Alegerea tehnologiei condensatorului potrivit pentru o aplicație

Alegerea condensatorului potrivit pentru o aplicație poate face o diferență semnificativă în ceea ce privește performanța, fiabilitatea și eficiența produselor, cum ar fi sursele de alimentare pentru apărare, industria aerospațială, tehnologia medicală, infrastructura energetică critică sau încărcătoarele rapide pentru vehicule electrice.

Condensatoarele sunt componente esențiale în multe circuite electronice, deoarece stochează și eliberează energie electrică, filtrează semnalele nedorite și îndeplinesc alte funcții. Cu toate acestea, nu toate condensatoarele sunt la fel, iar diferitele tipuri de condensatoare au caracteristici, avantaje și limitări diferite.

Selectarea tipului corect de condensator este crucială pentru proiectarea produselor. Trei opțiuni comune – condensatoare ceramice multistrat (MLCC), cu peliculă sau electrolitice din aluminiu – vin cu avantaje și dezavantaje și există o multitudine de variații în cadrul fiecărei categorii. Alegerea tipului potrivit garantează că produsul final are suficientă energie stocată, se potrivește în spațiul disponibil și funcționează în siguranță pentru utilizarea prevăzută.

Argumentele pentru MLCC-uri

MLCC-urile sunt alcătuite din straturi alternative de dielectric ceramic și electrozi metalici stivuite și sinterizate împreună pentru a forma o capsulă compactă. Utilizate pe scară largă în multe dispozitive electronice, MLCC-urile oferă capacitate ridicată în dimensiuni mici, rezistență echivalentă în serie (ESR) scăzută, curent de scurgere scăzut, răspuns în frecvență ridicată și stabilitate bună la temperatură.

MLCC-urile sunt potrivite pentru aplicații care necesită densitate mare de putere, eficiență ridicată, zgomot redus și fiabilitate ridicată. Cu toate acestea, există variații în cadrul acestei categorii, care pot face diferența în dezvoltarea unor produse de succes:

• MLCC-uri de înaltă fiabilitate: oferă fiabilitate ridicată, rată de defectare scăzută, durată de viață lungă și performanță ridicată în condiții dificile. Aceste caracteristici sunt importante pentru a îndeplini cerințele stricte ale unor industrii precum cea aerospațială și de apărare, inclusiv specificațiile conform MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 și MIL-PRF-39014, precum și aplicațiile medicale.
• MLCC-uri de înaltă tensiune: funcționează la tensiuni de peste 500 V și până la 12 kV. Acestea sunt concepute pentru aplicații care necesită o izolare de înaltă tensiune, cum ar fi sursele de alimentare, generatoarele de impulsuri și echipamentele cu raze X. Au capacitate ridicată, un ESR scăzut, un factor de disipare scăzut și o tensiune de străpungere ridicată.
• MLCC-uri de înaltă temperatură: funcționează la temperaturi de peste +125 °C, până la +250 °C. Sunt concepute pentru aplicații care necesită stabilitate la temperaturi ridicate, cum ar fi foraje prin perforare descendentă, industria auto și cea industrială. Acestea oferă o capacitate ridicată, un ESR scăzut, un coeficient de temperatură scăzut și o rezistență ridicată la șocuri termice.

Avantajele condensatoarelor cu peliculă

Condensatoarele cu peliculă sunt potrivite pentru aplicații care necesită valori ridicate de putere, curent, tensiune și frecvență, cum ar fi conversia de putere, filtrarea, atenuarea și cuplarea. Aceste condensatoare constau dintr-o peliculă subțire de material dielectric – cum ar fi poliesterul, polipropilena, policarbonatul sau sulfura de polifenilen – închisă între doi electrozi metalici, fie înfășurat în formă cilindrică, fie stivuit în formă plată.

Condensatoarele cu peliculă sunt adesea mai mari și mai scumpe decât MLCC-urile, dar oferă valori ridicate ale capacității, tensiuni nominale ridicate, ESR scăzut, factor de disipare scăzut, răspuns de înaltă frecvență și durată de viață lungă. Avantajele acestei tehnologii includ valori nominale de tensiune mai mari, modificarea liniară a capacității în funcție de tensiune și temperatură, lipsa zgomotului piezoelectric, capacitatea de auto-reparare și durată de viață lungă.

