Alapelvek: Ismerjük meg a kondenzátortípusok jellemzőit a kondenzátorok megfelelő és biztonságos használatához

A kondenzátorok energiatároló eszközök, amelyek használatára mind az analóg, mind a digitális elektronikus áramkörökben nélkülözhetetlenül szükség van. Időzítésre, jelalakok létrehozására és formálására, egyenáramú jelek blokkolására és váltakozó áramú jelek csatolására, szűrésre és simításra, és természetesen energiatárolásra használják őket. Széleskörű felhasználásuk miatt rengeteg kondenzátortípus alakult ki, amelyeknél különböző anyagú lemezeket (fegyverzeteket) és szigetelő anyagokat (dielektrikum) használnak, és amelyek eltérő fizikai kialakításúak. A különböző típusú kondenzátorokat meghatározott alkalmazási területekre szánják. Ha egy adott tervhez keresünk megfelelő kondenzátort, a széleskörű választási lehetőségek miatt időbe telhet az összes lehetséges típus közül olyat találni, amely a működési jellemzők, a megbízhatóság, az élettartam, a stabilitás és a kötség szempontjából optimális választást jelent.

Ismerni kell a különböző típusú kondenzátorok alapvető tulajdonságait ahhoz, hogy a kiválasztott kondenzátor a tervezett áramköri működésnek megfelelő legyen. Ezen ismereteknek ki kell terjedniük a kondenzátorok elektromos és fizikai jellemzőire, továbbá a gazdasági szempontokra is.

Ebben a cikkben a különböző típusú kondenzátorokat tárgyaljuk, azok jellemzőit, és kiválasztásuk legfontosabb kritériumait. A Murata Electronics, a KEMET, a Cornell Dubilier Electronics, a Panasonic Electronics Corporation és az AVX Corporation gyártók eszközeit fogjuk felhasználni példákként a legfontosabb különbségek és jellemzők bemutatására.

A kondenzátor mint áramköri elem

A kondenzátorok olyan elektronikus eszközök, melyek energiát képesek tárolni belső elektromos mező formájában. A legalapvetőbb passzív elektronikus alkatrészeknek számítanak az ellenállásokkal és induktivitásokkal együtt. Alapvetően minden kondenzátor felépítese ugyanaz: egy szigetelő réteggel (dielektrikummal) elválasztott két vezető lemezből (fegyverzetből) állnak. Ha a dielektrikumot elektromos térbe helyezik, az polarizálódik (1. ábra). A kondenzátor kapacitása egyenesen arányos a lemezek területével (A) és fordítottan arányos a lemezek egymás közötti távolságával (d).

1. ábra: A legegyszerűbb kondenzátor két vezető lemezből áll, melyeket egy elektromosan nem vezető dielektrikum választ el egymástól, amely az energiát a két lemez közötti polarizált elektromos tér formájában tárolja (Kép forrása: DigiKey)

Az első kondenzátort, a leideni palackot 1745-ben találták fel. Ez egy elektromos töltések tárolására alkalmas üvegedény, amelynek külső és belső felületei fémréteggel vannak bevonva, és amelyet eredetileg elektrosztatikus töltések tárolására használtak. Egy ilyen edényt használt fel Benjamin Franklin annak bizonyítására, hogy a villám elektromos jelenség, és ez az egyik legkorábbi feljegyzés ezen eszközök alkalmazását illetően.

A két egymással párhuzamos lemezből álló alapvető kondenzátorok effektív kapacitása az 1. egyenlettel számítható ki:

 1. egyenlet

Ahol:

C - kapacitás Faradban

A - lemez területe négyzetméterben

d - a lemezek közötti távolság méterben

ε - a dielektromos anyag relatív permittivitása (dielektromos állandója)

Az ε a dielektrikum relatív permittivitásának (ε_r) és a vákuum relatív permittivitásának (ε₀) szorzatával egyenlő. A relatív permittivitást (ε_r) gyakran nevezik még dielektromos állandónak (k) is.

