EN
HURTIGE LINKS
Værdien af kapacitet på over 100 kW spiller en stor rolle for, hvor meget energi de kan lagre, og hvor hurtigt de reagerer på ændringer i elektroniske systemer. Tag for eksempel de 100nF keramiske typer, som fungerer fremragende til at holde støj ude af digitale kredsløb ved høje frekvenser. Når det derimod drejer sig om strømforsyninger, vælger folk ofte 10µF elektrolytkondensatorer, fordi de bedre kan klare den større filtreringsopgave, der er nødvendig her. Når man derimod arbejder med RF-oscillatorer, vælger ingeniører typisk meget små værdier mellem 1 og 10 pF for præcis justering af frekvenser. Selv små variationer i disse små tal betyder meget for at opnå nøjagtige resultater. Den nyeste udgave fra 2024 af Circuit Design Handbook advarer mod, at valg af forkerte kondensatorværdier til et givent formål kan føre til problemer som uønskede resonanseeffekter eller fald i spændingsniveauer i sårbare analoge komponenter i kredsløb.
| Kapacitetsområde | Typisk impedans (1 MHz) | Optimal frekvensbånd |
|---|---|---|
| 1pF - 10nF | <1Ω | RF (50MHz) |
| 10nF - 1µF | 0,1Ω - 10Ω | Digital (1-100MHz) |
| 10µF | 100mΩ | Effekt (<1kHz) |
| Lavere kapacitansværdier bevarer kapacitiv opførsel ind i GHz-frekvensområdet, mens høje elektrolytiske værdier bliver induktive over 100 kHz. Denne opførsel påvirker placering: små keramikker nær IC’er til højhastighedsstøjundertrykkelse, større tantal-kondensatorer ved strømindgangspunkter for lavfrekvensstabilitet. |
X7R keramiske kondensatorer har tendens til at miste omkring 15 til 25 procent af deres kapacitet, når temperaturen når op på 85 grader Celsius. C0G- og NP0-varianterne er langt bedre til at opretholde stabil ydelse over temperaturændringer, med kun omkring plus/minus 30 milliontedele variation per grad. Imens kan aluminiumselektrolytkondensatorer opleve en faldende kapacitet på op til 20 %, hvis de kører ved 80 % af deres mærkeværdi. For ingeniører, der arbejder med projekter i barske forhold som i biler eller på fabriksgulve, er det generelt klogt at reducere komponenternes ratings med mellem 20 og 50 % som sikkerhedsmargin mod de gradvise fald, som forårsages af varme og elektrisk påvirkning over tid.
Når man arbejder med præcisions-timing-kredsløb, hjælper filmkondensatorer med en tæt tolerancemargin på omkring 1 % til at holde tingene stabile og nøjagtige. Til mindre kritiske anvendelser, hvor det primært handler om lagring af energi frem for nøjagtige målinger, fungerer standard elektrolytkondensatorer med deres 20 % tolerance normalt fint. Set i lyset af levetid har polymerkondensatorer desuden tendens til at holde sig bedre over tid. De mister typisk omkring 5 % af deres kapacitet efter 10.000 timers kontinuerlig drift, mens traditionelle vædelektrolytkondensatorer kan miste op til 30 %. Mange kredsløbsdesignere, der står over for reelle betingelser, forbinder faktisk flere forskellige kondensatorværdier parallelt. Denne fremgangsmåde hjælper med at imødegå både uforudsigelige miljøfaktorer og gradvis komponenterosion. De fleste designmanualer for strømforsyningsnetværk anbefaler i dag specifikt denne teknik for at skabe mere pålidelige strømsystemer, der tåler tiden.
MLCC'er, eller multilags keramiske kondensatorer, anvendes overalt fra afkoblingskredsløb til bypass-anvendelser, fordi de er så små, at de kan placeres næsten hvor som helst, og findes i standardstørrelser fra 100 nF op til 10 mikrofarad. Kondensatorer i den lavere ende af skalaen, typisk mellem 0,1 og 1 mikrofarad, hjælper med at reducere irriterende højfrekvent støj, der ofte påvirker processorer og radiofrekvensmoduler. Større MLCC'er i området 4,7 til 22 mikrofarad har derimod en helt anden funktion, idet de sikrer stabil strømforsyning i IoT-enheder og bil-elektronik. Ifølge ny markedsanalyse fra Future Market Insights har efterspørgslen efter MLCC'er til 5G-infrastruktur været stærkt stigende, med en årlig vækst på cirka 11 procent. Disse komponenter fungerer særlig godt i denne sammenhæng takket være deres ekstremt lave ækvivalente seriemodstand under én nanohenry, hvilket gør dem fremragende til at håndtere støjbegivenheder ved frekvenser over 1 gigahertz.
| Karakteristika | C0G/NP0 (Klasse 1) | X7R (Klasse 2) | Y5V (Klasse 2) |
|---|---|---|---|
| Temperaturstabilitet | ±30 ppm/°C | ±15 % (fra -55 °C til +125 °C) | +22 % / -82 % (fra -30 °C til +85 °C) |
| Spændningsafhængighed | <1 % ΔC | 10-15 % ΔC | 20 % ΔC |
| ESR | 5-10 mΩ | 50-100 mΩ | 200-500 mΩ |
| Anvendelser | Oscillatorer, RF-filtre | Afkobling af strømforsyning | Ikke-kritisk bufferfunktion |
C0G/NP0-kondensatorer tilbyder præcision og stabilitet til tidsmåling og RF-anvendelser, mens X7R giver en omkostningseffektiv balance til almindelige formål i DC/DC-konvertere. Y5V-typer, selvom de varierer meget ved spænding og temperatur, fungerer godt i forbrugerprodukter, hvor bred tolerancen er acceptabel.
