Noțiuni fundamentale: înțelegerea caracteristicilor tipurilor de condensatoare pentru utilizarea corectă și sigură a acestora

Condensatoarele sunt dispozitive de stocare a energiei care sunt esențiale atât pentru circuitele electronice analogice, cât și pentru cele digitale. Acestea sunt utilizate în sincronizare, pentru crearea și modelarea formei de undă, blocarea curentului continuu și cuplarea semnalelor de curent alternativ, filtrarea și netezirea și, bineînțeles, stocarea energiei. Datorită gamei largi de utilizări, a apărut o abundență de tipuri de condensatoare care utilizează o varietate de materiale pentru plăci, dielectrici izolatori și forme fizice. Fiecare dintre aceste tipuri de condensatoare este destinat unei anumite game de aplicații. Marea varietate de opțiuni înseamnă că poate fi nevoie de timp pentru a trece prin toate și a găsi alegerea optimă pentru un proiect în ceea ce privește caracteristicile de performanță, fiabilitatea, durata de viață, stabilitatea și costul.

Este necesară cunoașterea caracteristicilor fiecărui tip de condensator pentru potrivirea corectă a condensatorului cu aplicația de circuit prevăzută. Aceste cunoștințe trebuie să acopere caracteristicile electrice, fizice și economice ale condensatoarelor.

Acest articol va descrie diferitele tipuri de condensatoare, caracteristicile lor și criteriile cheie pentru selectarea lor. Se vor folosi exemple de la Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation și AVX Corporation pentru a ilustra diferențele și atributele cheie.

Ce este un condensator?

Condensatorul este un dispozitiv electronic care stochează energie într-un câmp electric intern. Este o componentă electronică pasivă de bază, alături de rezistoare și inductoare. Toate condensatoarele au aceeași structură de bază, două plăci conductoare separate de un izolator, numit dielectric, care poate fi polarizat prin aplicarea unui câmp electric (Figura 1). Capacitatea este proporțională cu suprafața plăcii, A, și invers proporțională cu distanța dintre plăci, d.

Figura 1: condensatorul de bază constă din două plăci conductoare separate de un dielectric neconductor care stochează energie sub formă de regiuni polarizate în câmpul electric dintre cele două plăci. (Sursa imaginii: DigiKey)

Primul condensator a fost borcanul Leyden, dezvoltat în 1745. Acesta era format dintr-un borcan de sticlă căptușit cu folie metalică pe interior și exterior și a fost folosit inițial pentru a stoca sarcinile electrice statice. Benjamin Franklin a folosit unul pentru a dovedi că fulgerul este electricitate, aceasta devenind una dintre primele aplicații înregistrate.

Capacitatea condensatorului de bază cu plăci paralele poate fi calculată cu ajutorul Ecuației 1:

 Ecuația 1

Unde:

C este capacitatea în farazi

A este suprafața plăcii în metri pătrați

d este distanța dintre plăci în metri

ε este permitivitatea materialului dielectric

ε este egală cu permitivitatea relativă a dielectricului, ε_r, înmulțită cu permitivitatea vidului, ε₀. Permisivitatea relativă, ε_r, este deseori denumită constantă dielectrică, k.

Pe baza Ecuației 1, capacitatea este direct proporțională cu constanta dielectrică și suprafața plăcilor și invers proporțională cu distanța dintre plăci. Pentru a crește capacitatea, suprafața plăcilor poate fi mărită și distanța dintre plăci poate fi redusă. Deoarece permitivitatea relativă a vidului este 1, iar toți dielectricii au o permitivitate relativă mai mare de 1, inserarea unui dielectric va crește capacitatea unui condensator. Condensatoarele sunt în general denumite în funcție de tipul de material dielectric utilizat (Tabelul 1).

Tabelul 1: caracteristicile tipurilor comune de condensatoare, sortate în funcție de materialul dielectric. (Sursa tabelului: DigiKey)

Câteva note privind intrările din coloane:

• Permisivitatea relativă sau constanta dielectrică a unui condensator afectează valoarea maximă a capacității care poate fi obținută pentru o anumită suprafață a plăcii și grosime dielectrică.
• Rigiditatea dielectrică este o evaluare a rezistenței dielectricului la străpungerea tensiunii în funcție de grosimea acestuia.
• Grosimea minimă a dielectricului care poate fi obținută afectează capacitatea maximă care poate fi realizată, precum și tensiunea de străpungere a condensatorului.

Construcția condensatorului

Condensatoarele sunt disponibile într-o varietate de configurații fizice de montare, inclusiv montare axială, radială și de suprafață (Figura 2).

