Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Jak wybrać kondensator - podstawy doboru elementów

ghost666 15 Apr 2016 22:34 7869 8
Altium Designer Computer Controls
  • 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

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11093 posts with rating 9408, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Altium Designer Computer Controls
  • #2
    horik
    Level 14  
    Uni - pojedyczny. Spolaryzowany w jednym kierunku. DC.
    Bi - podwójny. Spolaryzowany w obu kierunkach. AC.
  • Altium Designer Computer Controls
  • #3
    mkpl
    Level 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
    ghost666
    Translator, editor
    mkpl wrote:
    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
    ADI-mistrzu
    Level 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
    Karol966
    Level 30  
    ghost666 wrote:

    * 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
    novel1
    Level 1  
    Na temat kondensatorów foliowych autor ghost666 udostępnił link (źródło) gdzie są one opisane.
  • #9
    Lysander_20
    Level 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)