Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak wybrać kondensator - podstawy doboru elementów

ghost666 15 Kwi 2016 22:34 5661 8
  • Autor poniższego artykułu, Sanket Gupta, pracuje w Octopart w sekcji kondensatorów. W związku ze swoją pracą postanowił stworzyć prosty artykuł opisujący różne rodzaje kondensatorów. Jest to niezwykle istotne gdyż różne rodzaje elementów mają swoje cechy charakterystyczne i przez to szczególne zastosowania, w których sprawdzają się lepiej.

    W poniższym tekście opisano różne rodzaje kondensatorów, wraz z ich zaletami, wadami oraz przykładowymi aplikacjami w jakich sprawdzają się najlepiej. W tekście ujęto także kwestię dostępności poszczególnych elementów na rynku.

    Jak wybrać kondensator - podstawy doboru elementów


    Kondensator

    Kondensator jest elementem o dwóch wyprowadzeniach, wykazujący pomiędzy nimi pewną pojemność. Elementy te wykorzystuje się w filtrach analogowych, do przechowywania energii, tłumienia zakłóceń i w wielu innych zastosowaniach. Najprostszy kondensator to dwie prostokątne okładki oddzielone dielektrykiem. Pojemność kondensatora opisywana jest w Faradach (od Michaela Faradaya, który był pionierem w opracowaniu i stosowaniu tych elementów).

    Kondensatory mogą być bi- lub unipolarne, zależnie od tego z jaką różnicą potencjałów mogą pracować (tylko o jednym znaku czy w całym zakresie od napięcia ujemnego do dodatniego). Kondensatory unipolarne - większość kondensatorów elektrolitycznych i tantalowych - mogą pracować tylko 'w jedną stronę' tj. z napięciem dodatnim: jeśli napięcie na biegunie ujemnym jest większe niż na biegunie dodatnim takiego elementu to może on ulec uszkodzeniu. Kondensatory bipolarne - ceramiczne, mikowe i warstwowe - mogą być podłączone 'w obie strony', dzięki czemu nadają się do pracy z sygnałami przemiennymi.

    Jakkolwiek kondensatory to bardzo popularne elementy, dobór ich do konkretnej aplikacji nie jest taki trywialny. W większości projektów i schematów podaje się wartość pojemności kondensatora oraz napięcie pracy elementu, ale mają one szereg innych charakterystyk, o jakich trzeba pamiętać: polaryzację, współczynnik temperaturowy, różnią się one stabilnością, rezystancją szeregową (ESR) itd. Z uwagi na różnorodność tych elementów zły wybór kondensatora może spowodować słabe działanie pewnych układów, a dobry dobór elementu istotnie poprawić działanie. Przyjrzyjmy się zatem najpopularniejszym typom tych elementów. W artykule omówimy kondensatory elektrolityczne, ceramiczne, tantalowe, warstwowe, mikowe i polimerowe.

    1. Aluminiowe kondensatory elektrolityczne

    Kondensatory elektrolityczne są zazwyczaj elementami unipolarnymi. Charakteryzują się dużą pojemnością, ale zazwyczaj są mało precyzyjne - rozrzut produkcyjny pojemności tych elementów wynosi typowo 20%.





    Aplikacje: Elementy te stosuje się w miejscu, gdzie istotna jest duża pojemność, ale nie jest wymagana praca z sygnałami AC czy precyzyjna wartość pojemności. Zazwyczaj stosuje się je do filtrowania napięcia w zasilaczach, a także w różnego rodzaju przetwornicach.

    Obudowa: Dostępne są w obudowach do montażu powierzchniowego jak i przewlekanego.

    2. Kondensatory ceramiczne

    Są to jedne z najczęściej używanych kondensatorów. Istnieją dwa najpopularniejsze rodzaje tych elementów - wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) i ceramiczne kondensatory dyskowe. Te pierwsze stosuje się najczęściej w wielu zastosowaniach z uwagi na ich wysoką stabilność i niewielkie straty. Elementy te charakteryzują się niskim ESR i rozrzutem produkcyjnym w porównaniu do kondensatorów elektrolitycznych czy tantalowych, ale ich pojemności nie są tak duże - ograniczają się zaledwie do kilki mikrofaradów. Z uwagi na bardzo niewielkie rozmiary obudów tych elementów kondensatory MLCC idealnie nadają się do gęstego upakowania elementów na płytce drukowanej o ograniczonej powierzchni.

    Aplikacje: Jako, że są one biipolarne, stosować je można z napięciem przemiennym. Elementy te są typowymi kondensatorami ogólnego przeznaczenia, które stosuje się do filtrowania sygnałów, odsprzęgania i filtrowania zasilania w układach etc.

    Kondensatory MLCC i dyskowe dzielą się na dwie klasy, zależne od aplikacji:

    Klasa I to dokładne (?5%) kondensatory i niewielkim dryfcie termicznym (pojemność niewiele zmienia się w funkcji temperatury). Popularne kondensatory tej klasy to elementy oparte na dielektrykach NP0 i C0G, które charakteryzują się dryfem na poziomie 30 ppm/K, ale dostępne są jedynie w zakresie niewielkich, nanofaradowych pojemności. Z uwagi na wysoką stabilność stosuje się je np. w układach rezonansowych systemów radiowych.