Figura 2: tipurile de montare sau de configurare a condensatorului includ montarea axială, radială și de suprafață. Montarea pe suprafață este foarte răspândită în acest moment. (Sursa imaginii: DigiKey)

Construcția axială se bazează pe straturi alternative de folie metalică și dielectric sau pe un dielectric metalizat pe ambele părți, laminat în formă cilindrică. Conexiunile la plăcile conductoare pot fi realizate prin intermediul unei lamele inserate sau al unui capac de capăt circular conducător.

Tipul radial constă, de obicei, din straturi alternative de metal și dielectric. Straturile metalice sunt unite la capete. Configurațiile radiale și axiale sunt destinate montării prin orificii.

Condensatoarele cu montare pe suprafață se bazează, de asemenea, pe straturi conductoare și dielectrice alternative. Straturile metalice de la fiecare capăt sunt conectate cu un capac de lipire pentru montarea pe suprafață.

Model de circuit de condensator

Modelul de circuit pentru un condensator include toate cele trei elemente pasive ale circuitului (Figura 3).

Figura 3: modelul de circuit pentru un condensator este format din elemente capacitive, inductive și rezistive. (Sursa imaginii: DigiKey)

Modelul de circuit al unui condensator constă dintr-un element rezistiv în serie care reprezintă rezistența ohmică a elementelor conductoare împreună cu rezistența dielectrică. Aceasta se numește rezistență echivalentă sau rezistență efectivă în serie (ESR).

Efectele dielectrice apar atunci când semnalele de curent alternativ sunt aplicate la condensator. Tensiunile de curent alternativ fac ca polarizarea dielectricului să se schimbe la fiecare ciclu, provocând încălzirea internă. Încălzirea dielectrică este o funcție a materialului și se măsoară ca factor de disipare a dielectricului. Factorul de disipare (DF) este o funcție a capacității condensatorului și a ESR și poate fi calculat cu ajutorul Ecuației 2:

 Ecuația 2

Unde:

X_C este reactanța capacitivă în ohmi (Ω)

ESR este rezistența echivalentă în serie (în Ω)

Factorul de disipare depinde de frecvență, datorită termenului de reactanță capacitivă și este adimensional, fiind adesea exprimat ca procent. Un factor de disipare mai mic duce la o încălzire mai mică și, prin urmare, la pierderi mai mici.

Există un element inductiv în serie, numit inductanță efectivă sau echivalentă în serie (ESL). Aceasta reprezintă inductanța conductoare și a căii conductoare. Inductanța și capacitatea în serie dau naștere la o rezonanță în serie. Sub frecvența de rezonanță în serie, dispozitivul prezintă un comportament preponderent capacitiv, iar peste aceasta, dispozitivul este mai mult inductiv. Această inductanță în serie poate fi problematică în multe aplicații de înaltă frecvență. Furnizorii minimizează inductanța prin utilizarea construcției în straturi prezentate în configurațiile componentelor radiale și cu montare pe suprafață.

Rezistența paralelă reprezintă rezistența de izolare a dielectricului. Valorile diferitelor componente ale modelului depind de configurația condensatorului și de materialele selectate pentru construcția acestuia.

Condensatoare ceramice

Aceste condensatoare utilizează un dielectric ceramic. Există două clase de condensatoare ceramice, clasa 1 și clasa 2. Clasa 1 se bazează pe ceramică para-electrică, cum ar fi dioxidul de titan. Condensatoarele ceramice din această clasă au un nivel ridicat de stabilitate, un bun coeficient de temperatură al capacității și pierderi reduse. Datorită preciziei lor inerente, acestea sunt utilizate în oscilatoare, filtre și alte aplicații RF.

Condensatoarele ceramice din clasa 2 utilizează un dielectric ceramic bazat pe materiale feroelectrice precum titanatul de bariu.  Datorită constantei dielectrice ridicate a acestor materiale, condensatoarele ceramice din clasa 2 oferă o capacitate mai mare per unitate de volum, dar au o precizie și o stabilitate mai scăzute decât condensatoarele din clasa 1. Acestea sunt utilizate pentru aplicații de bypass și cuplare în care valoarea absolută a capacității nu este critică.

GCM1885C2A101JA16 de la Murata Electronics este un exemplu de condensator ceramic (Figura 4). Condensatorul de clasa 1 de 100 picofarazi (pF) are o toleranță de 5%, este evaluat la 100 de volți și are o configurație de montare pe suprafață. Acest condensator este destinat utilizării în domeniul auto, cu o temperatură nominală de la -55 ° până la +125 °C.

