Základy: Porozumění vlastnostem jednotlivých typů kondenzátorů s cílem jejich vhodného a bezpečného používání

Kondenzátory jsou zařízení pro ukládání energie, která jsou nezbytná pro analogové i digitální elektronické obvody. Používají se při časování, vytváření a tvarování průběhu, blokování stejnosměrného proudu a spojování signálů střídavého proudu, filtrování a vyhlazování a samozřejmě ukládání energie. Díky širokému spektru použití se objevilo množství typů kondenzátorů využívajících různé deskové materiály, izolační dielektrika a fyzické tvary. Každý z těchto typů kondenzátorů je určen pro specifický rozsah aplikací. Díky široké škále možností může nalezení optimální volby pro návrh z hlediska výkonnostních charakteristik, spolehlivosti, životnosti, stability a ceny, určitou dobu trvat.

Pro správné přizpůsobení kondenzátoru zamýšlené aplikaci obvodu je nutná znalost charakteristik každého typu kondenzátoru. Tyto znalosti musejí pokrývat elektrické, fyzikální a ekonomické vlastnosti kondenzátorů.

Tento článek popisuje různé typy kondenzátorů, jejich vlastnosti a klíčová kritéria výběru. K ilustraci klíčových rozdílů a atributů budou použity příklady od společností Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics ,Panasonic Electronics Corporation, a AVX Corporation.

Co je to kondenzátor?

Kondenzátor je elektronické zařízení, které ukládá energii ve vnitřním elektrickém poli. Společně s odpory a induktory jde o základní pasivní elektronickou součástku. Všechny kondenzátory se skládají ze stejné základní struktury, dvou vodivých desek oddělených izolátorem, nazývaným dielektrikum, který lze polarizovat aplikací elektrického pole (obrázek 1). Kapacita je úměrná ploše desky A a nepřímo úměrná vzdálenosti mezi deskami d.

Obrázek 1: Základní kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek oddělených nevodivým dielektrikem, které ukládá energii v podobě polarizovaných oblastí v elektrickém poli mezi dvěma deskami. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Prvním kondenzátorem byla Leydenská láhev vyvinutá v roce 1745. Skládala se ze skleněné nádoby potažené kovovou fólií na vnitřním a vnějším povrchu a původně sloužila k ukládání statického elektrického náboje. Benjamin Franklin jednu z nich použil, aby dokázal, že blesk je elektřina, což se stalo jednou z prvních zaznamenaných aplikací.

Kapacitu základního kondenzátoru s paralelními deskami lze vypočítat pomocí rovnice 1:

 Rovnice 1

Kde:

C je kapacita ve Faradech

A je plocha desky v metrech čtverečních

d je vzdálenost mezi deskami v metrech

ε je permitivita dielektrického materiálu

ε je rovno relativní permitivitě dielektrika ε_r násobené permitivitou vakua ε₀. Relativní permitivita ε_r je často označována jako dielektrická konstanta k.

Na základě rovnice 1 je kapacita přímo úměrná dielektrické konstantě a ploše desky a nepřímo úměrná vzdálenosti mezi deskami. Pro zvýšení kapacity lze zvětšit plochu desek a zmenšit vzdálenost mezi deskami. Protože relativní permitivita vakua je 1 a všechna dielektrika mají relativní permitivitu větší než 1, vložení dielektrika také zvýší kapacitu kondenzátoru. Kondenzátory jsou obecně označovány podle typu použitého dielektrického materiálu (tabulka 1).

Tabulka 1: Charakteristiky běžných typů kondenzátorů seřazených podle dielektrického materiálu. (Zdroj tabulky: DigiKey)

Několik poznámek k informacím ve sloupcích:

• Relativní permitivita neboli dielektrická konstanta kondenzátoru ovlivňuje maximální hodnotu kapacity dosažitelnou pro danou plochu desky a tloušťku dielektrika.
• Dielektrická pevnost je míra odolnosti dielektrika vůči napěťovému průrazu jako funkce jeho tloušťky.
• Minimální dosažitelná tloušťka dielektrika ovlivňuje maximální možnou kapacitu, a také průrazné napětí kondenzátoru.

Konstrukce kondenzátoru

Kondenzátory jsou k dispozici v různých konfiguracích fyzické montáže, včetně axiální, radiální a povrchové montáže (obrázek 2).