    Klasa II obejmuje mniej precyzyjne kondensatory, ale posiadające wyższą pojemność przy tej samej objętości. Produkowane są one w pojemnościach do mikrofaradów. Nadają się one idealnie do aplikacji takich jak wygładzanie napięcia zasilającego, jednakże trzeba przy takim stosowaniu pamiętać o ich wysokim współczynniku napięciowym, mówiącym o spadku pojemności w funkcji napięcia. Typowe kondensatory klasy II mogą mieć jedynie 50% nominalnej pojemności, jeśli pracują z napięciem bliskim ich maksymalnego napięcia pracy.

    Kondensatory klasy II oparte są na różnych elektrykach, w poniższej tabeli zawarto najpopularniejsze ich rodzaje, wraz z typowymi wartościami, jakie je charakteryzują:

    DielektrykZakres temperatur pracyRozrzut pojemności
    X5Rod -55°C do 85°C?15%
    X7Rod -55°C do 125°C?15%
    Y5Vod -30°C do 85°C+22%/-82%


    Obudowa: Dostępne są w obudowach do montażu powierzchniowego jak i przewlekanego. Najpopularniejsze obudowy SMD to 0201, 0402, 0603, 0805, 1206 i 1812, gdzie numer obudowy opisuje wielkość elementu w calach. Kondensator 0402 ma wymiar 0,04" x 0,02" etc.

    3. Kondensatory tantalowe

    Zasadniczo elementy te są rodzajem kondensatorów elektrolitycznych - są one unipolarne, co jest niezwykle warte podkreślenia, gdyż nawet najmniejsze odwrócenie napięcia lub jego przekroczenie może wywołać eksplozję elementu. Kondensatory tantalowe mogą charakteryzować się bardzo wysoką pojemnością i mniejszą objętością, niż inne kondensatory elektrolityczne o podobnych parametrach. Są niezwykle stabilne w czasie. Ich napięcia pracy są zazwyczaj mniejsze niż napięcia pracy kondensatorów elektrolitycznych.

    Obudowa:Dostępne są w obudowach do montażu powierzchniowego jak i przewlekanego. Elementy te są niezwykle popularne w obudowach SMD. Obudowy SMD tych układów opisane są jako serie od A do D, gdzie:

    * Seria A to rozmiar 1206 (tj. 0,12" x 0,06")
    * Seria B to rozmiar 1210
    * Seria C to rozmiar 2312
    * Seria D to rozmiar 2917

    Zasadniczo im większa pojemność danego elementu, tym większa będzie jego obudowa. Przykładowa rodzina kondensatorów tantalowych z seriami od A do D, posiada następujące pojemności:

    * Seria A: pojemności od 1 ?F do 10 ?F
    * Seria B: pojemności od 10 ?F do 47 ?F
    * Seria C: pojemności od 47 ?F do 220 ?F
    * Seria D: pojemności od 220 ?F do 680 ?F


    4. Kondensatory warstwowe

    Elementy te są bipolarne - można stosować je do sygnałów AC. Charakteryzują się niskim ESR oraz niską indukcyjnością. Często wykorzystuje się je w przetwornikach analogowo-cyfrowych. Mogą przewodzić całkiem duży prąd, dlatego chętnie wykorzystuje się je w tłumikach, mających tłumić szpilki powstające podczas przełączania prądu na uzwojeniu czy innej indukcyjności np. w przetwornicach DC/DC.

    Obudowa:Dostępne są w obudowach do montażu powierzchniowego jak i przewlekanego.

    5. Kondensatory mikowe

    Jest to rodzina bipolarnych kondensatorów, charakteryzujących się niskimi stratami, wysoką stabilnością i doskonałymi parametrami w wysokich częstotliwościach. Z uwagi na te własności bardzo chętnie stosuje się je w układach radiowych, szczególnie o wysokiej mocy lub wysokim napięciu. W aplikacjach z mniejszą mocą wypierane są one przez kondensatory ceramiczne. Mimo to te drogie elementy (mogą kosztować nawet kilka USD za sztukę) pozostają niezastąpione w układach radiowych o wysokiej mocy. Pojemności tych kondensatorów zazwyczaj leżą w zakresie od 1 pF do 10 nF.

    6. Kondensatory polimerowe

    Kondensatory tego rodzaju, podobnie jak kondensatory elektrolityczne, to elementy unipolarne. Mają one jednak szereg zalet nad innymi elektrolitami, takie jak mniejsze ESR i dłuższy czas życia. W przypadku aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych istnieje zawsze ryzyko, że elektrolit wyschnie, zwłaszcza w wysokiej temperaturze. W opisywanym typie kondensatorów elektrolit zastąpiony jest stałym polimerem. Dzięki temu kondensatory polimerowe działają sprawniej w szerszym zakresie temperatur.