MLCC'er med høj densitet over 10 mikrofarad oplever ofte et fald på omkring 30 til 60 procent i deres nominelle kapacitans, når de udsættes for DC-forspændingsvoltagner over halvdelen af deres maksimale rating. Årsagen til dette kapacitetsfald ligger i, hvordan dielektriske krystaller orienterer sig i bariumtitanat-materialer, som anvendes i disse komponenter. Interessant nok viser X7R-typer langt skarpere fald end X5R-modstykker. Når man håndterer dette problem, vælger de fleste ingeniører enten at reducere driftsspændingen med cirka halvdelen eller at forbinde flere mindre kondensatorer sammen i parallelle arrangementer. Dette hjælper med at bevare de nødvendige kapacitansniveauer, trods keramiske komponenters iboende begrænsninger under belastning.
Når der arbejdes med kondensatorer, er lav ækvivalent serie modstand meget vigtig for at reducere effekttab i disse switchende regulator kredsløb. Tag f.eks. en standard 1206 størrelse 10 mikrofarad X7R kondensator, som typisk har en ESR under 10 milliohm. Men der er en anden faktor, der skal tages i betragtning: parasitær induktans, som normalt ligger omkring 1,2 nanohenry, og som kan begrænse ydeevnen ved højere frekvenser. Det samme gælder også for mindre komponenter. En almindelig 100 nF 0402 komponent begynder at resonere selv ved ca. 15 megahertz og bliver næsten ubrugelig, når vi når frekvenser over 50 MHz. Kloge ingeniører kender denne begrænsning godt, og kombinerer derfor ofte flerslags keramiske kondensatorer (MLCC) med enten film- eller mica-typer. Denne kombination hjælper med at holde den samlede systemimpedans under én ohm over flere forskellige frekvensområder, hvilket er afgørende for stabil drift i moderne elektronikdesign.
Elektrolytkondensatorer kan lagre en del energi, typisk mellem 10 mikrofarad og op til 47.000 mikrofarad. De er meget vigtige for at fjerne irriterende spændingssvingninger og reducere lavfrekvent støj i jævnstrømssystemer. Når det gælder switch-mode strømforsyninger, vælger ingeniører typisk en værdi på omkring 100 til 2.200 mikrofarad for at opretholde en stabil output. I mindre rum, hvor vi lokalt skal filtrere støj, anvendes tantal-kondensatorer. Disse komponenter varierer fra blot 1 til 470 mikrofarad og fylder langt mindre. De fleste vælger aluminiums-elektrolyt, når budgettet er stramt og der kræves stor energilagringskapacitet. Men hvis plads er i premium og stabilitet er afgørende over forskellige temperaturer, bliver tantal det foretrukne valg, trods den højere pris.
Elektrolyt- og tantal kondensatorer har polaritetskrav, så de skal monteres korrekt med hensyn til spændingsretning. Når aluminiumselektrolytkondensatorer udsættes for omvendt spænding, har elektrolytten tendens til hurtigt at bryde ned, hvilket kan forkorte levetiden dramatisk – nogle gange op til 70 %. Set i lyset af vekselstrømsbelastning viser det sig, at der er forskelle mellem disse komponenter. Aluminiumskondensatorer klarer generelt højere vekselstrømme omkring 5 A effektivværdi, men har ofte en kortere levetid ved varme påvirkning. Tantalkondensatorer har fordele som lavere utæthedsstrøm og bedre stabilitetsegenskaber, men konstruktører skal ofte anvende spændingsreduktion (derating) for at beskytte mod strømsprøjt. Aldring forbliver et problem for begge typer kondensatorer. For eksempel oplever aluminiumselektrolytkondensatorer typisk et fald i kapacitetsværdier på 20 til 30 procent efter kontinuerlig drift i cirka 5.000 timer ved temperaturer omkring 85 grader Celsius.
Designere afvejer tre nøgleparametre, når de vælger kondensatorer med høj kapacitet:
En 100 μF/25 V tantal-kondensator optager 30 % mindre plads på printet end sin aluminiumsmodpart, men koster cirka fem gange så meget.
Tantalkondensatorer fungerer rigtig godt i lydkredsløb og mobile enheder, fordi de opretholder en konstant ESR over forskellige frekvenser. Dette hjælper med at bevare faseforholdene intakte i disse analoge filterdesigns. Aluminiumselektrolytkondensatorer dominerer stadig, når det gælder filtrering af strømforsyninger i forstærkere, og håndterer den 100 Hz til ca. 10 kHz bølgning effektivt. Men der er et problem – deres højere ESR begynder at forårsage mærkbar forvrængning, når signalerne overstiger ca. 1 kHz. I dag kombinerer ingeniører oftere aluminium for den primære kapacitetslagring, mens de tilføjer tantal- eller keramiske komponenter ved siden af for at håndtere støjproblemer ved høje frekvenser. Også inden for medicinsk udstyr findes der nogle interessante tal. Solidt tantal holdes typisk cirka dobbelt så længe som våde elektrolytkomponenter under kontinuerlig drift, hvilket gør dem til et klogt valg, hvor pålidelighed er afgørende.