Wat is een condensator en wat zijn de verschillende soorten? (2024)

Introductie

Op het moment van schrijven toonde een voorzichtige schatting meer dan 37.000 unieke onderdeelnummers van fabrikanten voor condensatoren in voorraad bij DigiKey, 114.000 als verpakkingsvarianten worden meegerekend. Alleen al het bijhouden van zo'n SKU-telling brengt ontzettend veel papierwerk met zich mee, veel kilometers met vorkheftrucks en veel geld dat vastzit in de fysieke inventaris. Het is een klein wonder van de moderne industrie om die producten op bestelling te kunnen herverpakken en ze binnen 15 minuten na ontvangst van een bestelling op het laadperron klaar te hebben staan voor verzending. Waarom zoveel moeite doen voor eenvoudige componenten met twee aansluitingen? De combinatoriek van spanning en stroomsterkte is zeker een factor, maar de subtielere reden is dat condensatoren eigenlijk niet zo eenvoudig zijn. De schematische symbolen die we gebruiken om ze weer te geven, zijn voor het gemak leugens door weglating en verdoezelen details die vaak a) nogal belangrijk zijn en b) niet goed worden behandeld in de academische wereld. Sommige types hebben de neiging om agressief te branden of giftige dampen vrij te laten als ze niet werken of verkeerd worden toegepast. Andere types verzwakken als ze niet worden gebruikt en kunnen het begeven onder spanningen ver binnen hun nominale limieten. Sommige types vertonen grote parametrische variaties met omgevings- en toepassingsvariabelen, terwijl andere min of meer onbewust zijn. Om weloverwogen ontwerpkeuzes te kunnen maken, moeten we ons bewust zijn van en rekening houden met deze verschillende kwaliteiten. Het doel van deze bron is om de lezer een gids te bieden over condensatortechnologie in een gemakkelijk in te slikken capsule met een (hopelijk) niet-slaperige formule.

Wat is een condensator?

Condensatoren zijn apparaten die elektrische energie opslaan in de vorm van een elektrisch veld. Het proces lijkt erg op de manier waarop mechanische veren energie opslaan in de vorm van elastische materiaalvervorming, in die mate dat de wiskunde die beide beschrijft erg op elkaar lijkt, afgezien van de gebruikte variabelen. De gelijkenis kan in feite een van de redenen zijn dat studenten elektrotechniek of werktuigbouwkunde de studies van de ander vaak geheimzinnig en ondoorgrondelijk vinden; "v" betekent "spanning" voor een elektrotechnisch ingenieur (EE), maar "snelheid" voor een werktuigbouwkundig ingenieur (ME), wiens voorstellingen van veren er voor een EE eerder uitzien als inductoren, enz. Het concept van de parallelle plaatcondensator wordt over het algemeen gebruikt als uitgangspunt om de meeste praktische condensatorconstructies uit te leggen. Het bestaat uit twee geleidende elektroden die parallel aan elkaar zijn geplaatst en zijn gescheiden door een isolator, meestal een van de verschillende polymeren, keramische materialen, metaaloxiden, lucht of soms een vacuüm. De waarde van zo'n condensator, in wezen de "veerconstante" voor de mechanisch ingestelde mens, wordt benaderd door de formule in figuur 1 als de afstand tussen de platen klein is ten opzichte van hun oppervlak. Een mechanische veerconstante wordt meestal uitgedrukt in termen van kracht per eenheid van verplaatsing (zoals newton per meter of pondkracht per inch), terwijl een capaciteitswaarde wordt uitgedrukt in termen van verplaatsing per eenheid van kracht, d.w.z. coulomb per volt.

Figuur 1: Het parallelle plaatcapaciteitenmodel.

In de praktijk hoeven de platen niet plat te zijn; gerolde, gevouwen, verfrommelde, gestapelde, gesneden, in blokjes gesneden en gejunjugeerde geometrieën werken ook, hoewel de wiskunde die erbij komt kijken nogal rommelig kan worden naarmate de geometrie complexer wordt. Om een condensator met een grotere waarde te maken, kan men dus platen met een groter oppervlak gebruiken, de scheidingsafstand verkleinen (d.w.z. de dikte van het diëlektrische materiaal) of de diëlektrische constante van het materiaal verhogen. Rommelen met ε0 vereist zo'n beetje de creatie van een alternatief universum, wat nogal moeilijk is om te doen buiten het domein van de politiek. Maar wat is in godsnaam dat "diëlektrische constante" ding? Uitstekende vraag; het is in wezen een eigenschap van materialen die hun vermogen beschrijft om elektrisch gepolariseerd te worden in de aanwezigheid van een toegepast elektrisch veld, door een van een aantal mechanismen. Deze mechanismen kunnen zich op atomair niveau afspelen, waar de elektronenwolk rond de kern van een atoom wordt verplaatst, waardoor een atoom een licht positieve lading heeft aan de ene kant en een overeenkomstige negatieve lading aan de andere kant. Het kan ook optreden op moleculair niveau, door veranderingen in de oriëntatie van elektrisch polaire moleculen als reactie op een toegepast veld, of door het buigen en uitrekken van de bindingen tussen atomen binnen een molecuul, net zoals het materiaal in een mechanische veer wordt gebogen of uitgerekt. Op voorwaarde dat de elektronen in het atomaire geval niet "wegwaaien" en opnieuw associëren met een naburige kern, en in het moleculaire geval dat de moleculen niet uit elkaar worden gerukt door de kracht van het elektrische veld, functioneert het materiaal als een isolator; het ondersteunt geen langdurige stroom van lading wanneer een elektrisch veld wordt toegepast, hoewel het effectief enige lading laat stromen wanneer het veld tot stand komt door de verschuiving van elektronen rond een atoom of heroriëntatie/vervorming van moleculen. Als het toegepaste elektrische veld wordt verwijderd, kunnen de elektronen in het diëlektricum terugkeren naar hun normale verdeling rond de kernen waaraan ze vastzitten, of kunnen de moleculen in de stof terugkeren naar hun oorspronkelijke willekeurige oriëntatie of vorm. Daarbij wordt het grootste deel van de lading die door de condensator stroomde toen het elektrische veld werd toegepast, teruggevoerd naar het circuit en stroomt in de tegenovergestelde richting. De (relatieve) diëlektrische constante van een materiaal beschrijft de mate waarin een materiaal deze tijdelijke stroom mogelijk maakt, ten opzichte van de mate waarin een vacuüm dat doet. Een materiaal dat dezelfde hoeveelheid ladingsoverdracht toelaat als een vacuüm voor een gegeven oppervlakte, scheidingsafstand en toegepaste veldsterkte heeft een diëlektrische constante van 1. Een materiaal dat twee keer zoveel ladingsoverdracht toelaat als een vacuüm heeft een diëlektrische constante van 2, enz. De nuances van verschillende typen condensatoren worden voor het grootste deel bepaald door de eigenschappen van het gebruikte diëlektricum en de methode waarmee een bepaald apparaat is geconstrueerd. Alle diëlektrische materialen hebben beperkingen met betrekking tot het maximale toegepaste veld dat ze kunnen weerstaan bij een bepaalde materiaaldikte, hun diëlektrische constante, verliezen die optreden in het diëlektrische materiaal en de elektroden, en de hoeveelheid stroom die door het diëlektricum vloeit of "lekt" wanneer het toegepaste elektrische veld constant is.

Niet-ideale eigenschappen van condensatoren

Voor veel doeleinden kunnen echte condensatoren worden voorgesteld met een relatief eenvoudig model met vaste elementen, bestaande uit een ideale condensator met een aantal extra componenten.

ESR

De equivalente serieweerstand (weergegeven door_Resr in het model in figuur 2) beschrijft de verliezen die optreden bij het verplaatsen van lading door een condensator. De weerstand van de elektrode- en loodmaterialen is een bijdragende factor en verliezen die optreden in het diëlektrische materiaal zelf komen ook voor en zijn vaak dominant. De relevantie van ESR voor de keuze van een condensator is tweeledig: 1) het beïnvloedt de AC-respons van de condensator en 2) het legt beperkingen op aan de hoeveelheid AC-stroom die door de condensator kan vloeien als gevolg van thermische beperkingen. De stroom door de ESR van een condensator resulteert in I2 R-verliezen, net als bij elke andere weerstand, en veroorzaakt een temperatuurstijging in de condensator die bijdraagt aan een kortere levensduur van het apparaat. ESR wordt in meer of mindere mate beïnvloed door het type apparaat en de constructie, en ook door de temperatuur en de testfrequentie. In veel gevallen wordt de ESR van een condensator niet direct gegeven in een datasheet, maar eerder meegedeeld in termen van een samenvattend getal zoals Q, dissipatiefactor (DF) of Tan δ. Het zijn allemaal quotiënten van de ESR en capacitieve reactantie (_XC) van een condensator, op een andere manier uitgedrukt. Tan δ en dissipatiefactor worden berekend als _ESR/XC en zijn in wezen hetzelfde getal, hoewel opgemerkt moet worden dat dissipatiefactor meestal wordt uitgedrukt als een percentage, in plaats van als een eenvoudige dimensieloze factor. Q is eenvoudigweg de reciproke van Tan δ, of _XC/ESR.

