EN
Rychlé odkazy
Hodnota kondenzátory hraje velkou roli v tom, kolik energie mohou uchovat a jak rychle reagují na změny v elektronických systémech. Vezměme si například keramické kondenzátory 100nF, které jsou výborné pro potlačení rušení v digitálních obvodech při vysokých frekvencích. Na druhou stranu, při práci s napájecími zdroji lidé často volí elektrolytické kondenzátory 10µF, protože zvládnou větší úkol filtrace, který je tam potřeba. Při práci na RF oscilátorech však inženýři obvykle používají malé hodnoty mezi 1 až 10 pF pro přesné ladění frekvencí. I malé odchylky těchto malých hodnot mají velký význam pro dosažení přesných výsledků. Nejnovější vydání Příručky pro návrh obvodů z roku 2024 varuje, že volba kondenzátorů s nevhodnou kapacitou může způsobit problémy, jako jsou nežádoucí rezonanční jevy nebo poklesy úrovně napětí ve citlivých analogových součástech obvodů.
| Rozsah kapacity | Typická impedance (1MHz) | Optimální frekvenční pásmo |
|---|---|---|
| 1 pF - 10 nF | <1 Ω | RF (50 MHz) |
| 10 nF - 1 µF | 0,1 Ω - 10 Ω | Digitální (1–100 MHz) |
| 10 µF | 100 mΩ | Výkon (<1 kHz) |
| Nižší hodnoty kapacity uchovávají kapacitní chování až do GHz frekvencí, zatímco vysoké hodnoty elektrolytických kondenzátorů se stávají induktivními nad 100 kHz. Toto chování ovlivňuje umístění: malé keramické kondenzátory blízko integrovaných obvodů pro potlačení šumu při vysokých rychlostech, větší tantalové na vstupních bodech napájení pro stabilitu při nízkých frekvencích. |
X7R keramické kondenzátory mají tendenci ztratit přibližně 15 až 25 procent své kapacity, když teplota dosáhne 85 stupňů Celsia. Varianty C0G a NP0 jsou mnohem lepší v udržování stabilního výkonu při změnách teploty, s odchylkou pouze kolem plus minus 30 miliontin na stupeň. Mezitím hliníkové elektrolytické kondenzátory mohou snížit svou kapacitu až o 20 %, pokud pracují při 80 % své jmenovité hodnoty. Pro inženýry pracující na projektech v náročných podmínkách, jako jsou automobily nebo tovární provozy, je obecně rozumné snížit hodnoty komponent o 20 až 50 % jako bezpečnostní rezervu proti postupnému úbytku způsobenému teplem a elektrickým namáháním v průběhu času.
Při práci s přesnými časovacími obvody pomáhají kondenzátory z tenké fólie s úzkou tolerancí kolem 1 % udržet stabilitu a přesnost. U méně náročných aplikací, kde je důležitější pouze uchování energie než přesné měření, obvykle postačují běžné elektrolytické kondenzátory s rozsahem tolerance 20 %. Co se týče životnosti, polymerní kondenzátory se v průběhu času obvykle lépe udržují. Po 10 000 hodinách nepřetržitého provozu ztratí typicky kolem 5 % své kapacity, zatímco tradiční tekuté elektrolytické kondenzátory mohou ztratit až 30 %. Mnozí návrháři obvodů čelící reálným podmínkám skutečnosti spojují paralelně několik různých kapacitních hodnot kondenzátorů. Tento postup pomáhá potlačit jak nepředvídatelné vlivy prostředí, tak postupné opotřebení součástek. Většina současných příruček pro návrh napájecích sítí tento postup explicitně doporučuje, aby byly vytvořeny spolehlivější napájecí systémy odolné vlivům času.
MLCC, neboli vícevrstvé keramické kondenzátory, nacházejí uplatnění všude – od odrušovacích obvodů až po aplikace s bypassy – díky své malé velikosti, která jim umožňuje zapadnout téměř kamkoli, a standardním rozměrům v rozmezí od 100 nF až po 10 mikrofaradů. Kondenzátory na nižším konci tohoto rozsahu, obvykle mezi 0,1 a 1 mikrofaradem, pomáhají potlačit otravné rušivé signály o vysoké frekvenci, které obtěžují procesory a rádiové frekvenční moduly. Naopak větší MLCC v rozsahu 4,7 až 22 mikrofaradů plní zcela jinou funkci, a to udržování stability napájení v zařízeních IoT a automobilové elektronice. Podle nedávného tržního výzkumu společnosti Future Market Insights došlo k výraznému nárůstu poptávky po MLCC pro infrastrukturu 5G, a to přibližně o 11 procent ročně. Tyto součástky zde fungují tak dobře díky extrémně nízké ekvivalentní sériové indukčnosti pod jedním nanohenry, což je činí vynikajícími pro řešení problémů s rušením na frekvencích nad 1 gigahertz.
| Charakteristika | C0G/NP0 (třída 1) | X7R (třída 2) | Y5V (třída 2) |
|---|---|---|---|
| Teplotní stabilita | ±30ppm/°C | ±15 % (-55 °C do +125 °C) | +22 % / -82 % (-30 °C do +85 °C) |
| Závislost na napětí | <1 % ΔC | 10-15 % ΔC | 20 % ΔC |
| ESR | 5-10 mΩ | 50-100 mΩ | 200-500 mΩ |
| Použití | Oscilátory, RF filtry | Odrušení napájení | Nekritické vyrovnání |
Kondenzátory C0G/NP0 nabízejí přesnost a stabilitu pro časové a RF aplikace, zatímco X7R poskytuje nákladově efektivní rovnováhu pro běžné použití v DC/DC měničích. Typy Y5V, i když jsou silně závislé na napětí a teplotě, dobře slouží v konzumní elektronice, kde je široká tolerance přijatelná.