Az 1. egyenlet alapján a kapacitás egyenesen arányos a dielektromos állandóval és a lemezek területével, míg fordítottan arányos a lemezek közötti távolsággal. A kapacitás növelhető a lemezek területének növelésével, illetve a lemezek közötti távolság csökkentésével. Mivel a vákuum relatív permittivitásának értéke 1, és mivel minden dielektrikum relatív permittivitása nagyobb ennél, tehát egy ilyen szigetelő anyagnak a lemezek közé helyezésével a kondenzátor kapacitása is nő. A kondenzátorokat általában a felhasznált dielektromos anyag típusa alapján különböztetik meg (1. táblázat).

1. táblázat: A legelterjedtebb kondenzátorok műszaki jellemzői a dielektromos anyag típusa szerint (A táblázat forrása: DigiKey)

Néhány megjegyzés az oszlopokban található értékekre vonatkozólag:

• Egy adott lemezterület és dielektrikum-vastagság mellett elérhető maximális kapacitásérték a kondenzátor relatív permittivitásától vagy dielektromos állandójától függ.
• Az átütési szilárdság (dielectric strength) a dielektrikum azon tulajdonságát jelzi, hogy az anyag mekkora átütési feszültséget képes elviselni a vastagság függvényében.
• A maximális elérhető kapacitásérték a technológiailag megvalósítható legkisebb dielektrikum-vastagságtól függ, és ugyanettől függ a kondenzátor átütési szilárdsága is.

A kondenzátorok felépítése

Fizikai rögzítési módjukat tekintve a kondenzátorok különböző szerelési változatban kaphatók: léteznek axiális és radiális kivezetésekkel rendelkezők, vlaamint a felületszerelt technológiás típusok (2. ábra).

2. ábra: Szerelési mód vagy konfiguráció szerint axiális és radiális kivezetésekkel rendelkező, valamint felületszerelt típusú kondenzátorok léteznek. Jelenleg ezen utóbbi típusokat használják a legelterjedtebben (Kép forrása: DigiKey)

Axiális konstrukciónál fémfólia- és dielektrikum-rétegek váltogatják egymást, vagy pedig egy kétoldalt fémezett dielektrikumot formálnak henger alakúra. A vezetőképes lemezekhez való csatlakozást beillesztett áramvezető fülek segítségével oldják meg vagy pedig egy kör alakú áramvezető zárósapkán keresztül.

A radiális típusok általában váltakozó fém- és dielektrikum-rétegekből állnak, és a fémrétegeket a végeken áthidalják. A radiális és axiális típusú kondenzátorokat furatszerelt technológiás szerelésre tervezték.

A felületszerelt kondenzátorok kialakítása szintén a váltakozó vezető és dielektrikum rétegekre épül. A két végen lévő fémrétegeket egy-egy forrasztható sapka hidalja át felületszerelt technológiával történő szereléshez.

A kondenzátor áramköri modellje

A kondenzátor áramköri modellje tartalmazza mindhárom passzív áramköri elemet (3. ábra).

3. ábra: Egy kondenzátor áramköri modellje kapacitív, induktív és rezisztív elemekből áll (Kép forrása: DigiKey)

Egy kondenzátor áramköri modellje tartalmaz egy soros rezisztív elemet, amely az áramvezető részek ohmos ellenállásának és a dielektrikum elektromos ellenállásának felel meg. Ezt nevezeik effektív vagy egyenértékű soros ellenállásnak (ESR).

A dielektromos hatások akkor jelentkeznek, amikor a kondenzátorra váltakozó áramú jeleket kapcsolunk. A váltakozó feszültség következtében a dielektrikum polarizáltsága minden ciklusban megváltozik, ami belső felmelegedést okoz. A dielektrikum melegedése az adott anyag tulajdonságaitól függ, és a dielektrikum veszteségi (disszipációs) tényezőjeként mérik. A veszteségi tényező (DF) a kondenzátor kapacitásától és ESR értékétől függ és a 2. egyenlet segítségével számítható ki:

 2. egyenlet

Ahol:

X_C - kapacitív reaktancia Ω-ban

ESR - az egyenértékű soros ellenállás Ω-ban

A veszteségi tényező a kapacitív reaktancia tag miatt frekvenciafüggő és mértékegység nélküli; gyakran százalékban fejezik ki. Alacsonyabb veszteségi tényező esetén a dielektrikum kevésbé melegszik és ezáltal a veszteség is kisebb.

