzátory jsou však stejné a různé typy kondenzátorů mají různé vlastnosti, výhody a omezení.

Výběr správného typu kondenzátoru je při návrhu produktu zásadní. Tři běžné možnosti – vícevrstvé keramické kondenzátory („multilayer ceramic capacitor“, MLCC), filmové nebo hliníkové elektrolytické kondenzátory – nabízejí výhody i nevýhody a v každé kategorii existuje nespočet variant. Výběr správného typu zajistí, že konečný produkt bude mít dostatek energie, vejde se do dostupného prostoru a bude pro zamýšlené použití spolehlivě fungovat.

Argumenty pro MLCC

Kondenzátory MLCC se skládají ze střídajících se vrstev keramického dielektrika a kovových elektrod naskládaných a slinutých dohromady, aby vytvořily kompaktní pouzdro. Kondenzátory MLCC se široce využívají v mnoha elektronických zařízeních, poskytují vysoké hodnoty kapacity při malých rozměrech, nízký ekvivalentní sériový odpor („equivalent series resistance“, ESR), nízký unikající proud, vysokou frekvenční odezvu a dobrou teplotní stabilitu.

Jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují vysokou hustotu výkonu, vysokou účinnost, nízký šum a vysokou spolehlivost. V rámci této kategorie však existují odchylky, které mohou mít vliv na vývoj úspěšných produktů:

• MLCC s vysokou spolehlivostí: Nabízejí vysokou spolehlivost, nízkou poruchovost, dlouhou životnost a vysoký výkon v náročných podmínkách. Tyto vlastnosti jsou důležité pro splnění přísných požadavků průmyslových odvětví, jako je letectví a kosmonautika a obrana, včetně specifikací podle norem MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 a MIL-PRF-39014, nebo zdravotnické aplikace.
• Vysokonapěťové MLCC: Pracují při napětí vyšším než 500 V až do 12 kV. Jsou navrženy pro aplikace, které vyžadují izolaci vysokého napětí, jako jsou napájecí zdroje, impulzní generátory a rentgenová zařízení. Vyznačují se vysokou kapacitou, nízkým ESR, nízkým rozptylovým faktorem a vysokým průrazným napětím.
• Vysokoteplotní MLCC: Pracují při teplotách od +125 °C až do +250 °C. Jsou navrženy pro aplikace, které vyžadují vysokou teplotní stabilitu, jako jsou například hlubinné vrty, automobilový průmysl a průmysl. Poskytují vysokou kapacitu, nízký ESR, nízký teplotní koeficient a vysokou odolnost proti teplotním šokům.

Výhody filmových kondenzátorů

Filmové kondenzátory jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují vysoký výkon, vysoký proud, vysoké napětí a vysokou frekvenci, například pro konverzi energie, filtrování, snubbing a spojování. Tyto kondenzátory se skládají z tenké vrstvy dielektrického materiálu – např. polyesteru, polypropylenu, polykarbonátu nebo polyfenylensulfidu – vložené mezi dvě kovové elektrody, buď navinuté do válcového tvaru, nebo poskládané do plochého tvaru.

Filmové kondenzátory jsou často větší a dražší než kondenzátory MLCC, ale poskytují vysoké hodnoty kapacity, vysoké jmenovité napětí, nízký ESR, nízký rozptylový faktor, vysokou frekvenční odezvu a dlouhou životnost. Mezi výhody této technologie patří vyšší jmenovité napětí, lineární změna kapacity s napětím a teplotou, žádný piezoelektrický šum, schopnost samoregenerace a dlouhá životnost.

Existuje několik kategorií filmových kondenzátorů, které mohou ovlivnit, který je pro danou aplikaci vhodný:

• Kondenzátory s metalizovaným polyesterovým filmem používají jako elektrody tenkou vrstvu kovu, například hliníku nebo zinku, nanesenou na polyesterový film. Nabízejí vysokou kapacitu, nízký ESR, nízkou cenu a dobré samoregenerační vlastnosti. Splňují potřeby univerzálních aplikací, jako je bypass, spojování a oddělování.
• Kondenzátory s metalizovaným polypropylenovým filmem využívají jako elektrody polypropylenový film s tenkou vrstvou kovu, například hliníku nebo zinku. Vyznačují se vysokou kapacitou, nízkým ESR, nízkým rozptylovým faktorem, vysokou frekvenční odezvou a vysokou stabilitou. Jsou vhodné pro vysoce výkonné aplikace, jako je kompenzace účiníku, filtrování a snubbing.
• Kondenzátory s polykarbonátovým filmem používají jako dielektrický materiál polykarbonátový film. Nabízejí vysokou kapacitu, vysoké jmenovité napětí, nízký teplotní koeficient a vysokou spolehlivost. Jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují vysokou teplotní stabilitu, jako je časování, snímání a přesné obvody.
• Kondenzátory s polyfenylensulfidovým filmem využívají jako dielektrický materiál polyfenylensulfidový film. Nabízejí vysokou kapacitu, vysokou teplotní odolnost, nízký ESR, nízký rozptylový faktor a vysokou frekvenční odezvu. Vhodné jsou pro aplikace, které vyžadují výkon při vysokých teplotách, jako je automobilový průmysl, průmysl a telekomunikace.
• Kondenzátory s metalizovaným papírovým filmem využívají jako dielektrický materiál metalizovaný papírový film. Nabízejí vysokou kapacitu, vysoké jmenovité napětí, nízký ESR, nízký rozptylový faktor a vysoké samoregenerační vlastnosti. Jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují izolaci vysokého napětí, jako jsou napájecí zdroje, impulzní generátory a rentgenová zařízení.

Hliníkové elektrolytické kondenzátory

Hliníkové elektrolytické kondenzátory jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují vysokou kapacitu, vysoké napětí a nízkou frekvenci, jako je vyhlazování, filtrování a skladování energie.

Hliníkový elektrolytický kondenzátor se díky schopnosti ukládat velké množství elektrické energie vzhledem ke své velikosti používá k vyhlazování napájení v elektronických zařízeních. Tyto kondenzátory mohou mít kratší životnost než MLCC a filmové kondenzátory, a protože jsou polarizovány s kladným a záporným pólem, mohou se při opačné instalaci poškodit. Může z nich také nepřetržitě unikat malé množství proudu a ve srovnání s alternativami nejsou tak stabilní při vysokých frekvencích.

Hliníkové elektrolytické kondenzátory jsou k dispozici s různými typy elektrolytů, jako jsou kapalné, pevné nebo hybridní, které mají různé charakteristiky výkonu, stability a spolehlivosti:

• Hliníkové kondenzátory s kapalným elektrolytem používají jako katodu kapalný roztok elektrolytu. Nabízejí vysokou kapacitu, vysoké jmenovité napětí a nízkou cenu. Mají však také vysoký ESR, vysoký unikající proud, vysoký rozptylový faktor a omezenou životnost. Jsou vhodné pro všeobecné použití, jako je vyhlazování, filtrování a skladování energie.
• Hliníkové kondenzátory s pevným elektrolytem mají jako katodu pevný elektrolytický materiál – např. oxid manganičitý nebo vodivý polymer. Nabízejí nízký ESR, nízký unikající proud, nízký rozptylový faktor a dlouhou životnost. Mají však také nižší kapacitu, nižší jmenovité napětí a vyšší cenu než kondenzátory s kapalným elektrolytem. Jsou vhodné pro vysoce výkonné aplikace, jako jsou spínané napájecí zdroje, LED řadiče a audiozesilovače.
• Hliníkové kondenzátory s hybridním elektrolytem používají jako katodu kombinaci kapalných a pevných elektrolytů. Nabízejí vyváženost mezi kapacitou, jmenovitým napětím, ESR, unikajícím proudem, rozptylovým faktorem a životností. Jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují vysokou hustotu výkonu, vysokou spolehlivost a výkon při vysokých teplotách, jako je automobilový průmysl, průmysl a telekomunikace.

Akvizice dodavatele rozšiřuje portfolio kondenzátorů

Společnosti Knowles a Cornell Dubilier Electronics (CDE) jsou dva přední výrobci kondenzátorů, kteří nabízejí širokou škálu technologií a produktů kondenzátorů. Společnost Knowles získala firmu CDE v roce 2023, čímž zkombinovala vzájemně se doplňující silné stránky obou společností, včetně filmových kondenzátorů a hliníkových elektrolytických kondenzátorů společnosti CDE a filmových kondenzátorů a kondenzátorů MLCC společnosti Knowles Precision Devices.