Figura 4: condensatorul GCM1885C2A101JA16 este un condensator ceramic de 100 pF din clasa 1, cu montare pe suprafață, cu o toleranță de 5% și o tensiune nominală de 100 de volți. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Condensatoare cu film

Condensatoarele cu peliculă folosesc o peliculă subțire de plastic ca dielectric. Plăcile conductoare pot fi implementate fie ca straturi de folie, fie ca două straturi subțiri de metalizare, unul pe fiecare parte a peliculei de plastic. Materialul plastic utilizat pentru dielectric determină caracteristicile condensatoarelor. Condensatoarele cu peliculă sunt disponibile în mai multe forme:

Polipropilenă (PP): acestea au o toleranță și o stabilitate deosebit de bune, cu ESR și ESL scăzute și cu valori nominale ridicate ale tensiunii de străpungere. Din cauza limitelor de temperatură ale dielectricului, acestea sunt disponibile numai ca dispozitive cu terminale. Condensatoarele PP se aplică în circuite în care există tensiuni sau puteri mari, cum ar fi sursele de alimentare în comutație, circuitele de balast, circuitele cu descărcare de înaltă frecvență și în sistemele audio, unde ESR și ESL scăzute sunt apreciate pentru integritatea semnalului.

Polietilen tereftalat (PET): numite și condensatoare din poliester sau mylar, aceste condensatoare sunt cele mai eficiente din punct de vedere volumetric dintre condensatoarele cu peliculă, datorită constantei dielectrice mai ridicate. În general, acestea sunt aplicate ca dispozitive cu conductoare radiale. Acestea sunt utilizate pentru aplicații capacitive de uz general.

Sulfură de polifenilen (PPS): aceste condensatoare sunt fabricate numai ca dispozitive cu peliculă metalizată. Au o stabilitate deosebit de bună a temperaturii și, prin urmare, sunt utilizate în circuite care necesită o bună stabilitate a frecvenței.

Un exemplu de condensator cu peliculă PPS este ECH-U1H101JX5 de la Panasonic Electronics Corporation. Dispozitivul de 100 pF are o toleranță de 5%, este evaluat la 50 de volți și vine într-o configurație cu montare pe suprafață. Are un interval al temperaturii de funcționare de la -55 °C la 125 °C și este destinat aplicațiilor electronice generale.

Polietilen naftalat (PEN): la fel ca și condensatoarele PPS, acestea sunt disponibile numai în varianta cu peliculă metalizată. Au o toleranță ridicată la temperaturi mari și sunt disponibile în configurație cu montare pe suprafață. Aplicațiile se concentrează pe cele care necesită performanțe la temperaturi și tensiuni ridicate.

Condensatoarele din politetrafluoretilenă (PTFE) sau teflon se remarcă prin toleranța lor la temperaturi și tensiuni ridicate. Acestea sunt fabricate atât în construcție metalizată, cât și în folie. Condensatoarele PTFE se găsesc mai ales în aplicații care necesită expunerea la temperaturi ridicate.

Condensatoare electrolitice

Condensatoarele electrolitice se remarcă prin valorile lor ridicate de capacitate și prin eficiența volumetrică ridicată. Acest lucru se realizează prin utilizarea unui electrolit lichid în locul uneia dintre plăcile sale. Un condensator electrolitic din aluminiu cuprinde patru straturi separate: un catod din folie de aluminiu; un separator din hârtie îmbibată cu electrolit; un anod din aluminiu care a fost tratat chimic pentru a forma un strat foarte subțire de oxid de aluminiu; și, în final, un alt separator din hârtie. Acest ansamblu este apoi rulat și introdus într-o cutie metalică sigilată.

Condensatoarele electrolitice sunt dispozitive polarizate, de curent continuu (c.c.), ceea ce înseamnă că tensiunea aplicată trebuie să fie aplicată la bornele pozitive și negative specificate. Conectarea necorespunzătoare a condensatorului electrolitic poate duce la o defecțiune explozivă, deși carcasele au diafragme de eliberare a presiunii pentru a gestiona reacția și a minimiza potențialul de deteriorare.

Principalele avantaje ale condensatorului electrolitic sunt valorile ridicate ale capacității, dimensiunile mici și costul relativ scăzut. Valorile capacităților au un domeniu larg de toleranță și curenți de scurgere relativ mari. Cele mai frecvente aplicații pentru condensatoarele electrolitice sunt ca și condensatoare de filtrare atât în sursele de alimentare liniare, cât și în cele în comutație (Figura 5).

Figura 5: exemple de condensatoare electrolitice; toate au o capacitate de 10 microfarazi (µF). (Sursa imaginii: Kemet și AVX Corp.)

