De juiste condensatortechnologie voor een toepassing kiezen

Het kiezen van de juiste condensator voor een toepassing kan een aanzienlijk verschil maken in de prestaties, betrouwbaarheid en efficiëntie van producten zoals voedingen voor defensie, luchtvaart, medische technologie, kritieke energie-infrastructuur of snelle EV-laders.

Condensators zijn essentiële onderdelen in veel elektronische schakelingen omdat ze elektrische energie opslaan en afgeven, ongewenste signalen uitfilteren en andere functies vervullen. Niet alle condensators zijn echter gelijk en verschillende soorten condensatoren hebben verschillende kenmerken, voordelen en beperkingen.

Het kiezen van het juiste type condensator is cruciaal bij het productontwerp. Drie veelgebruikte opties - keramische condensators met meerdere lagen (MLCC's), filmcondensators of aluminium elektrolytische condensators - bieden voor- en nadelen en er zijn talloze variaties binnen elke categorie. Door het juiste type te kiezen, zorgt u ervoor dat het eindproduct voldoende energieopslag heeft, in de beschikbare ruimte past en betrouwbaar functioneert voor het beoogde gebruik.

De argumenten voor MLCC's

MLCC's bestaan uit afwisselende lagen keramisch diëlektricum en metalen elektroden die op elkaar gestapeld en gesinterd zijn om een compacte behuizing te vormen. Op grote schaal gebruikt in veel elektronische apparaten, bieden MLCC's hoge capaciteitswaarden in kleine afmetingen, lage equivalente serieweerstand (ESR), lage lekstroom, hoge frequentierespons en goede temperatuurstabiliteit.

MLCC's zijn geschikt voor toepassingen die een hoge vermogensdichtheid, hoge efficiëntie, lage ruis en hoge betrouwbaarheid vereisen. Er zijn echter variaties in deze categorie die het verschil kunnen maken bij het ontwikkelen van succesvolle producten:

• Hoge betrouwbaarheid MLCC's: Bieden een hoge betrouwbaarheid, lage storingsfrequentie, lange levensduur en hoge prestaties onder zware omstandigheden. Deze eigenschappen zijn belangrijk om te voldoen aan de strenge eisen van industrieën zoals luchtvaart en defensie, waaronder specificaties onder MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 en MIL-PRF-39014, evenals medische toepassingen.
• Hoogspannings-MLCC's: Werken bij spanningen boven 500 V en tot 12 kV. Ze zijn ontworpen voor toepassingen die hoogspanningsisolatie vereisen, zoals voedingen, pulsgenerators en röntgenapparatuur. Ze hebben een hoge capaciteit, lage ESR, lage dissipatiefactor en hoge doorslagspanning.
• Hoge temperatuur MLCC's: Werken bij temperaturen boven 125 °C, tot 250 °C. Ze zijn ontworpen voor toepassingen die een hoge temperatuurstabiliteit vereisen, zoals down-hole boren, de auto-industrie en de industrie. Ze bieden een hoge capaciteit, een lage ESR, een lage temperatuurcoëfficiënt en een hoge weerstand tegen thermische schokken.

Voordelen van filmcondensatoren

Filmcondensators zijn geschikt voor toepassingen die een hoog vermogen, een hoge stroom, een hoge spanning en een hoge frequentie vereisen, zoals vermogensomzetting, filteren, snubbing en koppeling. Deze condensators bestaan uit een dunne film van diëlektrisch materiaal, zoals polyester, polypropyleen, polycarbonaat of polyfenyleensulfide, ingeklemd tussen twee metalen elektroden, die in een cilindrische vorm gewikkeld of in een platte vorm gestapeld zijn.

Filmcondensators zijn vaak groter en duurder dan MLCC's, maar ze bieden hoge capaciteitswaarden, hoge spanningswaarden, lage ESR, lage dissipatiefactor, hoge frequentierespons en een lange levensduur. Voordelen van deze technologie zijn hogere spanningswaarden, lineaire capaciteitsverandering met spanning en temperatuur, geen piëzo-elektrische ruis, zelfherstellend vermogen en een lange levensduur.