Figuur 2: Een typisch condensatorsymbool afgezet tegen een schema met niet-ideale eigenschappen gemodelleerd als vaste elementen.

ESL

Equivalente serie-inductantie ontstaat door de gedeeltelijke zelfinductie van de apparaatdraden, spoelen die gevormd worden door de geometrie van de apparaatdraden binnen het circuit, enz. In de benadering met een vast model wordt ESL voorgesteld door een ideale inductor (_Lesl) in serie met de ideale condensator (_Cnom) die de nominale capaciteitswaarde van het apparaat vertegenwoordigt. De relevantie van ESL voor condensatorselectie is vooral het effect op de AC-respons. Zoals het vaste model suggereert, gedragen echte condensatoren zich als seriegeschakelde LCR-circuits. Wanneer de frequentie van een toegepaste wisselspanning toeneemt, neemt de inductieve reactantie van de ESL toe tot een punt waarop deze gelijk is aan de capacitieve reactantie van het apparaat en de condensator zich gedraagt als een weerstand. Bij frequenties boven dit punt is de condensator in feite een spoel.

Lekkage

Lekkage wordt gemodelleerd als een relatief grote weerstand parallel aan de ideale condensator in het lumped model. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat de diëlektrische materialen die in de condensator worden gebruikt geen perfecte isolatoren zijn en een bepaalde hoeveelheid gelijkstroom door de condensator laten wanneer er een constante spanning op wordt gezet. De relevantie van lekkage voor de keuze van de condensator is afhankelijk van de toepassing; het kan een probleem zijn voor het stroomverbruik in micro-stroomtoepassingen, een foutenbron in analoge precisietoepassingen of een probleem voor betrouwbaarheid/thermisch beheer in stroomtoepassingen.

Polarisatie

Polarisatie is een niet-ideale eigenschap van de meeste elektrolytische condensatoren, die vertrouwen op een diëlektricum dat gevormd wordt door elektrochemische actie. Als er een verkeerde polariteit op zo'n condensator wordt gezet, wordt het elektrochemische proces dat wordt gebruikt om de diëlektrische laag van de condensator te maken, omgekeerd. Dit proces van elektrochemische vernietiging van de diëlektrische laag resulteert in lekstromen die hoger zijn dan gespecificeerd en die worden verergerd wanneer de dunner wordende diëlektrische laag begint af te breken onder de spanning van de toepassing. Aangezien lekstroom resulteert in interne verwarming en temperatuurstijgingen leiden tot stijgingen in lekstroom, treedt er een cascade-effect op dat kan resulteren in nogal spectaculaire catastrofale defecten wanneer de bronimpedantie van de (verkeerd) aangelegde spanning laag is. Niet-gepolariseerde elektrolytische condensatoren (die in feite twee gepolariseerde condensatoren zijn die rug-aan-rug zijn geplaatst) zijn beschikbaar voor gebruik in toepassingen waarbij de polariteit van de toegepaste spanning onbekend is of af en toe kan worden omgekeerd, hoewel het gebruik ervan enige voorzichtigheid vereist.

Diëlektrische absorptie

Diëlektrische absorptie, ook wel "soakage" genoemd, verwijst naar energieopslag binnen het diëlektricum van een condensator die wordt geabsorbeerd en vrijgegeven op een langere tijdschaal dan zou worden voorspeld door de nominale capaciteit en ESR van het apparaat. In het vaste-elementenmodel kan het worden voorgesteld als een serieschakeling van een weerstand en condensator (of meerdere instanties daarvan) parallel aan de nominale capaciteit van een apparaat. In de praktijk betekent dit dat een condensator die enige tijd op DC-potentiaal wordt gehouden en dan kortstondig wordt ontladen, zichzelf tot op zekere hoogte lijkt op te laden. In een ander voorbeeld zal de ontlading door een weerstand van een condensator die een tijdje op DC-potentiaal gehouden wordt goed gemodelleerd worden door de gebruikelijke exponentiële vergelijking tijdens het snel veranderende deel van de ontlaadcurve. Tijdens het "lange staart" gedeelte van de curve zal de condensator echter een hogere stroom leveren dan voorspeld wordt door de gebruikelijke R-C ontladingsvergelijking. Het fenomeen kan problematisch zijn in analoge precisiecircuits, maar vormt een potentieel dodelijk veiligheidsrisico in de context van apparaten met een hoge spanning en hoge capaciteit, zoals die worden gebruikt in veel toepassingen voor de correctie van de arbeidsfactor of voor het filteren van de DC-bus. Veel typen condensatoren die nu en in het verleden voor dergelijke toepassingen zijn gebruikt, zijn het meest gevoelig voor energieopslag door diëlektrische absorptie, waarbij sommige in staat zijn om zichzelf "op te laden" tot misschien wel een vijfde van de spanning die eerder werd toegepast. Bij grotere apparaten kunnen de energie en spanning die door dit proces op de aansluitpunten aanwezig zijn, voldoende zijn om direct letsel te veroorzaken (brandwonden of hartstilstand zijn twee mogelijkheden) of indirect als gevolg van onwillekeurige reacties op elektrische schokken.

Afhankelijkheid van ____ van _____

Voer in de eerste lege ruimte elke gewenste parameter in: capaciteit, ESR, ESL, lekkage, levensduur, enz. Voer in het tweede vakje bijna elke toepassingsparameter in: temperatuur, spanning, frequentie, tijd, enz. Er is een relatie tussen de twee en die is afhankelijk van het apparaattype en de constructie. Sommige relaties zijn niet bijzonder sterk en zijn meestal verwaarloosbaar, terwijl andere sterker en minder verwaarloosbaar zijn dan een gorilla van 800 pond. Het bestaan en de relevantie van dergelijke relaties moet dus worden overwogen bij het maken van apparaatselecties.

Veroudering

Sommige condensatortypes vertonen aanzienlijke variaties in hun karakteristieken die optreden op tijdschalen die veel langer zijn dan de meeste elektrische signalen van belang, ongeveer zoals de manier waarop een Krispy Kreme® donut van karakter verandert na verloop van tijd nadat hij de frituurpan heeft verlaten. Dit kan problemen opleveren vanuit het oogpunt van ontwerp, fabricage of kalibratie; een apparaat dat goed test als het net uit de reflow-oven komt, voldoet na een week misschien niet meer aan de specificaties.

Microfonie/Piezo effect

Onthoud dat de vergelijking voor de capaciteit tussen twee parallelle platen een sterke functie is van de afstand tussen de elektroden/diëlektrische dikte; als de afstand tussen de platen wordt veranderd (bijvoorbeeld door een mechanische kracht uit te oefenen) verandert de capaciteit ook. Als de capaciteit verandert maar de hoeveelheid opgeslagen lading constant blijft, varieert de spanning over de klemmen van de condensator omgekeerd evenredig met de verandering in capaciteit. Het resultaat is dat condensatoren zorgen voor een transductiemechanisme tussen het mechanische en het elektrische domein, wat vaak een microfonisch effect wordt genoemd vanwege de gelijkenis met/toepassing in audiomicrofoons van het soort dat gebruikt wordt bij podiumoptredens, draagbare elektronica, enzovoort. Het effect is fantastisch nuttig voor deze toepassingen, maar kan ook problematisch zijn wanneer het resulteert in onbedoelde koppeling van mechanische signalen in een elektrisch circuit, waardoor het een ruisbron wordt of, erger nog, een onbedoeld terugkoppelingspad. Het transductiemechanisme is ook bidirectioneel; als er spanning over de klemmen van een condensator wordt gezet, worden er mechanische krachten uitgeoefend op de elektroden die zich op hun beurt mechanisch kunnen koppelen aan de omgeving, bijvoorbeeld als hoorbaar geluid. Hoewel het aanwezig is in alle condensatoren als gevolg van elektrostatische krachten (het fenomeen achter "statisch vastklampen"), is het het meest uitgesproken in apparaten die piëzo-elektrische diëlektrische materialen bevatten. Dergelijke materialen ontwikkelen een elektrische lading als reactie op mechanische rek en vervormen mechanisch als ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld. Omdat het piëzo-effect de neiging heeft om aanzienlijk meer mechanische kracht per toegepaste volt te genereren dan elektrostatische krachten, is de koppeling tussen het elektrische en mechanische domein veel sterker in condensatoren die piëzo-elektrische materialen bevatten.

Figuur 3: Illustratie van het vermogen van condensatoren om te functioneren als audiomechanische transducers.

Defecte condensatoren

Condensatoren (net als alle andere menselijke vernuftigheden) gaan uiteindelijk stuk, parametrisch of catastrofaal. Parametrische defecten zijn defecten waarbij een apparaat blijft functioneren, maar langzaam degradeert tot een punt waarop het niet meer voldoet aan de prestatiespecificaties. Catastrofale defecten daarentegen worden gekenmerkt door abrupte, dramatische verschuivingen in de eigenschappen van het apparaat die resulteren in gedrag dat niet aan de specificaties voldoet, zoals zelfdemontage, verbranding, gloeien, enz.