Făcând referire la Figura 5 și mergând de la stânga la dreapta, ESK106M063AC3FA de la Kemet este un condensator electrolitic din aluminiu de 10 µF, 20%, 63 de volți, cu conductoare radiale. Acesta poate funcționa la temperaturi de până la 85 °C și are o durată de funcționare de 2.000 de ore. Este destinat aplicațiilor electrolitice de uz general, inclusiv operațiunilor de filtrare, decuplare și bypass.

O alternativă la condensatorul electrolitic din aluminiu este condensatorul cu polimer de aluminiu, care înlocuiește electrolitul lichid cu un electrolit polimeric solid. Condensatorul cu polimer din aluminiu are un ESR mai mic decât cel electrolitic din aluminiu și o durată de viață mai lungă. Ca toate condensatoarele electrolitice, acestea sunt polarizate și se aplică în sursele de alimentare ca filtre și condensatoare de decuplare.

Condensatorul Kemet A758BG106M1EDAE070 este un condensator de 10 µF, 25 volți, cu conductoare radiale, din polimer de aluminiu, cu o durată de viață mai lungă și o stabilitate mai mare într-o gamă largă de temperaturi. Acesta este destinat aplicațiilor industriale și comerciale, cum ar fi încărcătoare de telefoane mobile și electronice medicale.

Condensatoarele cu tantal sunt o altă formă de condensator electrolitic. În acest caz, un strat de oxid de tantal este format chimic pe folia de tantal. Eficiența lor volumetrică este mai bună decât cea a unui condensator electrolitic din aluminiu, dar nivelurile maxime de tensiune sunt, în general, mai mici. Condensatoarele cu tantal prezintă un ESR mai mic și o toleranță la temperatură mai mare decât cele electrolitice din aluminiu, ceea ce înseamnă că pot rezista mai bine la procesul de lipire.

Condensatorul Kemet T350E106K016AT este un condensator cu tantal de 10 µF, 10%, 16 volți, cu conductoare radiale. Acesta oferă avantajele dimensiunilor mici, scurgerilor reduse și factorului de disipare redus pentru aplicații de filtrare, bypass, cuplare c.a. și sincronizare.

Ultimul tip de condensator electrolitic este cel electrolitic cu oxid de niobiu. Dezvoltat în timpul unei penurii de tantal, condensatorul electrolitic cu niobiu înlocuiește tantalul cu niobiu și pentoxid de niobiu ca electrolit. Datorită constantei sale dielectrice mai mari, oferă o dimensiune mai mică a pachetului per unitate de capacitate.

Un exemplu de condensator electrolitic cu oxid de niobiu este NOJB106M010RWJ de la AVX Corp. Acesta este un condensator de 10 µF, 20%, 10 volți, în configurație de montare pe suprafață. La fel ca și condensatorul electrolitic de tantal, este utilizat pentru aplicații de filtrare, bypass și cuplare c.a.

Condensatoare Mica

Condensatoarele cu mică (în principal mică de argint) sunt caracterizate de o toleranță strânsă a capacității (±1%), un coeficient de capacitate la temperatură scăzut (de obicei 50 ppm/°C), un factor de disipare extrem de scăzut și o variație scăzută a capacității în funcție de tensiunea aplicată. Toleranța strânsă și stabilitatea ridicată le fac potrivite pentru circuitele RF. Dielectricul de mică este argintat pe ambele părți pentru a asigura suprafețele conductoare. Mica este un mineral stabil care nu interacționează cu majoritatea contaminanților electronici obișnuiți.

Condensatorul MC12FD101J-F de la Cornell Dubilier Electronics este un condensator cu mică de 100 pF, 5%, 500 volți, într-o configurație cu montare pe suprafață (Figura 6). Acesta este utilizat în aplicații RF, cum ar fi RMN, radiouri mobile, amplificatoare de putere și oscilatoare. Sunt clasificate pentru a funcționa la temperaturi cuprinse între -55 °C și 125 °C.

Figura 6: condensatorul MC12FD101J-F de la Cornell Dubilier Electronics este un condensator cu mică pentru montare pe suprafață destinat aplicațiilor RF. (Sursa imaginii: Cornell Dubilier Electronics)

Concluzie

Condensatoarele sunt o componentă esențială pentru proiectarea electronicelor. De-a lungul anilor, a fost dezvoltată o gamă largă de tipuri de dispozitive cu caracteristici diferite care fac ca unele tehnologii de condensatoare să fie deosebit de potrivite pentru aplicații specifice. Pentru proiectanți, dobândirea unor bune cunoștințe de lucru cu privire la diferitele tipuri, configurații și specificații este un efort util pentru a se asigura că fac alegerea optimă pentru o anumită aplicație.