Obrázek 2: Montáž kondenzátoru nebo typy konfigurace lze rozdělit na axiální, radiální a povrchovou montáž. V současné době velmi rozšířená povrchová montáž. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Axiální konstrukce je založena na střídavých vrstvách kovové fólie a dielektrika, případně oboustranně metalizovaného dielektrika svinutého do válcového tvaru. Připojení k vodivým deskám může být provedeno pomocí vloženého výstupku nebo kruhové vodivé koncovky.

Radiální typ se obvykle skládá ze střídajících se kovových a dielektrických vrstev. Kovové vrstvy jsou na koncích přemostěny. Radiální a axiální konfigurace jsou určeny pro montáž do průchozího otvoru.

Kondenzátory pro povrchovou montáž také spoléhají na alternativní vodivé a dielektrické vrstvy. Kovové vrstvy jsou na obou koncích přemostěny pájecím vývodem pro povrchovou montáž.

Model kondenzátorového obvodu

Obvodový model kondenzátoru obsahuje všechny tři prvky pasivního obvodu (obrázek 3).

Obrázek 3: Obvodový model kondenzátoru se skládá z kapacitních, induktivních a odporových prvků. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Obvodový model kondenzátoru se skládá ze sériového odporového prvku představujícího ohmický odpor vodivých částí společně s dielektrickým odporem. Tento prvek se nazývá ekvivalentní nebo efektivní sériový odpor (ESR).

Dielektrické efekty vznikají přivedením střídavých signálů na kondenzátor. Střídavá napětí způsobují, že se polarizace dielektrika mění při každém cyklu, což způsobuje vnitřní zahřívání. Dielektrický ohřev je funkcí materiálu a měří se jako rozptylový faktor dielektrika. Rozptylový faktor (DF) je funkcí kapacity kondenzátoru a ESR a lze jej vypočítat pomocí rovnice 2:

 Rovnice 2

Kde:

X_C je kapacitní reaktance v ohmech (Ω)

ESR je ekvivalentní sériový odpor (v Ω)

Vlivem kapacitního reaktance je rozptylový faktor je frekvenčně závislý a je bezrozměrný, často uváděný v procentech. Nižší rozptylový faktor má za následek menší zahřívání, a tedy nižší ztráty.

Kondenzátor dále obsahuje sériový indukční prvek, nazývaný efektivní nebo ekvivalentní sériová indukčnost (ESL). Tato veličina představuje indukčnost vedení a vodivé cesty. Sériová indukčnost a kapacita vyvolávají sériovou rezonanci. Pod sériovou rezonanční frekvencí se součástka chová převážně kapacitně, nad ní má převážně induktivní charakter. Tato sériová indukčnost může být problematická v mnoha vysokofrekvenčních aplikacích. Dodavatelé minimalizují indukčnost použitím vrstvené konstrukce znázorněné v konfiguracích součástek pro radiální a povrchovou montáž.

Paralelní odpor představuje izolační odpor dielektrika. Hodnoty různých modelových komponent jsou závislé na konfiguraci kondenzátoru a materiálech vybraných pro jeho konstrukci.

Keramické kondenzátory

Tyto kondenzátory používají keramické dielektrikum. Existují dvě třídy keramických kondenzátorů, třída 1 a třída 2. Třída 1 je založena na paraelektrické keramice, jako je oxid titaničitý. Keramické kondenzátory této třídy mají vysokou úroveň stability, dobrý teplotní koeficient kapacity a nízké ztráty. Díky své vlastní přesnosti se používají v oscilátorech, filtrech a dalších RF aplikacích.

Keramické kondenzátory třídy 2 používají keramické dielektrikum na bázi feroelektrických materiálů, jako je titaničitan barnatý. Vzhledem k vysoké dielektrické konstantě těchto materiálů nabízejí keramické kondenzátory třídy 2 vyšší kapacitu na jednotku objemu, ale mají nižší přesnost a stabilitu než kondenzátory třídy 1. Používají se pro obtokové a vazební aplikace, kde není kritická absolutní hodnota kapacity.

Příkladem keramického kondenzátoru je model GCM1885C2A101JA16 od společnosti Murata Electronics (obrázek 4). Kondenzátor třídy 1 o kapacitě 100 pikofaradů (pF) má 5% toleranci, je dimenzován na 100 V a je dodáván v konfiguraci pro povrchovou montáž. Tento kondenzátor je určen pro použití v automobilech s teplotním rozsahem -55° až +125° C.