Er zijn verschillende categorieën filmcondensators die van invloed kunnen zijn op welke geschikt is voor een toepassing:

• Gemetalliseerde polyester filmcondensators gebruiken een dunne laag metaal, zoals aluminium of zink, afgezet op de polyester film als elektroden. Ze bieden een hoge capaciteit, lage ESR, lage kosten en goede zelfherstellende eigenschappen. Ze voldoen aan de behoeften van universele toepassingen zoals bypass, koppeling en ontkoppeling.
• Gemetalliseerde polypropyleen filmcondensators gebruiken polypropyleenfilm als elektroden met een dun laagje metaal, zoals aluminium of zink. Ze worden gekenmerkt door een hoge capaciteit, lage ESR, lage dissipatiefactor, hoge frequentierespons en hoge stabiliteit. Ze zijn geschikt voor toepassingen met hoge prestaties, zoals correctie van de arbeidsfactor, filtering en snubbing.
• Polycarbonaat filmcondensators gebruiken een polycarbonaatfilm als diëlektrisch materiaal. Ze bieden een hoge capaciteit, een hoge spanningswaarde, een lage temperatuurcoëfficiënt en een hoge betrouwbaarheid. Deze zijn geschikt voor toepassingen die een hoge temperatuurstabiliteit vereisen, zoals timing, detectie en precisieschakelingen.
• Polyfenyleensulfide filmcondensators gebruiken polyfenyleensulfidefilm als diëlektrisch materiaal. Ze bieden een hoge capaciteit, een hoge temperatuurclassificatie, een lage ESR, een lage dissipatiefactor en een hoge frequentierespons. Geschikte toepassingen zijn onder andere toepassingen die prestaties bij hoge temperaturen vereisen, zoals auto's, industrie en telecom.
• Gemetalliseerde papierfilmcondensators gebruiken gemetalliseerde papierfilm als diëlektrisch materiaal. Ze bieden een hoge capaciteit, een hoog voltage, een lage ESR, een lage dissipatiefactor en zelfherstellende eigenschappen. Ze zijn geschikt voor toepassingen die een hoogspanningsisolatie vereisen, zoals voedingen, pulsgenerators en röntgenapparatuur.

Aluminium elektrolytische condensators

Aluminium elektrolytische condensators zijn geschikt voor toepassingen die een hoge capaciteit, hoge spanning en lage frequentie vereisen, zoals afvlakken, filteren en energieopslag.

Omdat een aluminium elektrolytische condensator grote hoeveelheden elektrische energie kan opslaan voor zijn grootte, kan hij worden gebruikt voor het afvlakken van voedingen in elektronische apparaten. Ze kunnen een kortere levensduur hebben dan MLCC's en filmalternatieven, en omdat ze gepolariseerd zijn met een positieve en een negatieve pool, kunnen ze beschadigd raken als ze verkeerd worden geïnstalleerd. Ze kunnen ook continu een kleine hoeveelheid stroom lekken en zijn niet zo stabiel bij hoge frequenties in vergelijking met alternatieven.

Aluminium elektrolytische condensators zijn verkrijgbaar in verschillende soorten elektrolyten, zoals vloeibaar, vast of hybride, die verschillende eigenschappen hebben wat betreft prestatie, stabiliteit en betrouwbaarheid:

• Vloeibare aluminium elektrolytische condensators gebruiken een vloeibare elektrolytoplossing als kathode. Ze bieden een hoge capaciteit, een hoog voltage en lage kosten. Ze hebben echter ook een hoge ESR, een hoge lekstroom, een hoge dissipatiefactor en een beperkte levensduur. Ze zijn geschikt voor algemene toepassingen, zoals afvlakken, filteren en energieopslag.
• Condensators met een vaste aluminium elektrolyt hebben een vast elektrolytmateriaal - zoals mangaandioxide of geleidend polymeer - voor de kathode. Ze bieden een lage ESR, een lage lekstroom, een lage dissipatiefactor en een lange levensduur. Ze hebben echter ook een lagere capaciteit, een lagere spanningswaarde en hogere kosten dan condensators met vloeibare elektrolyten. Ze zijn geschikt voor toepassingen met hoge prestaties, zoals schakelende voedingen, LED-drivers en audioversterkers.
• Hybride aluminium elektrolytische condensators gebruiken een combinatie van vloeibare en vaste elektrolyten als kathode. Ze bieden een balans tussen capaciteit, spanningswaarde, ESR, lekstroom, dissipatiefactor en levensduur. Ze zijn geschikt voor toepassingen die een hoge vermogensdichtheid, hoge betrouwbaarheid en prestaties bij hoge temperaturen vereisen, zoals in de auto-industrie, de industrie en de telecomsector.