Diëlektrische analyse

Defect door diëlektrische breuk is een elektrische toestand waarbij de isolerende eigenschappen van een diëlektrisch materiaal niet in staat zijn om de lekstroom onder een bepaald niveau te houden. Storingen door diëlektrische breuk zijn vaak zelfverergerende storingen met een lage impedantie (kortsluiting), die vaak het gevolg zijn van een spanning die hoger is dan de nominale limiet van een apparaat of van een werking buiten de gespecificeerde thermische limieten. Daarom zijn ze vaak spectaculair, hoewel sommige condensatortypes kleine diëlektrische storingen goed kunnen doorstaan. Aangezien diëlektrische afbraak en thermische storingen zowel oorzaak als gevolg kunnen zijn, kan het soms moeilijk zijn om een storing te categoriseren als een gevolg van de een of de ander.

Thermisch

Thermische storingen zijn storingen die optreden door een te hoge apparaattemperatuur. In omstandigheden waar een te hoge temperatuur een diëlektrische storing veroorzaakt, gaat het meestal om kortsluitingsfouten. Thermische storingen kunnen ook worden beschouwd als een langetermijnfenomeen, waarbij langdurige werking bij verhoogde temperatuur resulteert in parameterverschuivingen van het apparaat die de toegestane limieten overschrijden.

Mechanisch

Mechanische defecten zijn defecten waarbij fysieke schade aan een apparaat de uiteindelijke oorzaak is en die zich kunnen manifesteren als buiten de specificaties vallende parameters, kortsluiting of open circuits. Mechanische defecten, die vaak voorkomen bij keramische condensatoren, worden meestal veroorzaakt tijdens productie- en assemblageprocessen, maar kunnen ook in het veld optreden door misbruik of een slecht mechanisch ontwerp.

Wat zijn enkele algemene condensatorspecificaties

Spanningswaarden

De spanningswaarde van een condensator is een indicatie van de maximale spanning die op het apparaat kan worden gezet. De context van de classificatie is belangrijk; in sommige gevallen kan het een maximale veilige werkspanning aangeven, in andere gevallen kan het meer verwant zijn aan de "absolute maximum" classificatie van een halfgeleider, waarop een geschikte de-rating factor moet worden toegepast.

Tolerantie

De tolerantie van een condensator beschrijft de grenzen van de afwijking van de nominale capaciteitswaarde die een apparaat naar verwachting zal vertonen onder gespecificeerde testomstandigheden, met name AC-testspanning en -frequentie. De opgegeven tolerantiecijfers omvatten de stabiele afwijking van de nominale waarde als gevolg van variabiliteit in de fabricage en kunnen (in zeldzame gevallen) ook de door temperatuur veroorzaakte variatie in capaciteitswaarde over het opgegeven bedrijfstemperatuurbereik omvatten. Opgemerkt moet worden dat testomstandigheden (onder andere temperatuur, frequentie, amplitude en DC-biaswaarde van de testspanning) vaak een sterke invloed hebben op de waargenomen apparaatparameters.

Veiligheidsbeoordelingen

Condensatoren die zijn ontworpen voor gebruik in toepassingen waar een storing een risico kan vormen voor de veiligheid van personen of eigendommen (meestal toepassingen met AC-lijnspanningen) worden aangeduid met een alfanumerieke veiligheidsclassificatie, zoals X1, X2, Y1, Y2, enz. volgens regelgevende normen. Apparaten met "X"-classificatie zijn gecertificeerd voor toepassingen waarbij een storing naar verwachting geen schokgevaar oplevert, zoals "line to line"-toepassingen, terwijl apparaten met "Y"-classificatie zijn gecertificeerd voor toepassingen waarbij een storing wel een schokgevaar oplevert, zoals "line to ground"-toepassingen. Het getal in de aanduiding geeft een tolerantieniveau voor piekspanningen aan, zoals gespecificeerd in toepasselijke regelgevende normen zoals IEC 60384-14. Apparaten kunnen ook meerdere veiligheidsclassificaties hebben, wat aangeeft dat ze gecertificeerd zijn voor gebruik in verschillende omstandigheden; een condensator met een X1Y2-veiligheidsclassificatie kan bijvoorbeeld worden gebruikt in toepassingen die een X1-classificatie vereisen en in toepassingen die een Y2-classificatie vereisen.

Diëlektrisch/elektrodetype

Condensatoren onderscheiden zich door de materialen die ze gebruiken in hun constructie en tot op zekere hoogte door hun werkingsmechanisme. "Keramische" condensatoren gebruiken bijvoorbeeld keramische materialen als diëlektricum; "aluminium elektrolytische" condensatoren worden gevormd met behulp van aluminium elektroden en een elektrolytoplossing, enz. Verdere specificatie van diëlektrische eigenschappen (en dus prestatiekenmerken van het apparaat) binnen een algemeen condensatortype worden vaak gemaakt, vooral bij keramische condensatortypes. Een veelvoorkomend onderscheid is dat tussen elektrolytische en niet-elektrolytische condensatortypes. Elektrolytische condensatoren gebruiken een diëlektrisch materiaal dat ter plaatse elektrochemisch gevormd wordt, meestal door het oppervlak van het elektrodemateriaal te oxideren, terwijl niet-elektrolytische (vaak "elektrostatische" condensatoren genoemd) diëlektrische materialen gebruiken die meestal gevormd worden door verschillende mechanische processen en geen chemische afgeleide zijn van het elektrodemateriaal zelf. Dit onderscheid is nuttig omdat de twee apparaatcategorieën algemene kenmerken met elkaar gemeen hebben, waardoor men ruwweg de kwaliteiten en toepassingsgeschiktheid van een bepaald apparaat kan voorspellen door simpelweg vast te stellen of het een elektrolytisch type is of niet. In het algemeen bieden elektrolytische condensatoren een hoge capaciteit per volume-eenheid, zijn ze gepolariseerd, goedkoop, hebben ze veel verlies en hebben ze een slechte parameterstabiliteit. Niet-elektrolytische apparaattypes zijn daarentegen meestal groot voor hun vermogen, niet polair, relatief duur, met laag verlies en met een handvol opmerkelijke uitzonderingen vertonen ze een redelijke tot uitstekende parameterstabiliteit.

Bedrijfstemperatuurbereik

Het (bedrijfs)temperatuurbereik van een condensator geeft het temperatuurbereik aan waarvoor een apparaat gekwalificeerd is voor gebruik. Indien afzonderlijk gespecificeerd, is een opslagtemperatuurbereik dat temperatuurbereik waarbinnen opslag in niet-actieve toestand geen schade aan het apparaat veroorzaakt of leidt tot onomkeerbare parameterverschuivingen bij werking binnen het normale temperatuurbereik. Voor niet-geassembleerde apparaten kunnen verdere (strengere) milieuspecificaties gemaakt worden met betrekking tot de opslag om ervoor te zorgen dat de loodafwerkingsmaterialen niet zodanig degraderen dat een correcte assemblage onmogelijk wordt. In tegenstelling tot de meeste andere kwalificatieparameters is werking buiten het gespecificeerde temperatuurbereik van een apparaat (vooral bij lagere temperaturen) vaak goed mogelijk, op voorwaarde dat er voorzieningen worden getroffen om rekening te houden met parameterverschuivingen die daardoor optreden en dat de temperatuurschommelingen niet leiden tot mechanische schade aan het apparaat. Werking bij temperaturen boven de nominale limiet van een apparaat is gevaarlijker vanwege de aanwezigheid van temperatuurgerelateerde slijtage en storingsmechanismen, maar is vaak mogelijk in omstandigheden waar de levensduur van het apparaat geen belangrijk punt van zorg is. Een dergelijke afwijkende werking is echter op risico van de ontwerper en vereist de nodige zorgvuldigheid bij de kwalificatie van het apparaat.

Rimpelspanning

De rimpelspanning van een condensator geeft de maximale wisselstroom aan die door de condensator mag lopen. Omdat stroom door een condensator resulteert in zelfverhitting door ohmse en diëlektrische verliezen, is de hoeveelheid stroom die een bepaald apparaat kan verdragen eindig en wordt beïnvloed door omgevingsfactoren.

Levenslang

Veel condensatoren, vooral aluminium types, hebben sterke slijtagemechanismen die hun levensduur beperken. Een levensduurspecificatie is een indicatie van de verwachte levensduur van een apparaat onder gespecificeerde bedrijfsomstandigheden. Merk op dat de definities van levensduur kunnen variëren; een gangbare definitie is de gebruiksduur onder gespecificeerde omstandigheden (die meestal in de buurt liggen van nominale maximumwaarden) waarbinnen 50% van de in de praktijk gebruikte apparaten naar verwachting defect zal raken. Sommige specificaties zijn strenger, andere soepeler.

Militair, hoge betrouwbaarheid en gevestigde betrouwbaarheid

Voor toepassingen die slecht bestand zijn tegen apparaatstoringen, zijn er condensatoren beschikbaar die worden geproduceerd en getest volgens gedefinieerde protocollen om een statistische garantie te bieden voor de betrouwbaarheid van het apparaat. Voor bijzonder gevoelige toepassingen is het vaak nodig dat componenten worden ingekocht via gedocumenteerde kanalen, waardoor de herkomst van een bepaalde component kan worden getraceerd via de productieprocessen om de integriteit van het apparaat te garanderen en de analyse van de hoofdoorzaak te vergemakkelijken in geval van storing. MIL-HDBK-217F Notice 2 is op het moment van schrijven de meest gebruikte richtlijn voor het voorspellen van de betrouwbaarheid van elektronische apparatuur, hoewel de procedures van Telcordia ook veel gebruikt worden, met name in de telecommunicatie-industrie.

