A készülékhez legalkalmasabb kondenzátorfajta kiválasztása

Az adott készülékhez legalkalmasabb kondenzátor kiválasztása számottevő különbséget jelenthet a termékek teljesítményében, megbízhatóságában és hatásfokában, például a haditechnikai, a repülési és űrkutatási és a gyógyászati műszaki berendezések, a kritikus áramellátó infrastruktúrák és a villanyjármű-gyorstöltők tápegységei esetében.

A kondenzátorok számos elektronikus áramkörben nélkülözhetetlen alkatrészek, mivel villamos energiát tárolnak és adnak le, kiszűrik a nem kívánt jeleket, és egyéb funkciókat látnak el. Nem mindenfajta kondenzátor egyforma azonban, és a különböző típusú kondenzátoroknak eltérő jellemzői, előnyei és korlátai vannak.

A megfelelő kondenzátortípus kiválasztása döntő fontosságú a terméktervezésben. A három leggyakoribb kondenzátorfajta – a többrétegű kerámiakondenzátorok (MLCC, multilayer ceramic capacitor), a rétegkondenzátorok és az alumínium elektrolitkondenzátorok – mindegyikének vannak előnyei és hátrányai, és mindegyik kategórián belül számtalan változat létezik. A megfelelő típus kiválasztása biztosítja, hogy a végterméknek elegendő energiatárolási kapacitása legyen, elférjen a rendelkezésre álló helyen, és megbízhatóan működjön a rendeltetésszerű használatra.

A többrétegű kerámiakondenzátorok mellett szóló érvek

A kerámiakondenzátorok kerámia szigetelőanyag és fémelektródák váltakozó, egymásra helyezett és összeégetett rétegeiből állnak, és kis méretű eszközök. A sokféle elektronikus eszközben széles körben használt kerámiakondenzátorok kis méretben nagy kapacitásértéket, kis egyenértékű soros ellenállást (ESR, equivalent series resistance), kis szivárgási áramot, jó frekvenciaátvitelt és jó hőmérsékleti stabilitást kínálnak.

A kerámiakondenzátorok alkalmasak olyan készülékekbe, amelyek nagy teljesítménysűrűséget, jó hatásfokot, kis zajszintet és nagy megbízhatóságot igényelnek. Vannak azonban olyan eltérések ezen a kategórián belül, amelyek különbséget jelenthetnek azt illetően, hogy mennyire sikeres egy termék fejlesztése:

• Nagy megbízhatóságú kerámiakondenzátorok: zord körülmények között is nagy megbízhatóságot, kis meghibásodási arányt, hosszú élettartamot és nagy teljesítményt nyújtanak. Ezek a jellemzők fontosak az olyan iparágak szigorú követelményeinek való megfelelésben, mint a repülőgépipar, az űrkutatás és haditechnika, beleértve a MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 és MIL-PRF-39014 szabvány előírásait, valamint a gyógyászati berendezések.
• Nagyfeszültségű kerámiakondenzátorok: 500 V feletti, egészen 12 kV-ig terjedő feszültségeken működnek. Olyan berendezésekhez tervezték őket, amelyek nagyfeszültségű szigetelést igényelnek, mint például a tápegységek, az impulzusgenerátorok és a röntgenkészülékek. Nagy a kapacitásuk, kicsi az egyenértékű soros ellenállásuk és a veszteségi tényezőjük, és nagy az átütési feszültségük.
• Magas hőmérsékletű kerámiakondenzátorok: +125 °C feletti hőmérsékleten is műkörnek, akár +250 °C-ig. Olyan felhasználási területekre tervezték őket, ahol elvárás a nagy hőmérsékleti stabilitás, ilyenek például az aknafúrás, a gépjárműipar és az ipar. Nagy a kapacitásuk, kicsi az egyenértékű soros ellenállásuk és a hőmérsékleti együtthatójuk, és nagy a hőállóságuk.

A rétegkondenzátorok előnyei

A rétegkondenzátorok olyan felhasználási területekre alkalmasak, ahol nagy teljesítményre, nagy áramerősségre, nagyfeszültségre és nagy frekvenciára van szükség, ilyenek például az áramátalakítás, a szűrés, a csillapítás és a csatolás. Ezek a kondenzátorok valamilyen szigetelőanyagból - például poliészterből, polipropilénből, polikarbonátból vagy polifenilén-szulfidból – készült vékony fóliaréteget tartalmaznak, amelyet két fémelektróda közé helyeznek, és az egészet együtt henger alakban feltekercselik, vagy téglatest formára alakítják.

A rétegkondenzátorok gyakran nagyobbak és drágábbak, mint a kerámiakondenzátorok, de nagy kapacitásértékeket, nagy névleges feszültséget, kis egyenértékű soros ellenállást, kis veszteségi tényezőt, jó frekvenciaátvitelt és hosszú élettartamot kínálnak. Ennek a technikának az előnyei közé tartozik a nagyobb névleges feszültség, a feszültség és a hőmérséklet függvényében lineáris kapacitásváltozás, a piezoelektromos zaj hiánya, az öngyógyító képesség és a hosszú élettartam.