Společnost Knowles nabízí komplexní portfolio kondenzátorů MLCC ve standardních pouzdrech pro povrchovou montáž a v pouzdrech s páskovým nebo radiálním vedením v rozsahu od pikofaradů až po stovky mikrofaradů s jmenovitými hodnotami od 6,3 V do 12 kV. Kondenzátory MLCC společnosti Knowles jsou k dispozici s různými dielektrickými materiály s různými teplotními koeficienty, dielektrickými konstantami a rychlostmi stárnutí.

Výrobní přístup FlexiCap™ společnosti Knowles využívá patentovaný flexibilní ukončovací materiál z epoxidového polymeru nanesený pod obvyklou povrchovou úpravou s niklovou bariérou, která se přizpůsobí většímu stupni ohybu desky než běžné kondenzátory. Řada StackiCap™ této společnosti poskytuje významné zmenšení prostoru na desce plošných spojů při ekvivalentní hodnotě kapacity v případech, kdy je místo na desce prioritou. Například standardní čip 150 nF ve velikosti pouzdra 8060 je k dispozici v mnohem menší velikosti pouzdra 3640.

Model 2220Y5000564KXT značky Knowles Syfer (obrázek 1) je kondenzátor MLCC pro povrchovou montáž FlexiCap, který dokáže uložit 0,56 µF elektrického náboje s tolerancí ± 10 % a je navržen tak, aby zvládal napětí až 500 V. Je součástí produktové řady kondenzátorů MLCC se stejnosměrným napájením, která se pohybuje od 0,2 pF do 22 µF a ve velikostech pouzdra od 0402 do 8060.

Obrázek 1: Kondenzátor 2220Y5000564KXT značky Knowles Syfer. (Zdroj obrázku: společnost Knowles)

Model 2220Y6300105KETWS2 značky Knowles Syfer (obrázek 2) je kondenzátor MLCC StackiCap, který dokáže uložit 1 µF elektrického náboje s tolerancí ± 10 % a je dimenzován na 630 V.

Obrázek 2: Pouzdro StackiCap kondenzátoru 2220Y6300105KETWS2 značky Knowles Syfer a podobných kondenzátorů MLCC. (Zdroj obrázku: společnost Knowles)

Společnost Knowles CDE nabízí široký výběr standardních a zakázkových kondenzátorů se šroubovacími svorkami, zacvakáváním a pro montáž na desku pro použití v kriticky důležitých aplikacích od defibrilátorů a lékařského zobrazování až po radarové systémy a záložní zdroje UPS pro velké datové systémy.

Model 477XMPL002MG19R společnosti CDE je součástí řady polymerových čipových kondenzátorů XMPL pro aplikace vyžadující vyšší požadavky na napětí anebo kapacitu. Díky nízkému ESR a robustnímu jmenovitému zvlnění proudu překonávají tyto kondenzátory elektrolytické kondenzátory s povrchovou montáží větší velikosti a poskytují přitom delší životnost, větší stabilitu při změnách teploty a nižší ESR při vyšších frekvencích. Standardní hodnoty kapacity této řady se nyní pohybují od 6,8 µF do 470 µF s maximálním pracovním napětím 35 V_DC v lisovaném pouzdru o rozměrech 7,3 mm × 4,3 mm × 1,9 mm.

Z rozsáhlé nabídky filmových kondenzátorů nabízejí akrylové filmové kondenzátory typu FCA společnosti CDE, jako je model FCA0805C104M-J2, vysoké hodnoty kapacity ve standardních velikostech pouzder pro povrchovou montáž. Řada nabízí rozsah kapacity 0,10 µF až 1,0 µF. Jako vazební kondenzátory v audioobvodech mohou poskytovat zvuk bez zkreslení a filtrování vysokých frekvencí.

Závěr

Kondenzátory jsou životně důležité elektronické součástky a jejich správný výběr je při návrhu produktu zásadní. Naštěstí společnosti Knowles a Cornell Dubilier Electronics nabízejí obrovský výběr běžných typů s mnoha variacemi a také speciálních typů navržených pro konkrétní aplikace.