Soorten verpakking en montage

Net als de meeste elektronische componenten zijn condensatoren verkrijgbaar in verschillende verpakkingen en montagetypes. Apparaatkarakteristieken en algemene toepassingsbeperkingen beïnvloeden de beschikbare opties, waaronder oppervlaktemontage-apparaten, axiale en radiale doorvoergattypes en chassis-montagetypes.

Wat zijn aluminium condensatoren?

Aluminiumcondensatoren zijn een familie van apparaten die onder de paraplu van "elektrolytische" condensatoren vallen. Daarom bieden ze hoge capaciteitswaarden in kleine behuizingen tegen relatief lage kosten. In ruil voor deze wenselijke eigenschappen zijn hun elektrische eigenschappen en levensduur over het algemeen relatief slecht. Hoewel aluminium condensatoren ongeschikt zijn voor alle signaalgerelateerde toepassingen, behalve de meest barbaarse, zijn ze wel geschikt voor gelijkstroomgerelateerde functies. Er zijn drie verschillende types beschikbaar: de standaard aluminium elektrolytische condensator, een bipolaire variant op dat thema en een nieuwer type dat een geleidende polymeerelektrode bevat. De verwijzing naar de familie als "aluminium condensatoren" in plaats van "aluminium elektrolytische condensatoren" is een hoed-tip naar dit laatste type apparaat dat geen traditioneel vloeibaar elektrolyt bevat.

Afbeelding 4: Aluminium condensatoren in verschillende verpakkingsstijlen. L-R, opbouwmontage, doorvoergatmontage en chassismontage. (Niet op schaal)

Constructie van het apparaat

Standaard aluminium elektrolytische condensatoren bestaan uit twee vellen zeer zuiver aluminiumfolie die in elkaar geschoven zijn en gescheiden door een afstandsmateriaal zoals papier dat verzadigd is met een elektrolytoplossing. Deze folie wordt meestal op microscopisch niveau geëtst, waardoor het effectieve oppervlak wel een paar honderd keer zo groot wordt als wanneer de folie glad zou blijven. Op een van de vellen folie (in standaard aluminium elektrolytische condensatoren) wordt een laag aluminiumoxide gevormd die dient als het diëlektrische materiaal van de condensator door een spanning op de folie aan te brengen via een zuurstofhoudende elektrolytoplossing. Hierdoor bindt zuurstof uit de elektrolyt zich aan het oppervlak van de aluminiumfolie en wordt een oxidelaag gevormd met een dikte die evenredig is met de spanning die tijdens het vormingsproces wordt toegepast en die wordt bepaald door de beoogde werkspanning van de te produceren condensatoren. Meestal is de dikte van deze oxidelaag ongeveer 1 micrometer, of 0,00004 inch. Het onderliggende, niet-geoxideerde metaal vormt een van de elektroden van de aluminium elektrolytische condensator. De andere elektrode is niet het tweede vel folie, maar de elektrolytoplossing. In standaard aluminium elektrolytische condensatoren heeft de tweede folie geen opzettelijk gevormde oxidelaag en wordt gewoon gebruikt om elektrisch contact te maken met de elektrolyt, omdat het nogal moeilijk is om een vloeistof op een printplaat te solderen... In bipolaire condensatoren wordt een oxidelaag gevormd op beide aluminium platen, wat resulteert in een apparaat dat in feite twee condensatoren zijn die in omgekeerde serie zijn geschakeld. Omdat de elektrolyt een vloeistof is (behalve in het geval van aluminium polymeercondensatoren, waar het een geleidend polymeermateriaal is) kan het zich aanpassen aan de microstructuur van de geëtste en geoxideerde folie, wat resulteert in een groot gebied tussen de twee elektroden van de condensator. Aangezien het diëlektrische materiaal (aluminiumoxide) vrij dun is, is het eindresultaat een condensator met een hoge waarde; volgens de basisvergelijking voor condensatoren neemt de capaciteit evenredig toe met het elektrodeoppervlak en omgekeerd evenredig met de afstand tussen de elektroden/diëlektrische dikte. Looddraden worden aan de folie bevestigd, de assemblage wordt gewikkeld, gevouwen of op een andere manier gevormd om in een houder te passen (meestal ook van aluminium) en de assemblage wordt afgedicht met een rubberen afdichtplug. Omdat foutcondities kunnen resulteren in een opbouw van interne druk, bevatten de meeste aluminium condensatoren ook voorzieningen om dergelijke druk op een relatief veilige manier af te voeren. Bij grotere apparaten wordt hiervoor meestal een speciaal mechanisme gebruikt, terwijl kleinere apparaten de beschermende ontluchtingsfunctie bereiken door een zorgvuldig ontwerp van de rubberen afdichtplug en/of door de inkepingen in de houder, zodat deze op een relatief gecontroleerde manier breekt als er een te hoge inwendige druk ontstaat. Standaard, bipolaire en polymeer types zijn inbegrepen.

Bereik van beschikbare capaciteiten en spanningen

Afbeelding 5: Een illustratie van het spannings-/capaciteitsbereik voor aluminium condensatoren die op het moment van schrijven verkrijgbaar zijn via DigiKey.

Sterke en zwakke punten van de toepassing

De belangrijkste kracht van aluminium condensatoren is hun vermogen om een grote capaciteitswaarde te leveren in een kleine verpakking, en dat voor een relatief lage prijs. Bovendien hebben ze meestal goede zelfherstellende eigenschappen; wanneer er een plaatselijke zwakke plek in de aluminiumoxidediëlektrische laag ontstaat, veroorzaakt de verhoogde lekstroom door het zwakke punt in het diëlektricum een chemische reactie die vergelijkbaar is met die tijdens de aanvankelijke vorming van de diëlektrische laag, wat resulteert in een verdikking van het diëlektricum op het zwakke punt en een daaruit voortvloeiende vermindering van de lekstroom. De tekortkomingen van aluminium condensatoren hebben meestal te maken met (a) de chemisch-reactieve aard van de materialen die gebruikt worden bij de constructie, (b) de geleidende eigenschappen van de elektrolytoplossingen en (c) de vluchtigheid van vloeibare elektrolyten. De chemisch reactieve aard van de materialen die gebruikt worden in aluminium condensatoren is op twee punten problematisch; de stabiliteit van de diëlektrische laag en de mechanische integriteit van het apparaat op de lange termijn. Aangezien de diëlektrische laag van aluminiumoxide in deze apparaten gevormd wordt door een elektrochemisch proces, kan deze ook geërodeerd worden door een elektrochemisch proces door eenvoudigweg de toegepaste spanning om te keren. Dit is de reden waarom de meeste aluminium condensatoren gepolariseerd zijn; toepassing van spanning met de verkeerde polariteit veroorzaakt snelle erosie en verdunning van het diëlektricum, wat resulteert in een hoge lekstroom en overmatige interne verwarming. Vanuit het oogpunt van mechanische integriteit is het mengen van een zeer reactief metaal (aluminium) met een corrosieve elektrolytoplossing een delicate zaak; fouten in de samenstelling van de elektrolyt kunnen leiden tot voortijdig falen, zoals de "condensatorplaag" van begin jaren 2000 aantoonde. Een andere tekortkoming van aluminium elektrolytische condensatoren is het feit dat de gebruikte elektrolyten niet bijzonder efficiënte geleiders zijn omdat geleiding in elektrolytische oplossingen wordt bereikt door ionische in plaats van elektronische geleiding; in plaats van losse elektronen die tussen atomen bewegen en als ladingsdragers dienen, bewegen ionen (atomen of kleine groepen daarvan die een lading hebben door een overschot of tekort aan elektronen) zich door de oplossing. Omdat ionen volumineuzer zijn dan elektronen, bewegen ze niet zo gemakkelijk en daarom heeft ionische geleiding over het algemeen een hogere weerstand dan elektronische geleiding. De mate waarin dit het geval is, wordt sterk beïnvloed door de temperatuur; hoe lager de temperatuur, hoe moeilijker het is voor ionen in een elektrolytoplossing om zich door de oplossing te verplaatsen, wat zich vertaalt in een hogere weerstand. Elektrolytische condensatoren hebben dus meestal een relatief hoge ESR die een sterke omgekeerde correlatie vertoont met de temperatuur. Het derde grote nadeel van aluminium condensatoren (met uitzondering van de vaste polymeer types) is dat de vloeibare elektrolytoplossingen de neiging hebben om na verloop van tijd te verdampen en uiteindelijk in de atmosfeer terecht te komen door diffusie via de rubberen afdichtplug, lekken in veiligheidsontluchtingsstructuren of soortgelijke fenomenen.