Az áramkör tartalmaz egy soros induktív elemet is, amelyet effektív vagy egyenértékű soros induktivitásnak (ESL) neveznek. Ez a kivezető érintkező és az áramvezető útvonal induktivitásának felel meg. A sorba kapcsolt induktív és kapacitív tagok miatt feszültségrezonancia (soros rezonancia) lép fel. A soros rezonanciafrekvencián alul az eszköz elsősorban kapacitív elemként viselkedik, míg az felett inkább induktív elemként. Ez a soros induktancia a nagyfrekvenciás alkalmazási esetek nagy részében problémákat okozhat. A gyártók a radiális és felületszerelt típusú változatoknál ismertetett réteges felépítéssel minimalizálják az induktivitást.

Az áramkörben lévő párhuzamos ellenállás a dielektrikum szigetelési ellenállásának felel meg. A modellben lévő különböző tagok értékei a kondenzátor kialakításától és az eszköz megépítéséhez választott anyagoktól függnek.

Kerámia kondenzátorok

Ezeknél a kondenzátoroknál kerámia dielektrikumot használnak. A kerámia kondenzátoroknak két osztálya létezik: az 1. és a 2. osztály. Az 1. osztály paraelektromos kerámiák (például titán-dioxid) használatán alapul. Az ebbe az osztályba tartozó kerámia kondenzátorokra a nagyfokú stabilitás, a jó hőmérsékleti koefficiens és az alacsony veszteség jellemző. Velejáró pontosságuk miatt oszcillátorokban, szűrőkben és más rádiófrekvenciás alkalmazási esetekben használják őket.

A 2. osztályú kerámia kondenzátoroknál ferroelektromos anyagokon (például bárium-titanát) alapuló kerámia dielektrikumokat használnak. Ezen anyagok magas dielektromos állandója miatt a 2. osztályú kerámia kondenzátorok térfogategységenkénti kapacitása nagyobb, de pontosság és stabilitás tekintetében gyengébbek az 1. osztályba sorolt kondenzátoroknál. Olyan áthidaló és csatoló alkalmazásra használják őket, ahol a kapacitás abszolút értéke nem kritikus tényező.

A Murata Electronics GCM1885C2A101JA16 jelű eszköze egy példa a kerámia kondenzátorokra (4. ábra). Ezen 1. osztályú, 100 pF kapacitású kondenzátor tűrése 5%, névleges feszültsége 100 volt, és felületszerelt kialakításban forgalmazzák. Autóipari felhasználásra szánják, -55° és +125° C közötti névleges üzemi hőmérsékleti besorolással.

4. ábra: A GCM1885C2A101JA16 egy 1. osztályú, 100 pF-os, felületreszerelt kerámia kondenzátor, 5%-os tűréssel és 100 voltos névleges feszültséggel (kép: Murata Electronics)

Filmkondenzátorok

A fóliakondenzátoroknál vékony műanyag fóliát használnak dielektrikumként. Az áramvezető lemezeket vagy fóliarétegek, vagy a műanyag fólia egyik és másik oldalára felvitt két vékony fémréteg formájában alakítják ki. A kondenzátorok műszaki jellemzői a dielektrikumként használt műanyag tulajdonságaitól függnek. A fóliakondenzátoroknak számos típusa létezik:

Polipropilén (PP): Ezeknek különösen jó a tűrése és stabilitása, alacsony az ESR és ESL értéke, valamint magas átütési feszültséggel rendelkeznek. A dielektrikum hőmérsékleti korlátai miatt csak kivezetésekkel ellátott eszközökként kaphatók. A PP kondenzátorokat nagy teljesítményű vagy nagyfeszültségű áramkörökben használják, például kapcsolóüzemű tápegységekben, ballaszt áramkörökben, nagyfrekvenciás kisütő áramkörökben, valamint audio rendszerekben, ahol a jelintegritást biztosító alacsony ESR és ESL értékeiket igen nagyra becsülik.