    Aplikacje: Elementy te stosuje się najczęściej na wysokiej klasy płytach głównych oraz w przetwornicach DC/DC.

    Obudowa:Dostępne są w obudowach do montażu powierzchniowego jak i przewlekanego.

    Podsumowanie

    Powyższy poradnik obejmuje jedynie najpopularniejsze typy kondensatorów. Oprócz tego istnieje wiele innych klas tych elementów - superkondensatory, kondensatory krzemowe czy oparte na tlenku niobu, a także trymery. Każdy z tych elementów charakteryzuje się swoimi własnymi wadami i zaletami oraz cechami szczególnymi, jednak stosuje się je dużo rzadziej niż powyższe 6 typów.

    Źródło: https://blog.octopart.com/archives/2016/03/how-to-select-a-capacitor


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • #2 16 Kwi 2016 04:24
    horik
    Poziom 13  

    Uni - pojedyczny. Spolaryzowany w jednym kierunku. DC.
    Bi - podwójny. Spolaryzowany w obu kierunkach. AC.

  • #3 16 Kwi 2016 12:43
    mkpl
    Poziom 37  

    Szkoda, że kolega nie rozwinął tematu czasu życia kondensatorów i maksymalnych prądach tętnień (dla elektrolitów). Wielokrotnie spotykam się z stosowaniem np kondensatora 22uF "bo taka pojemność wystarczy" a potem zdziwienie, że po 2 tyg pracy kondensator odparował (nie wytrzymał prądu tętnień).

  • #4 16 Kwi 2016 14:00
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    mkpl napisał:
    Szkoda, że kolega nie rozwinął tematu czasu życia kondensatorów i maksymalnych prądach tętnień (dla elektrolitów). Wielokrotnie spotykam się z stosowaniem np kondensatora 22uF "bo taka pojemność wystarczy" a potem zdziwienie, że po 2 tyg pracy kondensator odparował (nie wytrzymał prądu tętnień).


    Zagadnienie wyznaczania MTBF dla urządzeń elektronicznych na podstawie typu elementów i warunków ich pracy jest szerokie i głębokie jak ocean ;) ale może spróbuję znaleźć jakieś materiały na ten temat. Dziękuję za uwagę.

  • #5 16 Kwi 2016 19:47
    ADI-mistrzu
    Poziom 30  

    Uwaga taka, że kondensatory ceramiczne na dzień dzisiejszy osiągają 100uF, co często pozwala na zastępowanie nimi kondensatorów elektrolitycznych.
    Wydłuża to żywotność urządzeń oraz uodparnia na wahania temperatur.

  • #6 17 Kwi 2016 22:10
    Karol966
    Poziom 30  

    ghost666 napisał:

    * Seria A: pojemności od 1 ?F do 10 ?F
    * Seria B: pojemności od 10 ?F do 47 ?F
    * Seria C: pojemności od 47 ?F do 220 ?F
    * Seria D: pojemności od 220 ?F do 680 ?F


    30 sekund wyszukiwania zweryfikowało powyższe dane, oto wyniki:
    A do 100uF@4V
    http://www.tme.eu/pl/details/tcja107m004r0200/kondensatory-tantalowo-polimerowe/avx/
    B do 220uF@4V
    http://www.tme.eu/pl/details/tajb227m004r/kondensatory-tantalowe-smd/avx/tajb227m004rnj/
    C do 470uF@4V
    http://www.tme.eu/pl/details/tajc477k004r/kondensatory-tantalowe-smd/avx/tajc477k004rnj/
    D do 1000uF@4V - tu sam się zaskoczyłem ;)
    http://www.tme.eu/pl/details/tpmd108k004r0025/kondensatory-tantalowe-smd/avx/

    TME nie jest żadnym wyznacznikiem ale mimo wszystko znacząco podważyło podane dane.

    PS. Maksymalna pojemność tantala u nich to 1500uF w obudowie E ale przy tej cenie to mówię im stanowczo eeeee....
    http://www.tme.eu/pl/details/tpme158k004r0015/kondensatory-tantalowe-smd/avx/

  • #8 21 Kwi 2016 00:47
    novel1
    Poziom 1  

    Na temat kondensatorów foliowych autor ghost666 udostępnił link (źródło) gdzie są one opisane.

  • #9 15 Lut 2017 13:03
    Lysander_20
    Poziom 2  

    Szukałem nieco informacji nt. uszkadzania się kondensatorów w zależności od temperatury i dane dotyczące przewidywanego czasu życia kondensatorów (MTBF i FIT) dla przykładowych rodzin można znaleźć np. tu:
    http://www.we-online.com/web/en/index.php/sho...nter_1/technische_dokumente/WES_FIT_Nov16.pdf

    Dodatkowo jako załączniku ciekawe info o porównaniu czasu życia dla kondensatorów polimerowych i elektrolitycznych. Polimery mają kilka razy niższy ESR i wytrzymują znacznie większe prądy tętnień w tych samych wielkościach obudów, oraz nie boją się ciepła (nie są mokre, moga być stosowane przy np. radiatorach)