Gebruikelijke toepassingen

Aluminiumcondensatoren worden voornamelijk gebruikt in DC-vermogenstoepassingen die een relatief grote, goedkope condensator vereisen, wanneer AC-prestaties en parameterstabiliteit in de tijd niet bijzonder kritisch zijn. Dergelijke toepassingen zijn onder andere bulkfiltering van gelijkgerichte AC lijnspanning in voedingstoepassingen en uitgangsfiltering in laagfrequente schakelende voedingen, enz. Vanwege de tijdconstante die gevormd wordt door hun relatief hoge ESR in serie met hun grote nominale capaciteit, verliezen aluminium condensatoren als klasse snel hun aantrekkingskracht als de rimpelfrequenties in de buurt komen van ongeveer 100 kHz. Apparaatoptimalisaties variëren echter sterk en de bruikbare frequentielimiet voor een bepaald apparaat kan zo laag zijn als een paar kHz tot 1MHz. Aluminium elektrolytische condensatoren zijn over het algemeen niet geschikt voor toepassingen waar hoge verliezen en grote variabiliteit van apparaatparameters met omgevings- en bedrijfsomstandigheden ongewenst is, waaronder de meeste analoge signaalpaden.

Veelvoorkomende faalmechanismen/kritische ontwerpoverwegingen

Verlies van elektrolyten

De vloeibare elektrolyt in de meeste aluminiumcondensatoren verdampt na verloop van tijd, waardoor de ESR toeneemt en de capaciteit afneemt. Dit is een slijtagemechanisme dat meestal de beperkende factor is voor de levensduur van een aluminium elektrolytische condensator. De klok start onmiddellijk na de productie van een apparaat en stopt niet, hoewel de gebruiks- en opslagomstandigheden de snelheid waarmee de wijzers bewegen beïnvloeden. Temperatuur is de belangrijkste factor bij het bepalen van de snelheid van elektrolytverlies en wordt goed beschreven door de vergelijking van Arrhenius, die ruwweg een factor twee verandering in processnelheid voorspelt voor elke 10°C verandering in temperatuur. Anders gezegd, als je de temperatuur van een elektrolytische condensator met 10°C verlaagt, verdubbel je ruwweg de verwachte levensduur, als alle andere factoren gelijk blijven. Elektrolytverlies wordt ook beïnvloed door de atmosferische druk, waarbij een lagere druk leidt tot sneller elektrolytverlies. Omgevingen met extreme lage druk kunnen ertoe leiden dat de behuizing van apparaten die niet voor dergelijke omgevingen zijn ontworpen, scheurt of dat de veiligheidsontluchting opent, waardoor ze veel eerder defect raken dan bij hogere omgevingsdrukken het geval zou zijn. Bij het schatten van de levensduur van condensatoren op basis van de Arrheniusrelatie en de opgegeven levensduurspecificatie van de fabrikant, moet rekening worden gehouden met zelfverhitting door rimpelstroom; de interne temperatuur van de condensator is de grootheid van belang, niet simpelweg de omgevingstemperatuur van de toepassing. Raadpleeg voor gebruik op grote hoogte of bij lage druk de specificaties van de fabrikant, aangezien de opgegeven levensduur moet worden verlaagd tot nul bij een omgevingsdruk waarbij het verschil tussen de dampdruk van de elektrolyt en de omgevingsdruk buiten ervoor zorgt dat de veiligheidsontluchting van de condensator opengaat. Merk op dat de dampdruk over het algemeen toeneemt met de temperatuur, waardoor er een wisselwerking ontstaat tussen de bedrijfstemperatuur en de maximaal toelaatbare bedrijfshoogte.

Defect elektrolyt

Een onjuiste formulering van het elektrolyt kan leiden tot snelle corrosie van interne onderdelen en/of opbouw van gasdruk in een aluminium condensator, met voortijdige uitval als gevolg. Dit mechanisme is naar verluidt verantwoordelijk voor wijdverspreide voortijdige defecten van aluminium elektrolytische condensatoren in veel elektronische apparaten voor consumenten in de vroege jaren 2000. Naast onafhankelijk testen en evalueren is de beste manier om dit probleem (dat voor veel bedrijven extreem duur is gebleken) te vermijden om alleen producten van gerenommeerde fabrikanten te kopen, rechtstreeks of via een door de fabrikant erkende distributeur. Het kopen van goedkope elektronische onderdelen uit dubieuze bronnen lijkt veel op het kopen van farmaceutische producten in plastic zakjes van een vreemde op de hoek van een straat in het slechte deel van de stad om 2 uur 's nachts... Doe het niet.

Overspanning

Wanneer de spanning over een aluminium elektrolytische condensator de voorgeschreven grenzen overschrijdt, neemt de lekstroom door de aluminiumoxide diëlektrische laag snel toe, beginnend op gelokaliseerde "dunne" plekken binnen het diëlektrische materiaal. Deze toename in lekstroom resulteert in een verhoogde plaatselijke verwarming binnen het apparaat. Als de lekstroom niet beperkt wordt, kan de verhoogde plaatselijke verwarming verdere schade aan de diëlektrische laag veroorzaken, wat resulteert in een cascadebreuk van het diëlektrische materiaal en de vernietiging van de condensator.

Huidige overbelasting

Aluminium elektrolytische condensatoren hebben vaak een vergelijkbaar grote ESR-waarde, voornamelijk door de weerstand van de elektrolytoplossing. AC-stromen die door deze weerstand stromen, resulteren in ohmse verwarming die bijdraagt aan het verlies van elektrolyt en het risico op een diëlektrische storing verhoogt. De schijnbare capaciteit van een aluminium elektrolytische condensator is afhankelijk van de frequentie. Daarom moet de specificatie van de rimpelstroom door de fabrikant worden geïnterpreteerd in het licht van de rimpelfrequenties die aanwezig zijn in de toepassing. Maximale rimpelstroomwaarden voor aluminium elektrolytische condensatoren worden gewoonlijk opgegeven bij 120 Hz en 100 kHz, dus men moet niet alleen letten op de opgegeven rimpelstroomwaarde bij het selecteren van het apparaat, maar ook op de testfrequentie waarvoor de waarde wordt opgegeven.

Overspanning door veroudering

Door de elektrochemische aard van het diëlektrische vormingsproces resulteert opslag bij nul toegepaste spanning gedurende langere tijd in degradatie van de aluminiumoxide diëlektrische laag. Als het diëlektricum verzwakt is, kunnen er overspanningscondities optreden, zelfs als een toegepaste spanning binnen de nominale grenzen van een apparaat ligt. In milde gevallen kunnen de enige symptomen een verhoogde lekstroom en verhoogde apparaattemperaturen zijn, totdat het apparaat zichzelf herstelt. In ernstige gevallen waarbij de maximale nominale spanning wordt toegepast via een lage bronimpedantie over een slecht gedegradeerd diëlektricum, kan een apparaat kortsluiten en op spectaculaire wijze scheuren. Hoewel er ontwikkelingen zijn geweest in elektrolytformules om dit probleem aan te pakken en nog steeds worden gedaan, varieert de opslagstabiliteit aanzienlijk tussen verschillende producten, waarbij bij sommige al meetbare degradatie optreedt na slechts 1 tot 3 jaar opslag in ontladen toestand. Bij het ontwerpen van toepassingen die gedurende langere perioden inactief kunnen zijn, wordt aanbevolen om de spanning van apparaten gematigd te verlagen om een betere veiligheidsmarge tegen dit effect te bieden. Er wordt ook aangeraden om producten te gebruiken die speciaal ontworpen zijn om degradatie tijdens opslag tegen te gaan. In reparatie-/revisiesituaties is de algemeen voorgeschreven behandeling voor geatrofieerde aluminium elektrolytische condensatoren om de systeemspanning geleidelijk toe te passen over een periode van 4-8 uur. Voordat u dit doet, moet u controleren of de apparatuur niet beschadigd raakt door een langere periode van gebruik bij voedingsspanningen onder de specificaties.

Apparaatfuncties, opties en gerichte toepassingen

Audio

Aluminium elektrolytische condensatoren die op de markt worden gebracht voor audiotoepassingen zijn meestal lage-ESR types en de ontwerpcompromissen in hun constructie kunnen scheefgetrokken zijn ten gunste van elektrische prestaties en parameterstabiliteit ten koste van zaken als grootte en kosten. Er moet echter worden opgemerkt dat het audiovak vol zit met subjectivisme en marketing, bedoeld om de dwazen van hun geld te scheiden, en dat dit effect zelfs doordringt tot op componentniveau. Als condensator A een mooier label heeft en tien keer meer kost dan condensator B, dan is condensator A duidelijk beter, toch? Niet noodzakelijkerwijs. Controleer de specificaties, weet welke belangrijk zijn voor de betreffende toepassing en kies het apparaat dat het beste voldoet aan de vereisten van de toepassing. Tenzij je iets bouwt om te verkopen aan het soort mensen dat bereid is honderden of duizenden dollars uit te geven aan "directionele" luidsprekerkabels. Kies in dat geval wat je de meeste bling for the buck biedt...

Automotive

Apparaten die worden uitgelicht voor automobieltoepassingen zijn doorgaans ontworpen voor een lange levensduur en werking over een groot temperatuurbereik, dat minstens tot 105°C reikt. De meeste zijn gekwalificeerd volgens de AEC-normen (Automotive Electronics Council).

Bi-polair

Bipolaire elektrolytische condensatoren zijn ontworpen om zonder schade te werken wanneer ze worden blootgesteld aan spanningen die de polariteit veranderen, door een oxidelaag te vormen op beide folievellen die worden gebruikt in een standaard aluminium elektrolytische condensator, in plaats van slechts één. Vanwege de hoge ESR van dergelijke apparaten worden ze over het algemeen ongeschikt geacht voor gebruik met een continu toegepaste wisselspanning en om deze reden worden ze soms "niet-polaire DC-condensatoren" genoemd om dit te benadrukken. Het gebruik ervan is meestal beperkt tot gelijkstroomtoepassingen waarbij de toe te passen polariteit onzeker is, af en toe kan omkeren op een voorbijgaande basis of waarbij de stroom door het apparaat kan worden beperkt tot waarden die niet resulteren in overmatige zelfverhitting.