Polietilén-tereftalát (PET): A nagyobb dielektromos állandójuk miatt ezeknek a kondenzátoroknak a legnagyobb a térfogati hatásfokuk (volumetric efficiency) a fóliakondenzátorok közül. Általában radiális kivezetésekkel rendelkező eszközök formájában kaphatók, és általános célú kapacitív alkalmazásra használják őket.

Polifenilén-szulfid (PPS): Ezeket a kondenzátorokat csak fémezett fóliaeszközök formájában gyártják. Különösen jó a hőmérséklet-stabilitásuk, ezért olyan áramkörökben használják őket, amelyeknél jó frekvenciastabilitásra van szükség.

PPS fóliakondenzátorokra példa a Panasonic Electronics Corporation ECH-U1H101JX5 jelű eszköze. Ezen 100 pF-os eszközök tűrése 5%, névleges feszültségük 50 volt és felületszerelt kivitelben kaphatók. Üzemi hőmérséklettartományuk -55 °C és 125 °C között van, és általános elektronikai használatra készülnek.

Polietilén-naftalát (PEN): A PPS-kondenzátorokhoz hasonlóan ezek is csak fémezett fóliás kivitelben kaphatók. Hőmérséklet-tűrésük igen magas, és felületszerelt kivitelben gyártják őket. Elsősorban olyan esetekben használatosak, amikor magas hőmérsékletek és nagy feszültségek elviselésére van szükség.

A politetrafluoretilén (PTFE) vagy teflon kondenzátorokra a magas hőmérsékletek és nagy feszültségek tűrése jellemző. Fémezett és fóliás kivitelben is gyártják őket. PTFE-kondenzátorokkal többnyire olyan esetekben találkozhatunk, ahol magas hőmérsékletek fordulnak elő.

Elektrolitikus kondenzátorok

Az elektrolit kondenzátorok a nagy kapacitásértékükről és nagy térfogati hatásfokukról ismertek. Ezt úgy érik el a gyártók, hogy az egyik lemezként folyékony elektrolitot használnak. Az alumínium elektrolit kondenzátor négy különálló rétegből áll: egy alumíniumfólia katódból, egy elektrolittal átitatott elválasztó rétegből, egy kémiai eljárással kapott nagyon vékony alumínium-oxid alumínium anód rétegből, és végül egy másik papír elválasztó rétegből. Ezt az összeállítást ezután feltekerik és egy lezárt fémtokba helyezik.

Az elektrolit kondenzátorok polarizált, egyenáramú (DC) eszközök, ami azt jelenti, hogy tápfeszültségre történő csatlakoztatásukkor ezt a pozitív és negatív pólusuk figyelembe vételével kell megtenni. Nem megfelelő csatlakoztatásuk esetén az elektrolit kondenzátorok felrobbanhatnak, bár a burkolataik rendelkeznek olyan nyomáscsökkentő membránokkal, amelyek képesek kezelni ezen reakciót és minimalizálni a lehetséges károkat.

Az elektrolit kondenzátorok fő előnye a nagy kapacitásértékük, kis méretük és viszonylagos olcsóságuk. Effekív kapacitásukat illetően a tűréshatárok nagyok és viszonylag nagy szivárgási áramok jellemzők rájuk. Az elektrolit kondenzátorokat legyakrabban a lineáris és a kapcsolóüzemű tápegységek szűrőkondenzátoraiként használják (5. ábra).

5. ábra: Példák 10 µF kapacitású elektrolit kondenzátorokra (kép: Kemet és AVX Corp.)

Az 5. ábrán balról jobbra a Kemet ESK106M063AC3FA jelű eszköze egy 10 µF-os, 20%-os, 63 voltos, radiális kivezetésekkel rendelkező elektrolit kondenzátor. 85 °C hőmérsékletig használható, 2000 óra üzemi élettartammal. Elektrolitikus folyamatokra épülő általános használatra tervezték, beleértve a szűrést, a leválasztást és az áthidalást.

Az alumínium elektrolit kondenzátorok alternatívái az alumínium-polimer kondenzátorok, amelyeknél a folyékony elektrolitot szilárd polimer elektrolittal helyettesítik. A polimer alumínium kondenzátorok alacsonyabb ESR értékkel rendelkeznek, mint az alumínium elektrolitok, és üzemi élettartamuk is hosszabb. Az összes elektrolit kondenzátorhoz hasonlóan ezek is polarizáltak és tápegységekben használják őket szűrő- és leválasztó kondenzátorokként.