Obrázek 4: GCM1885C2A101JA16 je keramický kondenzátor pro povrchovou montáž třídy 1, 100 pF, s 5% tolerancí a jmenovitým napětím 100 V. (Zdroj obrázku: společnost Murata Electronics)

Filmové kondenzátory

Fóliové kondenzátory používají jako dielektrikum tenký plastový film. Vodivé desky mohou být realizovány jako fóliové vrstvy nebo jako dvě tenké vrstvy pokovení, z nichž každá je umístěna na jedné straně plastové fólie. Vlastnosti kondenzátorů určuje plast použitý jako dielektrikum. Fóliové kondenzátory jsou dodávány v mnoha provedeních:

Polypropylén (PP): Tyto kondenzátory mají obzvláště dobrou toleranci a stabilitu s nízkými hodnotami ESR a ESL a vysokými napětími. Vzhledem k teplotním limitům dielektrika jsou k dispozici pouze jako součástky s vývody. PP kondenzátory nacházejí uplatnění v obvodech pracujících s vysokým výkonem nebo napětím, například ve spínaných napájecích zdrojích, předřadných obvodech, vysokofrekvenčních vybíjecích obvodech a v audio systémech, kde jsou jejich nízké hodnoty ESR a ESL ceněné pro účely integrity signálu.

Polyethylentereftalát (PET): Tyto kondenzátory, nazývané také polyesterové nebo mylarové, mají díky své vyšší dielektrické konstantě nejvyšší objemovou účinnost z fóliových kondenzátorů. Obecně se používají jako součástky s radiálními vývody. Používají se pro všeobecné kondenzátorové aplikace.

Polyfenylensulfid (PPS): Tyto kondenzátory jsou vyráběny pouze jako součástky s pokovenou fólií. Mají obzvláště dobrou teplotní stabilitu, a proto se používají v obvodech, které vyžadují dobrou frekvenční stabilitu.

Příkladem PPS filmového kondenzátoru je model ECH-U1H101JX5 od společnosti Panasonic Electronics Corporation. Součástka 100 pF má toleranci 5 %, je dimenzována na 50 V a dodávána v konfiguraci pro povrchovou montáž. Kondenzátor rozsah provozních teplot -55° až 125 °C a je určen pro všeobecné elektronické aplikace.

Polyethylennaftalát (PEN): Stejně jako kondenzátory PPS jsou tyto součástky dostupné pouze v provedení s metalizovanou fólií. Mají vysokou teplotní toleranci a jsou k dispozici v konfiguraci pro povrchovou montáž. Aplikace zahrnují zejména ty, které vyžadují provoz při vysokých teplotách a vysokém napětí.

Polytetrafluorethylenové (PTFE) nebo teflonové kondenzátory jsou známé svou odolností vůči vysokým teplotám a vysokému napětí. Vyrábějí se v metalizovaném i fóliovém provedení. PTFE kondenzátory se obvykle používají v aplikacích vyžadujících vystavení vysokým teplotám.

Elektrolytické kondenzátory

Elektrolytické kondenzátory se vyznačují vysokou kapacitou a vysokou objemovou účinností. Tohoto stavu se dosahuje použitím kapalného elektrolytu jako jedné z jeho desek. Hliníkový elektrolytický kondenzátor obsahuje čtyři samostatné vrstvy: katodu z hliníkové fólie; papírový separátor napuštěný elektrolytem; hliníkovou anodu, která byla chemicky upravena tak, aby vytvořila velmi tenkou vrstvu oxidu hlinitého; a nakonec další papírový separátor. Tato sestava je poté srolována a umístěna do utěsněného kovového pouzdra.

Elektrolytické kondenzátory jsou polarizované stejnosměrné součástky (DC), což znamená, že napětí musí být přivedeno na určené kladné a záporné svorky. Ačkoli jsou pouzdra elektrolytických kondenzátorů opatřena tlakovými uvolňovacími membránami na kontrolu reakce a minimalizace možnosti poškození, jejich nesprávné zapojení může vést k explozivní poruše.

Hlavní výhody elektrolytického kondenzátoru jsou vysoké hodnoty kapacity, malé rozměry a relativně nízká cena. Hodnoty kapacity mají široký rozsah tolerance a poměrně vysoké svodové proudy. K nejčastějším aplikacím elektrolytických kondenzátorů patří filtrace v lineárních i spínaných napájecích zdrojích (obrázek 5).

Obrázek 5: Příklady elektrolytických kondenzátorů; všechny mají kapacitu 10 µF. (Zdroj obrázku: Kemet a AVX Corp.)