Voor algemeen gebruik

"Voor algemene doeleinden" is een verzamelnaam voor apparaten die niet uitdrukkelijk zijn ontworpen voor een bepaalde toepassingscategorie en die geen belangrijke onderscheidende kenmerken hebben in hun constructie.

Reflow op hoge temperatuur

Apparaten die zijn aangeduid als reflow-typen voor hoge temperaturen zijn ontworpen en gekwalificeerd voor gebruik in toepassingen waar tijdens de productie hogere procestemperaturen voorkomen, zoals vaak het geval is bij reflowsoldeerprocessen die voldoen aan de loodvrije/RoHS-normen.

Motor draaien

Elektrolytische aluminiumcondensatoren met deze aanduiding zijn ontworpen voor continu gebruik en toepassingen met een hoge rimpel, zoals frequentieregelaars en omvormertoepassingen.

Motor starten

Elektrolytische aluminiumcondensatoren met deze aanduiding zijn over het algemeen ontworpen voor gebruik in AC-motorstarttoepassingen. Meestal zijn ze bipolair, geschikt voor enkele honderden volt en hebben ze waarden tussen enkele tientallen en enkele duizenden uF.

Polymeer

Deze aanduiding wordt geassocieerd met aluminium elektrolytische condensatoren die een vast geleidend polymeer gebruiken als elektrolytmateriaal, in plaats van een vloeibaar elektrolyt. Typisch vertonen ze een betere stabiliteit, lagere ESR en een betere levensduur bij verhoogde temperatuur dan vergelijkbare apparaten met vloeibare elektrolyten, hoewel de beschikbaarheid beperkt is tot relatief lage capaciteiten en spanningswaarden en de kosten van apparaten voor een bepaalde capaciteit en spanningswaarde aanzienlijk hoger zijn dan een vergelijkbaar type met vloeibare elektrolyten.

Roestvrijstalen behuizing

Apparaten met deze aanduiding zijn ontworpen met robuuste, roestvrijstalen behuizingen die bestand zijn tegen drukverschillen tussen de binnen- en buitenkant van de condensator die groter zijn dan normaal. Hierdoor kunnen ze bij een lagere atmosferische druk werken dan de meeste andere apparaten en hebben ze een langere verwachte levensduur dankzij de mogelijkheid om verlies van elektrolyt te beperken. Meestal zijn deze apparaten ook vrij duur.

Wat zijn keramische condensatoren?

Keramische condensatoren zijn elektrostatische apparaten die worden gekenmerkt door het gebruik van verschillende keramische diëlektrische materialen, die meestal gebaseerd zijn op bariumtitanaat (_BaTiO3). Ze zijn niet gepolariseerd met kenmerken die een groot deel van het kwantiteit-kwaliteitsspectrum bestrijken, met misschien een lichte voorkeur voor kwaliteit. Er zijn veel variaties in constructie en diëlektrische eigenschappen beschikbaar voor diverse toepassingsbehoeften en deze brede toepasbaarheid, in combinatie met relatief lage kosten, maakt keramische condensatoren het populairste condensatortype in het huidige gebruik, gerekend naar het aantal verkochte apparaten.

Constructie van het apparaat

Afbeelding 6: Links: Meerlagige keramische chipcondensator (MLCC); rechts: Schijfcondensator met doorvoeropening.

Vroege apparaten waren opgebouwd uit een enkele laag keramisch diëlektrisch materiaal (meestal cirkelvormig) tussen twee metalen elektroden. De draden werden aan de metalen elektroden bevestigd en de assemblage werd ingekapseld in een isolerend materiaal, meestal keramiek of epoxy. Hoewel dit constructietype nog steeds wordt aangetroffen in apparaten die bedoeld zijn voor AC lijn- of hoogspanningstoepassingen, zijn er weinig of geen apparaten die op deze constructiemethode zijn gebaseerd geschikt voor opbouwmontage, wat hun aantrekkingskracht voor veel toepassingen beperkt. Vandaag de dag zijn meerlaagse keramische chipcondensatoren (MLCCs) veel gebruikelijker. Deze gebruiken afwisselend dunne lagen van elektrode- en diëlektrische materialen om een groot elektrodeoppervlak te verkrijgen in een klein totaal pakketvolume. Dergelijke apparaten worden gemaakt door dunne vellen ongebakken keramische "klei" te extruderen waarop een elektrodemateriaal in fijn verdeelde vorm wordt afgezet via een proces dat lijkt op zeefdrukken. Een aantal van deze "vellen" worden gestapeld en samengeperst om het gewenste aantal elektrolagen te creëren, in afzonderlijke condensatoren gesneden en gebakken in een oven op hoge temperatuur om het keramische diëlektrische materiaal uit te harden en de deeltjes in het elektrodemetaal te smelten. Daarna worden afsluitingen aangebracht en de apparaten die door de eindcontrole komen, worden verpakt voor verzending.

Afbeelding 7: Vereenvoudigd MLCC-productieproces. (Bron: WikiMedia Commons)

Bereik van beschikbare capaciteiten en spanningen:

Afbeelding 8: Een illustratie van de reeks combinaties van spanning en capaciteit van keramische condensatoren die op het moment van schrijven verkrijgbaar zijn bij DigiKey.

Sterke en zwakke punten van de toepassing

Keramische condensatoren (MLCC's in het bijzonder) hebben wijdverspreide populariteit verworven vanwege hun veelzijdigheid, zuinigheid, duurzaamheid en over het algemeen gunstige elektrische eigenschappen. Waar hun toepassingsgebieden elkaar overlappen, hebben keramische condensatoren over het algemeen gunstige eigenschappen ten opzichte van andere types (aluminium, tantaal, etc.) die gebruikt worden voor bulkstroomverwerking, en enigszins inferieure eigenschappen ten opzichte van dunne film of andere types die gebruikt worden waar het uiterste aan stabiliteit en precisie vereist is. De veelzijdigheid van keramische condensatoren wordt weerspiegeld door het bereik van de beschikbare waarden, die ongeveer 9 orden van grootte in capaciteit en 4 in spanning overspannen, zoals weergegeven in figuur 8; niet veel technologieën hebben een dergelijke breedte. Voor het grootste deel zijn de grondstoffen die gebruikt worden bij de bouw van keramische condensatoren niet bijzonder duur en worden ze efficiënt gebruikt. Hoewel een hoge mate van precisie en procescontrole vereist is, zijn de basis fabricageprocessen niet enorm complex. Samen zorgen deze eigenschappen ervoor dat MLCCs elk jaar met miljarden tegelijk kunnen worden geproduceerd, vaak tegen kosten die onder de penny per eenheid liggen. Vanuit een toepassingsperspectief zijn ze zeer geschikt voor toepassingen met een lange levensduur; omdat ze in wezen uit een laag duurzame materialen (metalen en keramiek) bestaan, hebben ze geen sterke slijtagemechanismen, geen acute kwetsbaarheid voor temperatuur, druk of spanningsomkering en geen risico op lekkage, verbranding of toxiciteit zoals bij elektrolytische apparaten. Omdat ze voor hun werking niet afhankelijk zijn van elektrolytoplossingen met relatief hoge weerstand, zoals elektrolytische apparaten, is de ESR van keramische condensatoren over het algemeen vrij laag en hun interne geometrieën (en korte loodlengtes, in het geval van MLCC's) zorgen ervoor dat de layout van de printplaat in veel gevallen de grootste bijdrage levert aan ESL. Zwakke punten in de toepassing van keramische condensatoren zijn de mechanische kwetsbaarheid, de afwezigheid van zelfherstellende capaciteiten, de kosten bij hoge capaciteitswaarden en de variërende mate van parameterafhankelijkheid van omgevings- en elektrische bedrijfsomstandigheden, afhankelijk van de specifieke formulering van het keramische diëlektrische materiaal. Net als de meeste keramische voorwerpen zijn keramische condensatoren vrij broos en inflexibel. Bijgevolg zijn ze kwetsbaar voor schade als gevolg van mechanische spanning of thermische schokken en moeten dergelijke factoren tijdens de assemblage en het gebruik in het eindproduct zorgvuldig worden beperkt. Het nadeel van de relatief inerte "staal en steen" constructie van keramische condensatoren is dat er geen zelfherstellend mechanisme aanwezig is; spanningen die resulteren in diëlektrische breuk resulteren meestal in onherstelbare schade aan het apparaat en er moeten dus aanzienlijke veiligheidsfactoren worden ingebouwd als extra diëlektrische dikte, omdat zwakke plekken in het diëlektricum niet gemakkelijk kunnen worden "uitgebrand" tijdens de productie. Dit draagt bij aan de relatief hoge kosten per Farad van keramische condensatoren (vergeleken met elektrolytische types) en samen met het toenemende risico op mechanische schade naarmate de afmetingen van het apparaat toenemen, resulteert dit in een afnemende aantrekkingskracht op en beschikbaarheid van keramische condensatoren in waarden voorbij een paar 10'en microfarads. Tenslotte zijn veel keramische diëlektrische formuleringen niet parametrisch stabiel of lineair met temperatuur en diëlektrische spanning, in een mate die over het algemeen evenredig is met hun diëlektrische constanten. Daarom zijn hoogwaardige keramische condensatoren vaak ongeschikt voor precisietoepassingen.