Overname van leverancier verbreedt condensatorportfolio

Knowles en Cornell Dubilier Electronics (CDE) zijn twee toonaangevende fabrikanten van condensators en bieden een breed scala aan condensatortechnologieën en -producten. Knowles nam CDE in 2023 over en combineerde zo de complementaire sterke punten van beide bedrijven, waaronder CDE's filmcondensators en aluminium elektrolytische condensators, en Knowles Precision Devices' film- en MLCC's.

Knowles biedt een uitgebreid assortiment MLCC's in standaard opbouwverpakkingen en lint- of radiale loodverpakkingen, variërend van minder dan een picofarad tot honderden microfarads, met nominale waarden van 6,3 V tot 12 kV. Knowles MLCC's zijn verkrijgbaar in diverse diëlektrische materialen met verschillende temperatuurcoëfficiënten, diëlektrische constanten en verouderingssnelheden.

Knowles' FlexiCap™-productiebenadering maakt gebruik van een gepatenteerd flexibel afsluitmateriaal van epoxy polymeer dat wordt aangebracht onder de gebruikelijke nikkelbarrièreafwerking die een grotere mate van buigen van de printplaat mogelijk maakt dan conventionele condensators. Het StackiCap™-assortiment zorgt voor een aanzienlijke vermindering van de printplaatruimte voor een gelijkwaardige capaciteitswaarde in gevallen waarin de printplaatruimte beperkt is; een standaardchip van 150 nanofarads (nF) in een behuizing van 8060 is bijvoorbeeld verkrijgbaar in een veel kleinere behuizing van 3640.

De Knowles Syfer 2220Y5000564KXT (afbeelding 1) is een FlexiCap MLCC voor oppervlaktemontage die 0,56 microfarad (µF) elektrische lading kan opslaan - met een tolerantie van ±10% - en is ontworpen om tot 500 V te verwerken. Het is onderdeel van een productfamilie van DC MLCC's die variëren van 0,2 picofarads (pF) tot 22 µF en in behuizingsgroottes van 0402 tot 8060.

Afbeelding 1: Een afbeelding van de Knowles Syfer 2220Y5000564KXT. (Bron afbeelding: Knowles)

De Knowles Syfer 2220Y6300105KETWS2 (Afbeelding 2) is een StackiCap MLCC die 1 µF elektrische lading kan opslaan, met een tolerantie van ±10% en een nominale spanning van 630 V.

Afbeelding 2: Illustratie van StackiCap-verpakking voor Knowles Sifer 2220Y6300105KETWS2 en vergelijkbare MLCC's. (Bron afbeelding: Knowles)

Knowles CDE biedt een brede selectie standaard en op maat gemaakte condensatoren met schroefaansluitingen, snap-in en printplaatbevestiging voor gebruik in kritische toepassingen, variërend van defibrillatoren en medische beeldvorming tot radarsystemen en UPS power back-up voor grote datasystemen.

CDE's 477XMPL002MG19R maakt deel uit van de XMPL polymeer chipcondensatorserie voor toepassingen die een hogere spanning en/of capaciteit vereisen. Met hun lage ESR en robuuste rimpelstroomwaarden presteren ze beter dan oppervlakte gemonteerde elco's van grotere afmetingen en bieden ze een langere levensduur, een grotere stabiliteit bij temperatuurveranderingen en een lagere ESR bij hogere frequenties. De standaard capaciteitswaarden van de serie variëren nu van 6,8 µF tot 470 µF, met een maximale werkspanning van 35 V_DC in een gegoten behuizing van 7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm.

Van een uitgebreid assortiment filmcondensators bieden CDE's Type FCA acrylaatfilmcondensators zoals de FCA0805C104M-J2 hoge capaciteitswaarden in standaard afmetingen voor opbouwmontage. De serie biedt een capaciteitsbereik van 0,10 µF tot 1,0 µF. Als koppelcondensators in audiocircuits kunnen ze zorgen voor vervormingsvrij geluid en filtering van hoge frequenties.

Conclusie

Condensators zijn vitale elektronische componenten en het selecteren van de juiste condensator is cruciaal bij het ontwerpen van een product. Gelukkig bieden Knowles en Cornell Dubilier Electronics toegang tot een uitgebreide selectie van gangbare typen met meerdere variaties, evenals speciale typen die zijn ontworpen voor specifieke toepassingen.