EN
Hurtiglenker
Verdien av kondensatorar spiller en stor rolle for hvor mye energi de kan lagre og hvor raskt de reagerer på endringer i elektroniske systemer. Ta for eksempel de keramiske typene på 100nF som fungerer utmerket til å holde støy borte fra digitale kretser ved høye frekvenser. Når det gjelder strømforsyninger, velger folk ofte 10µF elektrolyttkondensatorer fordi de takler den større filtreringsoppgaven som trengs der. Når man derimot jobber med RF-oscillatorer, velger ingeniører typisk svært små verdier mellom 1 og 10 pF for å justere frekvenser nøyaktig. Selv små variasjoner i disse små tallene betyr mye for å oppnå nøyaktige resultater. Den nyeste utgaven av Circuit Design Handbook fra 2024 advarer mot at valg av kondensatorverdier som ikke er riktige for bruksområdet, kan føre til problemer som uønskede resonanseeffekter eller spenningsfall i sårbare analoge kretskomponenter.
| Kapasitetsområde | Typisk impedans (1 MHz) | Optimal frekvensbånd |
|---|---|---|
| 1pF - 10nF | <1Ω | RF (50MHz) |
| 10nF - 1µF | 0,1Ω - 10Ω | Digital (1-100MHz) |
| 10µF | 100mΩ | Effekt (<1kHz) |
| Lavere kapasitansverdier beholder kapasitiv oppførsel opp til GHz-frekvenser, mens høye elektrolyttiske verdier blir induktive over 100 kHz. Dette forholdet påvirker plassering: små keramiske kondensatorer nær IC-er for undertrykkelse av støy ved høy hastighet, større tantal-kondensatorer ved strøminngangspunkter for lavfrekvent stabilitet. |
X7R keramiske kondensatorer har en tendens til å miste omtrent 15 til 25 prosent av sin kapasitans når temperaturen når 85 grader celsius. C0G- og NP0-varianter er mye bedre til å opprettholde stabil ytelse ved temperaturforandringer, med kun omtrent pluss/minus 30 ppm variasjon per grad. Samtidig kan aluminiumelektrolyttkondensatorer miste opptil 20 % av kapasitansen hvis de opererer ved 80 % av sin nominelle belastning. For ingeniører som arbeider med prosjekter i krevende forhold, som i biler eller på fabrikkgulv, er det generelt lurt å redusere komponentenes ratings med 20 til 50 % som sikkerhetsmargin mot de gradvise nedgangene forårsaket av varme og elektrisk påkjenning over tid.
Når man arbeider med presisjonstidskretser, bidrar filmkondensatorer med liten toleranse og omtrent 1 % avvik til å holde ting stabilt og nøyaktig. For mindre kritiske applikasjoner der lagring av energi er viktigere enn nøyaktige målinger, fungerer vanlige elektrolyttkondensatorer med deres 20 % toleransegrad vanligvis godt nok. Når det gjelder levetid, har polymerkondensatorer som regel bedre holdbarhet over tid. De taper typisk omtrent 5 % av sin kapasitans etter 10 000 kontinuerlige driftstimer, mens tradisjonelle væte elektrolyttkondensatorer kan miste opptil 30 %. Mange kretskonstruktører som møter reelle betingelser, kobler faktisk sammen flere forskjellige kondensatorverdier i parallell. Denne praksisen hjelper til med å motvirke både uforutsigbare miljøfaktorer og gradvis slitasje på komponenter. De fleste håndbøker for design av strømfordelingsnett anbefaler i dag spesielt denne teknikken for å skape mer pålitelige strømsystemer som tåler tiden.
MLCC-er, eller flerlags keramiske kondensatorer, brukes overalt fra avkoblingskretser til brytningssystemer fordi de er små nok til å passe nesten hvor som helst og finnes i standardstørrelser som varierer fra 100 nF opp til 10 mikrofarad. Kondensatorer på den lavere enden av dette spekteret, vanligvis mellom 0,1 og 1 mikrofarad, hjelper til med å redusere irriterende høyfrekvent støy som plager prosessorer og radiofrekvensmoduler. Større MLCC-er i området 4,7 til 22 mikrofarad har derimot en helt annen funksjon, nemlig å sørge for stabil strømforsyning i IoT-enheter og bil elektronikk. Ifølge ny markedsforskning fra Future Market Insights har det vært en betydelig økning i etterspørselen etter MLCC-er spesielt for 5G-infrastruktur, med en vekst på omtrent 11 prosent per år. Disse komponentene fungerer så godt her takket være sin ekstremt lave ekvivalente serieinduktans under én nanohenry, noe som gjør dem velegnet til å håndtere støyproblemer ved frekvenser over 1 gigahertz.
| Karakteristikk | C0G/NP0 (klasse 1) | X7R (klasse 2) | Y5V (klasse 2) |
|---|---|---|---|
| Temperaturstabilitet | ±30 ppm/°C | ±15 % (–55 °C til +125 °C) | +22 %/–82 % (–30 °C til +85 °C) |
| Spenningsavhengighet | <1 % ΔC | 10-15 % ΔC | 20 % ΔC |
| ESR | 5-10 mΩ | 50-100 mΩ | 200-500 mΩ |
| Applikasjoner | Oscillatorer, RF-filtre | Avkobling av strømforsyning | Ikke-kritisk bufferbruk |
C0G/NP0-kondensatorer gir presisjon og stabilitet for tidsstyring og RF-applikasjoner, mens X7R gir en kostnadseffektiv balanse for allmenn bruk i DC/DC-omformere. Y5V-typer, selv om de varierer mye under spenning og temperatur, fungerer godt i konsumentelektronikk der bred toleranse er akseptabel.