A rétegkondenzátoroknak több változata létezik, és ez befolyásolhatja, hogy melyik a legalkalmasabb az adott felhasználási területre:

• A fémbevonatú poliészter rétegkondenzátorok elektródaként egy vékony fémréteget, például alumínium- vagy cinkréteget használnak, amelyet poliészterfóliára visznek fel. Nagy kapacitást, kis egyenértékű soros ellenállást és jó öngyógyító tulajdonságokat kínálnak, és olcsók. Megfelelnek az olyan általános célú felhasználási területek igényeinek, mint a megkerülés, a csatolás és a leválasztás.
• A fémbevonatú polipropilén rétegkondenzátorok polipropilénfóliát használnak elektródaként, arra felvitt vékony fémréteggel, például alumínium- vagy cinkréteggel. Nagy kapacitás, kis egyenértékű soros ellenállás, kis veszteségi tényező, jó frekvenciaátvitel és nagy stabilitás jellemzi őket. Alkalmasak nagy teljesítményt igénylő felhasználási területekre, például teljesítménytényező-javításra, szűrésre és csillapításra.
• A polikarbonát rétegkondenzátorok polikarbonátfóliát használnak szigetelőanyagként. Nagy kapacitást, nagy névleges feszültséget, kis hőmérsékleti együtthatót és nagy megbízhatóságot kínálnak. Ezek olyan felhasználási területekre alkalmasak, ahol nagy hőmérsékleti stabilitásra van szükség, ilyenek például az időzítő, az érzékelő és a nagy pontosságú áramkörök.
• A polifenilén-szulfid rétegkondenzátorok szigetelőanyagként polifenilén-szulfid fóliát használnak. Nagy kapacitást, magas hőmérsékleti értékeket, kis egyenértékű soros ellenállást, kis veszteségi tényezőt és jó frekvenciaátvitelt kínálnak. A megfelelő felhasználási területek azok, ahol nagy hőmérséklettűrésre van szükség, ilyenek például a gépjárműipar, az ipar és a távközlés.
• A fémbevonatú papír rétegkondenzátorok szigetelőanyagként fémbevonatú papírréteget használnak. Nagy kapacitást, nagy névleges feszültséget, kis egyenértékű soros ellenállást, kis veszteségi tényezőt és kiváló öngyógyító tulajdonságokat kínálnak. Olyan felhasználási területekre alkalmasak, amelyek nagyfeszültségű szigetelést igényelnek, ilyenek például a tápegységek, az impulzusgenerátorok és a röntgenkészülékek.

Alumínium elektrolitkondenzátorok

Az alumínium elektrolitkondenzátorok olyan felhasználási területekre alkalmasak, amelyek nagy kapacitást, nagy feszültséget és kis frekvenciát igényelnek, például simításhoz, szűréshez és energiatároláshoz.

Az alumínium elektrolitkondenzátorok, amelyek méretükhöz képest nagy mennyiségű villamos energiát képesek tárolni, használhatók például az elektronikus eszközök tápfeszültségének simítására. Az élettartamuk rövidebb lehet, mint a kerámiakondenzátoroké és a rétegkondenzátoroké, és mivel pozitív és negatív pólussal vannak polarizálva, károsodhatnak, ha fordítva kötik be őket. Emellett folyamatosan szivároghat rajtuk keresztül némi csekély erősségű áram, és nagy frekvenciákon nem olyan stabilak, mint fent említett alternatíváik.

Az alumínium elektrolitkondenzátorok különböző elektrolittípusokkal, például folyékony, szilárd vagy hibrid elektrolittal kaphatóak, amelyeknek eltérő teljesítmény-, stabilitási és megbízhatósági jellemzőik vannak:

• A folyadékos elektrolitú alumínium elektrolitkondenzátorok folyékony elektrolitoldatot használnak katódként. Nagy kapacitást, nagy névleges feszültséget és nagy megbízhatóságot kínálnak. Ugyanakkor nagy az egyenértékű soros ellenállásuk és a szivárgási áramuk, nagy a veszteségi tényezőjük, és korlátozott az élettartamuk. Általános célú felhasználási területeken használhatóak, például simításra, szűrésre és energiatárolásra.
• A szilárd elektrolitú alumínium elektrolitkondenzátorok katódja szilárd elektrolitanyagból – például mangán-dioxidból vagy vezető polimerből – készül. Kis egyenértékű soros ellenállást, kis szivárgási áramot, kis veszteségi tényezőt és hosszú élettartamot kínálnak. Ugyanakkor kisebb a kapacitásuk és a névleges feszültségük, mint a folyadékos elektrolitú kondenzátoroknak, és drágábbak azoknál. Nagy teljesítményt igénylő felhasználási területekre alkalmasak, például kapcsolóüzemű tápegységekhez, LED-meghajtókhoz és hangerősítőkhöz.
• A hibrid alumínium elektrolitkondenzátorok folyékony és szilárd elektrolitok kombinációját használják katódként. A kapacitás, a névleges feszültség, az egyenértékű soros ellenállás, a szivárgási áram, a veszteségi tényező és az élettartam jó egyensúlyát kínálják. Olyan felhasználási területekre alkalmasak, ahol nagy teljesítménysűrűségre, nagy megbízhatóságra és nagy hőmérséklettűrésre van szükség, ilyen például a gépjárműipar, az ipar és a távközlés.