MLCC s vysokou hustotou nad 10 mikrofaradů často zažívají pokles o přibližně 30 až 60 procent jejich jmenovité kapacity, když jsou vystaveny stejnosměrným pracovním napětím přesahujícím polovinu jejich maximálního hodnocení. Důvodem této ztráty kapacity je způsob, jakým se dielektrické zrna zarovnávají uvnitř materiálů na bázi titanatanu barnatého používaných v těchto součástkách. Zajímavé je, že typy X7R vykazují mnohem prudší pokles ve srovnání s typy X5R. Při řešení tohoto problému většina inženýrů buď sníží provozní napětí přibližně na polovinu, nebo zapojí několik kondenzátorů menší kapacity do paralelního zapojení. To pomáhá zachovat potřebné úrovně kapacity navzdory vlastním omezením těchto keramických součástek za zatěžovacích podmínek.
Při práci s kondenzátory má nízký ekvivalentní sériový odpor velký význam pro snížení ztrát v těchto spínacích obvodech. Například standardní kondenzátor X7R o velikosti 1206 a kapacitě 10 mikrofaradů obvykle má ESR pod 10 miliohmy. Existuje však další faktor, který je třeba zvážit – parazitní indukčnost, obvykle kolem 1,2 nanohenry, která může výrazně omezit výkon při vyšších frekvencích. Totéž platí i pro menší součástky. Skromná součástka 100nF ve velikosti 0402 začíná rezonovat přibližně na 15 megahertzu a stává se prakticky nepoužitelnou při frekvencích nad 50 MHz. Zkušení inženýři tuto omezenost dobře znají, proto často kombinují vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC) s kondenzátory filmovými nebo slídovými. Tato kombinace pomáhá udržet celkovou impedanci systému pod jedním ohmem v rámci několika různých frekvenčních rozsahů, což je naprosto klíčové pro stabilní provoz moderních elektronických obvodů.
Elektrolytické kondenzátory uchovávají poměrně velké množství energie, obvykle mezi 10 mikrofarady až po 47 000 mikrofaradů. Jsou velmi důležité pro odstranění otravných výkyvů napětí a pro čištění nízkofrekvenčního šumu v systémech stejnosměrného napájení. U spínaných zdrojů inženýři obvykle volí hodnoty kolem 100 až 2 200 mikrofaradů, aby zajistili stabilní výstup. Pro menší prostory, kde je potřeba místně potlačit šum, se používají tantalové kondenzátory. Tyto kondenzátory se pohybují v rozsahu pouhých 1 až 470 mikrofaradů a zabírají mnohem méně místa. Většina lidí dává přednost hliníkovým elektrolytickým kondenzátorům, pokud jde o peníze a je zapotřebí velká kapacita ukládání energie. Pokud však záleží na prostoru a stabilitě při různých teplotách, stává se tantalový kondenzátor i přes vyšší cenu preferovanou volbou.
Elektrolytické a tantalové kondenzátory mají polaritu, a proto je nutné je správně instalovat s ohledem na směr napětí. Když hliníkové elektrolytické kondenzátory pracují v reverzním směru, jejich elektrolyt se rychle rozkládá, což může výrazně zkrátit jejich životnost – někdy až o 70 %. Při posuzování odolnosti vůči střídavému proudovému zatížení jsou mezi těmito komponenty rozdíly. Hliníkové verze obecně zvládnou vyšší zvlněné proudy kolem 5 A RMS, ale při působení tepla se častěji opotřebovávají. Tantalové kondenzátory nabízejí výhody, jako je nižší únikový proud a lepší stabilita, avšak konstruktéři často musí používat strategie snižování provozního napětí, aby je chránili před přepětím. Stárnutí zůstává problémem pro oba typy kondenzátorů. Například hliníkové elektrolytické kondenzátory obvykle zažívají pokles kapacity v rozmezí 20 až 30 procent po nepřetržitém provozu zhruba 5 000 hodin při teplotách kolem 85 °C.
Návrháři vyvažují tři klíčové parametry při výběru kondenzátorů s vysokou kapacitou:
Tantalový kondenzátor 100 µF/25 V zabere o 30 % menší plochu na desce než jeho hliníkový protějšek, ale stojí přibližně pětkrát více.
Tantalové kondenzátory velmi dobře fungují v audiokomponentách a mobilních zařízeních, protože udržují stálý ESR v různých frekvenčních pásmech. To pomáhá zachovat fázové vztahy v analogových filtrech. Hliníkové elektrolytické kondenzátory stále dominují při filtraci napájecích zdrojů v zesilovačích a efektivně zvládají zvlnění v rozsahu od 100 Hz do přibližně 10 kHz. Existuje však háček – jejich vyšší ESR začíná způsobovat znatelné zkreslení, jakmile signály překročí přibližně 1 kHz. Dnešní inženýři častěji kombinují oba typy: hliník pro hlavní kapacitu a vedle něj tantal nebo keramické kondenzátory pro potlačení rušivých vysokofrekvenčních signálů. I v oblasti lékařské techniky jsou vidět zajímavé údaje. Tuhé tantalové komponenty vydrží přibližně dvojnásobek doby provozu ve srovnání s kapalnými elektrolytickými, což je činí chytrou volbou tam, kde na spolehlivosti opravdu záleží.