MLCC-er med høy tetthet over 10 mikrofarad opplever ofte et fall på rundt 30 til 60 prosent i deres nominelle kapasitans når de utsettes for likestrømsbias-spenninger over halvparten av deres maksimale verdi. Årsaken til dette kapasitets-tapet ligger i hvordan dielektriske krystaller orienterer seg innenfor bariumtitanat-materialer som brukes i disse komponentene. Morsomt nok viser X7R-typer mye skarpere nedgang enn X5R-motstykker. Når man håndterer dette problemet, vil de fleste ingeniører enten redusere driftsspenningen med omtrent halvparten, eller koble flere mindre kondensatorer sammen i parallellkoblinger. Dette hjelper til å bevare den nødvendige kapasitansen, til tross for keramikkkomponentenes innebygde begrensninger under belastning.
Når det gjelder kondensatorer, er lav ekvivalent serie motstand svært viktig for å redusere effekttap i bryterregulator-kretser. Ta for eksempel en standard 1206-størrelse på 10 mikrofarad X7R-kondensator, som typisk har en ESR under 10 milliohm. Men det er en annen faktor å ta hensyn til: parasittisk induktans, vanligvis rundt 1,2 nanohenry, som kan sterkt svekke ytelsen ved høyere frekvenser. Det samme gjelder også for mindre komponenter. En beskjeden 100nF 0402-komponent begynner å resonere rundt 15 megahertz og blir ganske ubrukelig når vi når frekvenser over 50 MHz. Kloke ingeniører kjenner denne begrensningen godt, og kombinerer derfor ofte flerlags keramiske kondensatorer (MLCC) med enten film- eller mika-kondensatorer. Denne kombinasjonen hjelper til med å holde den totale systemimpedansen under én ohm over flere frekvensområder, noe som er helt avgjørende for stabil drift i moderne elektronikkdesign.
Elektrolyttkondensatorer lagrer ganske mye energi, typisk mellom 10 mikrofarad og opptil 47 000 mikrofarad. De er svært viktige for å fjerne irriterende spenningsvariasjoner og redusere lavfrekvent støy i likestrømsstrømforsyningssystemer. Når det gjelder brytermodus-strømforsyninger, velger ingeniører vanligvis noe mellom 100 og 2 200 mikrofarad for å opprettholde stabil utgang. I mindre plasser der vi trenger lokal støyfiltrering, brukes tantal-kondensatorer. Disse småkabongene varierer fra bare 1 til 470 mikrofarad og tar mye mindre plass. De fleste holder seg til aluminiumselektrolyttkondensatorer når budsjettet er stramt og mye energilagring kreves. Men hvis plass er dyrbart og stabilitet er viktig over ulike temperaturer, blir tantal det foretrukne valget, til tross for den høyere prisen.
Elektrolyttiske og tantal-kondensatorer har polaritetskrav, så de må monteres korrekt med hensyn til spenningsretning. Når aluminiumselektrolyttkondensatorer utsettes for omvendt spenning, neigter elektrolytten ofte til å bryte ned raskt, noe som kan redusere levetiden dramatisk – noen ganger opptil 70 %. Ved vurdering av vekselstrømshåndtering viser det seg forskjeller mellom disse komponentene. Aluminiumsversjonene klarer vanligvis høyere vekselstrømmer, rundt 5 ampere effektiv verdi, men tenderer til å slites raskere ved varmebelastning. Tantalkondensatorer gir fordeler som lavere lekkstrøm og bedre stabilitetsegenskaper, men konstruktører må ofte bruke spenningsnedjustering (derating) for å beskytte mot spikere. Aldring er fortsatt et problem for begge typer kondensatorer. For eksempel ser man typisk en reduksjon i kapasitansverdier på 20 til 30 prosent etter kontinuerlig drift i ca. 5 000 timer ved temperaturer nær 85 grader celsius.
Konstruktører må balansere tre nøkkelparametre når de velger kondensatorer med høy kapasitans:
En 100 μF/25 V tantal-opptar 30 % mindre plass på kretskortet enn sin aluminiumsmotsvarighet, men koster omtrent fem ganger mer.
Tantalkondensatorer fungerer veldig godt i lydkretser og mobile enheter fordi de opprettholder konstant ESR over ulike frekvenser. Dette hjelper til med å bevare faserelasjonene i analoge filterdesign. Aluminiumselektrolyttkondensatorer dominerer fremdeles når det gjelder filtrering av strømforsyninger i forsterkere, og takler effektivt spenningssvingninger i området fra 100 Hz til ca. 10 kHz. Men det er et problem – deres høyere ESR begynner å forårsake merkbar forvrengning når signaler overstiger ca. 1 kHz. I dag kombinerer ingeniører oftere aluminium for hovedkapasitansen sammen med tantal- eller keramikkdeler for å håndtere støyproblemer ved høye frekvenser. Medisinsk utstyr viser også noen interessante tall. Fastfase tantalkomponenter har typisk omtrent dobbelt så lang levetid som væskefylte elektrolyttkondensatorer under kontinuerlig drift, noe som gjør dem til et klokt valg der pålitelighet er viktigst.