Belangrijke ontwerpoverwegingen

Temperatuurkarakteristieken en diëlektrische classificaties

Talrijke keramische diëlektrische materialen worden algemeen gebruikt en variëren sterk in hun volumetrisch rendement, temperatuurafhankelijkheid, verlieskarakteristieken en andere niet-ideale gedragingen. Verschillende apparaten worden gecategoriseerd op basis van hun temperatuurkenmerken, met verschillende scheidslijnen en identificatiesystemen die in de loop der jaren zijn opgesteld door de EIA (Electronics Industry Association) en IEC (International Electrotechnical Commission), evenals door het Amerikaanse leger en andere normeringsinstanties. De rode draad tussen deze systemen is het onderscheid tussen kwaliteit en kwantiteit van de capaciteit; types met laag verlies/hoge stabiliteit/temperatuurlineair die gebruikt worden voor analoge precisie- en resonantietoepassingen worden anders behandeld dan types die een hoge capaciteit per volume leveren ten koste van een slechtere stabiliteit en lineariteit. De IEC-norm duidt diëlektrica ontworpen voor kwaliteit en kwantiteit van capaciteit respectievelijk aan als klasse 1 en klasse 2. Net als de IEC-norm duidt de EIA-norm kwaliteitsgerichte diëlektrische materialen aan als klasse I (Romeins cijfer, niet altijd gebruikt), hoewel de IEC klasse 2 apparaten onderverdeeld zijn in de EIA klassen II en III. EIA klasse II-apparaten zijn apparaten die een zekere mate van waardigheid behouden met betrekking tot de parameterstabiliteit bij temperatuur (+/- 15% of beter over een bepaald bereik, meestal -50°C tot 85°C of hoger), terwijl de EIA klasse III-diëlektrica alle pretentie van temperatuurstabiliteit laten varen om volumetrische efficiëntie na te streven, met grotere parametervariaties over kleinere temperatuurbereiken; +22%/-56% over +10° tot +85°C of +22%/-82% over -30°C tot +85°C zijn gebruikelijke klasse III-limieten. Figuur 9 illustreert het fenomeen grafisch en toont de karakteriseringen van één fabrikant van diëlektrica met verschillende temperatuurkarakteristieken.

Figuur 9: Typische capaciteitsvariatie als functie van de temperatuur voor keramische condensatoren van verschillende diëlektrische classificaties. (Brongegevens: AVX catalogus met keramische condensatorproducten voor opbouwmontage, v13.10)

Verschillende diëlektrische formuleringen zijn beschikbaar in elke algemene diëlektrische klasse, gecategoriseerd door temperatuurcoëfficiënt van capaciteit in het geval van klasse 1 diëlektrica, en beperkingen op verandering in capaciteit over een gespecificeerd temperatuurbereik voor de andere apparaatklassen. "Geheime decoderringen" voor enkele classificatieschema's worden getoond in de tabellen van Figuur 9A. MLCC's met IEC klasse 1 (EIA klasse I) diëlektrica zijn ontworpen met gecontroleerde, gespecificeerde temperatuurcoëfficiënten van capaciteit; de capaciteit van deze apparaten is een lineaire functie van de temperatuur. De diëlektrische classificatie voor EIA klasse I apparaten geeft zowel de helling van die lijn als de tolerantie van die helling aan. Daarentegen geeft de diëlektrische classificatie voor keramische materialen van klasse II en III buitengrenzen aan voor twee grootheden: 1) veranderingen in capaciteit als functie van de temperatuur, als percentage ten opzichte van de waarde bij een standaardtemperatuur (meestal 25°C) en 2) het temperatuurbereik waarop de grenzen van toepassing zijn. Er wordt niets gezegd over de helling van de temperatuurkarakteristiek binnen die grenzen; de meeste zijn niet eens monotoon, laat staan lineair.

Figuur 9A: Tabellen met de gedragsgrenzen die worden aangegeven door verschillende aanduidingen onder de EIA en Amerikaanse militaire classificatiesystemen.

Er moeten twee belangrijke opmerkingen worden gemaakt over de classificaties van de IEC klasse 2 (EIA klasse II/III) diëlektrica:

1. Ze geven alleen de capaciteitsverandering als functie van de temperatuur aan. Andere invloeden zijn NIET opgenomen in de ∆C-cijfers en deze invloeden kunnen SIGNIFICANT zijn. (Zie hoofdstuk over spanningscoëfficiënt van capaciteit)
2. Het zijn GEEN absolute voorschriften voor een diëlektrische formulering, maar alleen een manier om apparaten te groeperen op basis van alleen het temperatuurgedrag. Verschillende onderdeelnummers (vooral die met verschillende verpakkingsgroottes) kunnen zich verschillend gedragen in een bepaalde toepassing, zelfs als ze dezelfde waarde, tolerantie, spanningswaarde en diëlektrische classificatie hebben.

Tolerantiespecificaties

Het onderscheid tussen fabricagetolerantie en specificaties voor het temperatuurgedrag van keramische condensatoren wordt gemakkelijk verkeerd begrepen, waarschijnlijk door de frequente gelijkenis van de grootheden van de cijfers, de algemene gewoonte om beide uit te drukken als een percentage en onvolmaakte taaldiscipline. Eigenlijk geeft de "tolerantie"-specificatie op een keramische condensator de toegestane variaties aan in de waarde van het apparaat onder standaard testomstandigheden als gevolg van fabricagevariabiliteit. Het wordt meestal gespecificeerd als een percentage van de nominale waarde en verwijst naar variaties tussen verschillende apparaten met hetzelfde onderdeelnummer onder gestandaardiseerde testomstandigheden, ten opzichte van de nominale waarde. Anders gezegd, het is een maat voor de uniformiteit van de onderdelen die van de productielijn komen. Daarentegen geeft de "temperatuurkarakteristiek" van een keramische condensator de mate aan waarin de capaciteit van een bepaald apparaat naar verwachting zal variëren met de temperatuur binnen het opgegeven bedrijfstemperatuurbereik van dat apparaat. De term "temperatuurcoëfficiënt" kan het beste gereserveerd worden voor apparaten die diëlektrica van klasse I gebruiken, die een min of meer lineaire temperatuurafhankelijkheid hebben, terwijl de term "temperatuurkarakteristiek" meer geschikt is voor condensatoren die diëlektrica van EIA klasse II en III gebruiken, die duidelijk niet-lineaire verschuivingen in capaciteit met de temperatuur vertonen.

Afbeelding 10: Tolerantie versus temperatuur van een Vishay BC Components D471K20Y5PH6UJ5R keramische condensator.

P/N BC5214CT-ND is bijvoorbeeld een keramische schijfcondensator met een nominale capaciteit van 470 pF, +/-10% tolerantie en een Y5V temperatuurkarakteristiek. Gemeten onder de gespecificeerde testcondities zouden apparaten met dit P/N een capaciteit tussen 423 pF en 517 pF moeten vertonen; dit is de tolerantie van het apparaat en geeft aan dat een bepaald punt op de rode lijn in de grafiek links in Figuur 10 een apparaat met dit onderdeelnummer zou moeten beschrijven. De Y5V temperatuurkarakteristiek geeft echter aan dat de capaciteit van het apparaat met een extra +22%/-82% kan variëren wanneer gemeten bij temperaturen tussen -30°C en +85°C, ten opzichte van de waarde onder de standaard testcondities. Met andere woorden, een apparaat kan aan de specificatie voldoen zolang de grafiek van de capaciteit versus temperatuur (gemeten met het gespecificeerde testsignaal, met gespecificeerde temperatuurhistorie, etc.) verticaal binnen het blauwe kader blijft en door de rode lijn gaat; buiten de horizontale (temperatuur)grenzen van het kader is alles mogelijk. Wanneer de temperatuurkarakteristiek wordt meegerekend, zien we dat deze (nominaal) 470 pF condensator een capaciteit kan hebben tussen 76 en 630 pF (behalve bij 25°C) en toch volledig binnen de specificatie kan blijven. Met de toevoeging van verouderings- en spanningseffecten als variabelen kan de werkelijk waargenomen capaciteit over een nog breder bereik variëren zonder de gespecificeerde limieten van het apparaat te overschrijden. Het onderscheid tussen "tolerantie" en "temperatuurkarakteristiek" is hier duidelijk heel belangrijk; een ontwerper die ten onrechte denkt dat het apparaat een waarde binnen 10% van de nominale waarde zal vertonen, zal waarschijnlijk teleurgesteld zijn als de toepassing ooit veel afwijkt van kamertemperatuur. Vergelijk P/N 490-3271-2-ND en 490-5920-2-ND; beide condensatoren van 0,1 uF, 25 V in een EIA 0402 verpakking. De eerste gebruikt een klasse III diëlektricum met een Y5V-karakteristiek, heeft een tolerantie van -20%~+80% en een catalogusprijs per eenheid van $0,00399 in hoeveelheid op het moment van schrijven. De laatste gebruikt een klasse II diëlektricum met een X5R karakteristiek, heeft een +/-10% tolerantie en wordt verkocht voor $0,00483. De tolerantiebanden en vensters die het resultaat zijn van het verdisconteren van de temperatuurkarakteristieken zijn samen uitgezet in de grafiek rechts in Afbeelding 10. Net als bij de vorige grafiek zijn apparaten die van de lopende band komen binnen de specificaties als hun werkelijke capaciteit als functie van de temperatuur binnen hun respectieve vakje blijft en door de verticale lijn bij 25°C gaat. Het X5R (klasse II) apparaat blijft meer dan drie keer dichter bij de nominale waarde dan het Y5V (klasse III) apparaat en doet dit over een breder temperatuurbereik, terwijl de verhouding tussen maximale en minimale apparaatwaarden als gevolg van de gecombineerde effecten van fabricagevariabiliteit en temperatuur bijna tien keer lager is voor het klasse II apparaat. Met minder dan 1/10e van een cent kun je een verlaging van de vereiste ontwerpmarges, een verbeterde productieopbrengst, minder testvereisten, een langere levensduur van het product, enz. kopen. Zulke voordelen zouden elke cent waard zijn, maar ze kosten niet zoveel.