Model ESK106M063AC3FA od společnosti Kemet, první zleva na obrázku 5, je hliníkový elektrolytický kondenzátor 10 µF, 20 %, 63 V s radiálními vývody. Může být provozován při teplotách až 85 °C a má provozní životnost 2000 hodin. Je určen pro všeobecné elektrolytické aplikace včetně operací filtrování, oddělování a překlenování.

Alternativou k hliníkovému elektrolytickému kondenzátoru je hliníko-polymerový kondenzátor, který nahrazuje kapalný elektrolyt pevným polymerovým elektrolytem. Polymerový hliníkový kondenzátor má v porovnání s hliníkovým elektrolytickým kondenzátorem nižší hodnotu ekvivalentního sériového odporu (ESR) a delší provozní životnost. Jako všechny elektrolytické kondenzátory jsou tyto kondenzátory polarizované a nacházejí uplatnění v napájecích zdrojích jako filtrační a oddělovací součástky.

Model A758BG106M1EDAE070 od společnosti Kemet je 10µF, 25V, hliníko-polymerový kondenzátor s radiálními vývody s delší životností a větší stabilitou v širokém rozsahu teplot. Je určen pro průmyslové a komerční aplikace, jako jsou nabíječky mobilních telefonů a lékařská elektronika.

Další formou elektrolytických kondenzátorů jsou tantalové kondenzátory. V tomto případě se na tantalové fólii chemicky vytvoří vrstva oxidu tantalu. Jejich objemová účinnost je lepší než u hliníkových elektrolytů, ale maximální úrovně napětí jsou obecně nižší. Tantalové kondenzátory mají nižší hodnotu ESR a vyšší teplotní toleranci než hliníkové elektrolyty, což znamená, že lépe odolávají pájecím procesům.

Model T350E106K016AT od společnosti Kemet je 10µF, 10%, 16V tantalový kondenzátor s radiálními vývody. Nabízí výhody malých rozměrů, nízkého svodového proudu a rozptylového faktoru pro aplikace filtrace, překlenutí, střídavé vazby a časování.

Konečným typem elektrolytického kondenzátoru je kondenzátor s elektrolytem na bázi oxid niobu. Niobový elektrolytický kondenzátor, vyvinutý během nedostatku tantalu, nahrazuje tantalový elektrolyt niobem a oxidem niobičným. Díky své vyšší dielektrické konstantě nabízí menší velikost pouzdra na jednotku kapacity.

Příkladem elektrolytického kondenzátoru s oxidem niobu je model NOJB106M010RWJ od společnosti AVX Corp. Jedná se o 10µF, 20%, 10V kondenzátor v konfiguraci pro povrchovou montáž. Stejně jako tantalový elektrolyt se používá pro aplikace filtrace, překlenutí, střídavé vazby a časování.

Slídové kondenzátory

Slídové kondenzátory (většinou stříbrná slída) se vyznačují přísnou tolerancí kapacity (±1 %), nízkým teplotním koeficientem kapacity (typicky 50 ppm/°C), výjimečně nízkým rozptylovým faktorem a malou změnou kapacity s přivedeným napětím. Díky přísné toleranci a vysoké stabilitě jsou vhodné pro RF obvody. Slídové dielektrikum je na obou stranách postříbřeno, aby poskytovalo vodivé povrchy. Slída je stabilní minerál, který neinteraguje s většinou běžných elektronických nečistot.

Model MC12FD101J-F od společnosti Cornell Dubilier Electronics je slídový kondenzátor 100 pF, 5 %, 500 V v konfiguraci pro povrchovou montáž (obrázek 6). Používá se v RF aplikacích, jako jsou MRI, mobilní radiová zařízení, výkonové zesilovače a oscilátory. Jsou teplotně dimenzované na provoz v rozsahu -55° až 125 °C.

Obrázek 6: MC12FD101J-F od společnosti Cornell Dubilier Electronics je slídový kondenzátor pro povrchovou montáž určený pro RF aplikace. (Zdroj obrázku: Cornell Dubilier Electronics)

Závěr

Kondenzátory jsou nezbytnou součástí elektronických konstrukcí. V průběhu let byla vyvinuta široká škála typů součástek s různými charakteristikami, díky kterým jsou některé technologie kondenzátorů zvláště vhodné pro konkrétní aplikace. Pro konstruktéry je získání dobrých pracovních znalostí o různých typech, konfiguracích a specifikacích cennou zkušeností pro zajištění optimální volby pro danou aplikaci.