Există mai multe categorii de condensatoare cu peliculă care pot dicta care este cel potrivit pentru o aplicație:

• Condensatoarele cu peliculă de poliester metalizat utilizează un strat subțire de metal, cum ar fi aluminiu sau zinc, depus pe pelicula de poliester sub formă de electrozi. Acestea oferă capacitate ridicată, un ESR scăzut, cost redus și proprietăți bune de auto-vindecare. Îndeplinesc cerințele aplicațiilor de uz general, cum ar fi de bypass, cuplare și decuplare.
• Condensatoarele cu peliculă de polipropilenă metalizată utilizează pelicula de polipropilenă ca electrod cu un strat subțire de metal, cum ar fi aluminiu sau zinc. Acestea se caracterizează prin capacitate mare, ESR scăzut, factor de disipare scăzut, răspuns în frecvență ridicată și stabilitate ridicată. Sunt potrivite pentru aplicații de înaltă performanță, cum ar fi corecția factorului de putere, filtrarea și atenuarea.
• Condensatoarele cu peliculă de policarbonat utilizează o peliculă de policarbonat ca material dielectric. Acestea oferă capacitate ridicată, tensiune nominală ridicată, un coeficient de temperatură scăzută și fiabilitate ridicată. Sunt adecvate pentru aplicații care necesită stabilitate la temperaturi ridicate, cum ar fi circuitele de sincronizare, detecție și precizie.
• Condensatoarele cu peliculă de sulfură de polifenilen utilizează pelicula de sulfură de polifenilen ca material dielectric. Acestea oferă capacitate ridicată, temperatură nominală ridicată, ESR scăzut, un factor de disipare scăzut și un răspuns la frecvențe ridicate. Aplicațiile adecvate le includ pe cele care necesită performanțe la temperaturi ridicate, cum ar fi cele din domeniul auto, industrial și al telecomunicațiilor.
• Condensatoarele cu peliculă de hârtie metalizată folosesc o peliculă de hârtie metalizată ca material dielectric. Acestea oferă capacitate ridicată, tensiune nominală ridicată, un ESR scăzut, un factor de disipare scăzut și proprietăți ridicate de auto-vindecare. Sunt potrivite pentru aplicații care necesită o izolare de înaltă tensiune, cum ar fi sursele de alimentare, generatoarele de impulsuri și echipamentele cu raze X.

Condensatoare electrolitice din aluminiu

Condensatoarele electrolitice din aluminiu sunt adecvate pentru aplicații care necesită o capacitate mare, tensiune ridicată și frecvență joasă, cum ar fi netezirea, filtrarea și stocarea energiei.

Având capacitatea de stocare a unei cantități mari de energie electrică în raport cu dimensiunea sa, un condensator electrolitic din aluminiu este aplicabil pentru reglarea surselor de alimentare în dispozitivele electronice. Acestea pot avea o durată de viață mai scurtă decât MLCC-urile și alternativele cu peliculă și, deoarece sunt polarizate cu un terminal pozitiv și unul negativ, se pot deteriora dacă sunt instalate invers. De asemenea, pot avea în permanență o mică scurgere de curent și nu sunt la fel de stabile la frecvențe înalte în comparație cu alte alternative.

Condensatoarele electrolitice din aluminiu sunt disponibile cu diferite tipuri de electrolit, cum ar fi lichid, solid sau hibrid, care au caracteristici diferite de performanță, stabilitate și fiabilitate:

• Condensatoarele electrolitice lichide din aluminiu utilizează o soluție de electrolit lichid ca și catod. Oferă capacitate ridicată, tensiune nominală ridicată și costuri reduse. Totuși, acestea au și un ESR ridicat, curent de scurgere ridicat, factor de disipare ridicat și durată de viață limitată. Sunt potrivite pentru aplicații de uz general, cum ar fi netezirea, filtrarea și stocarea energiei.
• Condensatoarele cu electrolit solid de aluminiu folosesc un material electrolitic solid – cum ar fi dioxidul de mangan sau un polimer conductiv – pentru catod. Acestea oferă un ESR scăzut, curent de scurgere scăzut, un factor de disipare scăzut și o durată de viață lungă. Cu toate acestea, oferă o capacitate mai mică, o tensiune nominală mai mică și un cost mai mare decât condensatoarele cu electrolit lichid. Sunt potrivite pentru aplicații de înaltă performanță, cum ar fi sursele de alimentare în comutație, driverele de leduri și amplificatoarele audio.
• Condensatoarele electrolitice hibride din aluminiu utilizează o combinație de electroliți lichizi și solizi ca și catod. Acestea oferă un echilibru între capacitate, tensiunea nominală, ESR, curentul de scurgere, factorul de disipare și durata de viață. Sunt potrivite pentru aplicații care necesită o densitate de putere ridicată, fiabilitate ridicată și performanțe la temperaturi ridicate, cum ar fi cele din domeniul auto, industrial și al telecomunicațiilor.