A Kemet A758BG106M1EDAE070 egy 10 µF-os, 25 voltos, radiális kivezetésekkel rendelkező alumínium-polimer kondenzátor, amely hosszabb élettartammal és nagyobb stabilitással rendelkezik, valamint széles hőmérséklettartományban használható. Ipari és kereskedelmi használatra, például mobiltelefon-töltőkhöz és orvosi elektronikához tervezték.

A tantálkondenzátorok egy további fajtája az elektrolit kondenzátoroknak. Ezeknél egy tantál-oxid réteget hoznak létre kémiai eljárással egy tantálfólián. Térfogati hatásfokuk jobb, mint az alumínium elektrolitoké, de a maximális feszültségszintek általában alacsonyabbak. A tantálkondenzátorok esetében az ESR érték alacsonyabb, a hőmérséklettűrésük pedig magasabb mint az alumínium elektrolit típusúaké, ami azt jelenti, hogy jobban tűrik a forrasztási folyamatokat.

A Kemet T350E106K016AT egy 10 µF-os, 10%-os, 16 voltos, radiális kivezetésekkel rendelkező tantálkondenzátor. Előnyként kis méretet, alacsony szivárgási áramot és alacsony veszteségi tényezőt kínál, szűrési, áthidaló, váltóáramú csatolási és időzítési alkalmazásra.

Az elektrolit kondenzátorok utolsó típusa a nióbium-oxid típusúak. A tantálhiány idején kifejlesztett nióbium elektrolit kondenzátoroknál a tantált nióbiummal és nióbium-pentoxiddal helyettesítik elektrolitként. Nagyobb dielektromos állandója miatt kisebb tokozási méretet kínál egységnyi kapacitásonként.

Egy példa a nióbium-oxid elektrolit kondenzátorokra az AVX Corp. NOJB106M010RWJ jelű eszköze. Ez egy 10 µF-os, 20%-os, 10 voltos felületszerelt gyártástechnológiás kondenzátor. A tantál-elektrolit típusú rokonaihoz hasonlóan szűrésre, áthidalásra és váltóáramú csatolásra használják.

Mica kondenzátorok

A többnyire ezüst-csillám anyagból készülő csillámkondenzátorokra a szűk tűréstartomány (±1%), a kapacitásértékre vonatkozó alacsony hőmérsékleti koefficiens (jellemzően 50 ppm/°C), a rendkívül alacsony veszteségi tényező és a feszültség rákapcsolásakor az alacsony kapacitásváltozás a jellemző. Szűk tűrési tartományuknak és nagy stabilitásuknak köszönhetően rádiófrekvenciás áramkörökben történő használatra alkalmasak. A vezető felületek létrehozásához a csillám dielektrikum mindkét oldalára ezüst réteget visznek fel. A csillám egy stabil ásványi anyag, amely nem lép kölcsönhatásba az elektronikai rendszerekben előforduló legtöbb szennyező anyaggal.

A Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F jelű eszköze egy 100 pF-os, 5%-os, 500 voltos, felületszerelt technológiás csillámkondenzátor (6. ábra). Rádiófrekvenciás (RF) áramkörökben használják, például MRI-nél, mobil rádióknál, teljesítményerősítőknél és oszcillátoroknál. -55 °C és 125 °C közötti névleges hőmérséklettartományban való használatra tervezték őket.

6. ábra: A Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F egy rádiófrekvenciás használatra szánt, felületszerelt technológiás csillámkondenzátor (kép: Cornell Dubilier Electronics)

Összegzés

A kondenzátorok az elektronikai áramkörök egyik alapvető elemei. Az évek során különböző jellemzőkkel rendelkező típusok széles skáláját fejlesztették ki, aminek köszönhetően egyes technológiás kondenzátorok bizonyos alkalmazási célokra különösen alkalmasak. A tervezőknek érdemes alaposan megismerkedniük a különböző típusokkal, konfigurációkkal és specifikációkkal, hogy mindig az adott alkalmazási célokhoz optimális eszközöket tudjanak választani.