Gyártófelvásárlás bővíti a kondenzátorválasztékot

A Knowles és a Cornell Dubilier Electronics (CDE) két vezető kondenzátorgyártó, mindkettő sokféle fajtájú és kapacitású kondenzátort kínál. A Knowles 2023-ban felvásárolta a CDE-t, egyesítve a két vállalat egymást kiegészítő erősségeit, köztük a CDE rétegkondenzátorait és alumínium elektrolitkondenzátorait, valamint a Knowles Precision Devices réteg- és kerámiakondenzátorait.

A Knowles a kerámiakondenzátorok átfogó választékát kínálja szabványos felületszerelt változatban, valamint oldallábas vagy sugárirányú lábas kivitelben, a pikofarad alatti értékektől a több száz mikrofaradig, 6,3 V-tól 12 kV-ig terjedő névleges feszültséggel. A Knowles kerámiakondenzátorok különböző szigetelőanyagokat használó változatokban kaphatóak, különböző hőmérsékleti együtthatókkal, dielektromos állandókkal és öregedési sebességgel.

A Knowles FlexiCap™ gyártási módszere egy saját fejlesztésű rugalmas epoxi polimer záróanyagot használ, amelyet a szokásos nikkel határolóbevonat alá visznek fel, és amely a nyomtatott áramköri lapnak a hagyományos kondenzátorokéhoz képest nagyobb mértékű hajlítását teszi lehetővé. A StackiCap™ termékcsalád azonos kapacitásérték mellett jelentős területcsökkenést kínál a nyomtatott áramköri lapon olyan esetekben, amikor szűkös az ott rendelkezésre álló hely, például egy 8060-as tokméretű, szabványos, 150 nF kapacitású kondenzátor sokkal kisebb, 3640-es tokméretben is kapható.

A Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (1. ábra) egy FlexiCap felületszerelt kerámiakondenzátor, amely 0,56 µF villamos töltés tárolására alkalmas – ±10%-os tűréssel –, és 500 V-ig terjedő feszültség kezelésére tervezték. Ez a kondenzátor a 0,2 pF-tól 22 µF-ig terjedő kapacitású és 0402 és 8060 közötti tokméretekben kapható egyenáramú kerámiakondenzátorok termékcsaládjának egyik tagja.

1. ábra: A Knowles Syfer 2220Y5000564KXT kondenzátor (kép: Knowles)

A Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 (2. ábra) egy StackiCap kerámiakondenzátor, amely 1 µF villamos töltés tárolására képes, ±10%-os tűréssel, és 630 V-ra van méretezve.

2. ábra: A Knowles Sifer 2220Y6300105KETWS2 és hasonló kerámiakondenzátorok StackiCap tokjának rajza (kép: Knowles)

A Knowles CDE csavaros, bepattintható és nyomtatott áramköri lapra szerelhető szabványos és egyedi kondenzátorok széles választékát kínálja kritikus felhasználási területekre a defibrillátoroktól és az orvosi képalkotástól kezdve a radarrendszereken át a nagy adattároló rendszerek szünetmentes tápegységeinek tartalék áramforrásáig.

A CDE 477XMPL002MG19R az XMPL polimer lapkakondenzátor-sorozat része a nagyobb feszültséget vagy kapacitást igénylő felhasználási területekre. Ennek a sorozatnak a tagjai kis egyenértékű soros ellenállásukkal és kiváló búgófeszültség-simító értékükkel felülmúlják a nagyobb méretű felületszerelt elektrolitkondenzátorokat, és hosszabb élettartamot, valamint a hőmérséklet-változásokkal szembeni nagyobb stabilitást kínálnak, és nagyobb frekvenciákon kisebb az egyenértékű soros ellenállásuk. A sorozat szabványos kapacitásértékei jelenleg 6,8 µF és 470 µF között mozognak, legnagyobb üzemi feszültségük 35 V egyenfeszültség, mindez egy 7,3 mm × 4,3 mm × 1,9 mm méretű fröccsöntött tokban kapott helyet.

A CDE cég rétegkondenzátorainak széles választékában szereplő FCA típusú akril rétegkondenzátorok – például az FCA0805C104M-J2 – nagy kapacitásértéket kínálnak szabványos felületszerelt tokméretekben. A sorozat tagjai 0,10 µF és 1,0 µF közötti kapacitástartományban kaphatóak. A hangtechnikai áramkörökben csatolókondenzátorként torzításmentes hangzást lehet velük elérni, és nagyfrekvenciás szűrésre is alkalmasak.

Összegzés

A kondenzátorok nélkülözhetetlen elektronikai alkatrészek, és a megfelelő darab kiválasztása döntő fontosságú a terméktervezésben. Szerencsére a Knowles és a Cornell Dubilier Electronics széles választékot kínál az elterjedt típusokból többféle változatban, de egyedi felhasználásra tervezett speciális típusok is szerepelnek a termékválasztékában.