Achiziția de la un furnizor extinde portofoliul de condensatoare

Knowles și Cornell Dubilier Electronics (CDE) sunt doi dintre cei mai importanți producători de condensatoare, oferind o gamă largă de tehnologii și produse de condensatoare. Knowles a achiziționat CDE în 2023, combinând punctele forte complementare ale celor două companii, inclusiv condensatoarele cu peliculă și condensatoarele electrolitice din aluminiu de la CDE, precum și condensatoarele cu peliculă și MLCC-urile de la Knowles Precision Devices.

Knowles oferă un portofoliu cuprinzător de MLCC-uri în capsule standard cu montare pe suprafață și capsule tip bandă sau radiale, variind de la mai puțin de un picofarad până la sute de microfarazi, cu valori nominale de la 6,3 V la 12 kV. MLCC-urile de la Knowles sunt disponibile în diferite materiale dielectrice cu diferiți coeficienți de temperatură, constante dielectrice și rate de îmbătrânire.

Abordarea de fabricație FlexiCap™ de la Knowles utilizează un material de terminare a polimerului epoxidic flexibil brevetat, aplicat sub finisajul obișnuit al barierei de nichel, care permite un grad mai mare de îndoire a plăcii decât condensatoarele convenționale. Gama StackiCap™ a companiei oferă o reducere semnificativă a spațiului pe placa de circuite imprimate, obținându-se o valoare echivalentă a capacității în cazurile în care spațiul pe placă este foarte limitat; de exemplu, un cip standard de 150 nanofarazi (nF) într-o carcasă de dimensiunea 8060 este disponibil într-o carcasă mult mai mică de dimensiunea 3640.

Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (Figura 1) este un MLCC FlexiCap cu montare pe suprafață care poate stoca o sarcină electrică de 0,56 microfarazi (µF) – cu o toleranță de ±10% – și este proiectat să suporte până la 500 V. Face parte dintr-o familie de produse de MLCC-uri cu capacitate nominală de curent continuu care variază de la 0,2 picofarazi (pF) la 22 µF și cu dimensiuni de la 0402 la 8060.

Figura 1: O reprezentare a dispozitivului Knowles Syfer 2220Y5000564KXT. (Sursa imaginii: Knowles)

Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 (Figura 2) este un MLCC StackiCap care poate stoca o sarcină electrică de 1 µF, cu o toleranță de ±10% și este evaluat pentru 630 V.

Figura 2: Ilustrația capsulării StackiCap pentru Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 și MLCC-uri similare. (Sursa imaginii: Knowles)

Knowles CDE oferă o selecție largă de condensatoare standard și personalizate cu terminale cu șurub, cu montare rapidă și cu montare pe placă pentru utilizare în aplicații critice, de la defibrilatoare și imagistică medicală, la sisteme radar și sisteme de rezervă de energie UPS pentru sisteme de date mari.

477XMPL002MG19R de la CDE face parte din seria de condensatoare cu cipuri polimerice XMPL pentru aplicații care necesită o tensiune mai mare și/sau cerințe mai mari de capacitate. Cu un ESR scăzut și cu valori nominale robuste ale curentului de ondulație, acestea depășesc electroliticele cu montare pe suprafață de dimensiuni mai mari și oferă o durată de viață mai lungă, stabilitate mai mare la schimbările de temperatură și un ESR mai mic la frecvențe mai mari. Valorile capacității standard ale seriei variază acum de la 6,8 µF la 470 µF, cu o tensiune maximă de lucru de 35 V_c.c. într-o capsulă turnată care măsoară 7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm.

În cadrul unei game extinse de condensatoare cu peliculă, condensatoarele cu peliculă acrilică de tip FCA de la CDE, cum ar fi FCA0805C104M-J2, oferă valori ridicate de capacitate în dimensiuni standard cu montare pe suprafață. Seria oferă o gamă de capacități de la 0,10 µF la 1,0 µF. Ca și condensatoarele de cuplare din circuitele audio, acestea pot produce un sunet fără distorsiuni și cu filtrare de înaltă frecvență.

Concluzie

Condensatoarele sunt componente electronice vitale, iar selectarea celui potrivit este crucială pentru proiectarea produselor. Din fericire, Knowles și Cornell Dubilier Electronics oferă acces la o selecție vastă de tipuri comune cu variații multiple, precum și la tipuri speciale concepute pentru aplicații specifice.