Spanningscoëfficiënt van capaciteit

Keramische condensatoren vertonen veranderingen in capaciteit met variaties in het DC-biasniveau. Anders gezegd, het meten van de capaciteit van een apparaat met een 1_VP-P grootte golf met een gemiddelde van 0 V zal een andere (meestal grotere) waarde opleveren dan wanneer hetzelfde apparaat getest wordt met een 1 V sinusgolf met een DC-offset van 10 V. Het effect komt voort uit spanningen die worden uitgeoefend op de kristalstructuur van het diëlektricum als gevolg van een toegepaste spanningsgradiënt en schaalt bijgevolg met de dikte van het diëlektricum/de spanningswaarde van het apparaat; als al het andere gelijk is (wat zelden het geval is...) zal een apparaat met een nominale spanning van 100 _VDC een DC-bias nodig hebben die vier keer zo groot is als die van een apparaat met een nominale spanning van 25 _VDC om dezelfde proportionele verandering in capaciteit te vertonen. Het is geen verrassing dat het effect ook wordt beïnvloed door de diëlektrische formulering. EIA klasse I diëlektrica vertonen relatief kleine spanningscoëfficiënten, waarbij de waargenomen capaciteit hooguit een paar procent (vaak minder) verandert als de DC bias wordt gevarieerd tussen 0 en 100% van de nominale spanning van een apparaat. EIA klasse II diëlektrica worden duidelijk meer beïnvloed door DC bias, waarbij capaciteitsveranderingen in de orde van 20-60% normaal zijn. Dergelijke variaties zijn zeker niet te versmaden, maar zijn beduidend minder ernstig dan die van EIA Klasse III diëlektrica, die gewoonlijk capaciteitsvariaties vertonen van 80-90% of meer over hun nominale spanning. Nee, dat is geen typefout; de effectieve capaciteit van een keramische kap met een EIA klasse III diëlektrisch materiaal kan met een orde van grootte veranderen, simpelweg als gevolg van DC bias. Het effect kan ook ongunstig niet-lineair zijn; sommige apparaten kunnen verminderingen in capaciteit van 75% vertonen wanneer ze worden bevooroordeeld tot slechts 20% van hun nominale DC-spanning. Wat het nog erger maakt, is dat het effect cumulatief is (hoewel niet lineair additief) met temperatuureffecten. -100 -80 -60 -40 -20 0 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Capaciteitsverandering (%) DC Bias (V) DC Bias Kenmerken 0402(CGB2A1X5R1C105K033BC) 0603(C1608X5R1C105K080AA) 0805(C2012X5R1C105K085AA).

Figuur 11: De invloed van pakketgrootte op DC bias effect. Bron: Gegevens van TDK Components Characteristic Viewer online tool.

Wat misschien nog verrassender (en verraderlijker) is, is de relatie tussen de grootte van het DC bias effect en de grootte van de behuizing. Het proppen van steeds grotere capaciteiten in steeds kleinere verpakkingen brengt op een gegeven moment compromissen met zich mee, zoals geïllustreerd in afbeelding 11, die capaciteitsverandering laat zien als functie van DC bias voor drie verschillende 1 uF/16 V/ X5R condensatoren uit de productserie van dezelfde fabrikant; het belangrijkste verschil tussen hen is simpelweg de grootte van de verpakking. De kosten van de kleinere verpakking zijn duidelijk; het apparaat in een EIA0805-verpakking (groen) vertoont een verlies van een paar procent aan capaciteit bij een 5 V bias, terwijl het agressievere apparaat in een 0402-verpakking (blauw) bijna 70% verliest onder dezelfde omstandigheden, en het apparaat in een 0603-verpakking (rood) daar ergens tussenin valt. Gezien het feit dat veel toepassingen zowel een DC bias als een belang in het handhaven van een bepaalde minimumcapaciteit hebben (bijvoorbeeld uitgangsfilters voor spanningsregelaars met lage uitval), is het duidelijk dat onwetendheid hier een onaangename straf kan opleveren. Helaas zijn beschrijvingen van deze spanningsafhankelijke effecten geen de-facto onderdeel van de datasheets van apparaten, waardoor het gemakkelijk is om het bestaan ervan over het hoofd te zien of onwetend te blijven, en waardoor het vergelijken van verschillende producten bemoeilijkt wordt. Wees er echter van verzekerd dat ze bestaan en houd hier rekening mee bij het maken van apparaatkeuzes.

Kraken

Door de brosse en relatief inflexibele aard van keramische materialen is mechanische schade de belangrijkste oorzaak van defecten in keramische condensatoren. Elektrische storingssymptomen kunnen zich manifesteren als een vermindering van de capaciteit en kortsluiting of open circuits. In sommige gevallen lijken deze symptomen te komen en gaan met invloeden van buitenaf, zoals de temperatuur. Soms zijn scheuren in keramische condensatoren met het blote oog zichtbaar, andere keren zijn ze te klein om te zien, of verbergen ze zich aan de onderkant van een gemonteerd apparaat of aan de rand van een terminal. Mechanische schade wordt meestal veroorzaakt door een van de volgende mechanismen:

• Doorbuiging van de printplaat tijdens assemblage of als gevolg van koppelingskrachten, ruwe behandeling, enz.
• Thermisch veroorzaakte spanningen door temperatuurschommelingen of assemblagewerkzaamheden.
• Directe schade door verkeerde behandeling voor of tijdens montage.

Meerlaagse keramische chips (MLCC) zijn verreweg het vaakst het slachtoffer van scheuren vanwege de nauwe mechanische koppeling tussen het keramische materiaal, de aansluitingen en de printplaat. De relatief lange en flexibele terminals van door-gat of loodframe-gemonteerde apparaten verminderen de krachten die worden uitgeoefend op het keramische condensatorlichaam als gevolg van temperatuurschommelingen of printplaatflexie, waardoor barsten veel minder een probleem is bij deze apparaten. Voor toepassingen onder zware bedrijfsomstandigheden zijn MLCC's ontworpen met verbeterde mechanische flexibiliteit tussen de terminals en het keramische apparaatlichaam, evenals apparaten die zijn ontworpen om het risico van kortsluitingsfouten te beperken. Veel van de oorzaken van het barsten van condensatoren zijn gerelateerd aan de assemblage en vallen buiten de directe controle van de ontwerper; het is bijvoorbeeld de verantwoordelijkheid van de assembleur om te voorkomen dat componenten worden geplet of verbrijzeld tijdens pick & place-bewerkingen en om te zorgen voor de juiste voorverwarmings- en afkoelperioden voor de gebruikte assemblageprocessen. Andere factoren zoals de hoeveelheid soldeerpasta die gebruikt wordt of de dikte van het stencil zijn een gedeelde verantwoordelijkheid, terwijl factoren zoals de grootte van de pad, de layout van de printplaat en de pakketselectie volledig bij de ontwerper liggen. Gedetailleerde besprekingen van MLCC-scheurverschijnselen en het vermijden daarvan zijn beschikbaar in de industriële literatuur en zullen hier kortheidshalve niet worden herhaald. Enkele vuistregels voor de ontwerper die uit deze hard verworven kennis zijn gedestilleerd, zijn echter de volgende:

• Kies een ervaren, kwaliteitsbewuste montageaannemer.
• Vermijd thermische schokken; golfsolderen en traditionele soldeerbouten zijn bijzonder riskante assemblage- en revisiemethoden voor MLCC's.
• Verminder de grootte van componenten; grotere apparaten ervaren grotere spanningen als gevolg van de buiging van de printplaat en zijn kwetsbaarder voor schade door thermische schokken. Apparaten in 0805 (2012 metrisch) of kleinere verpakking worden aanbevolen.
• Wees uiterst voorzichtig bij het singuleren van gepaneelde platen na assemblage om doorbuiging van de plaat te voorkomen. Het handmatig breken van arrays langs scorelijnen is de minst geprefereerde methode, met een schaar niet ver daarachter. Gebruik indien mogelijk een zaag of een andere scheidingsmethode die geen buigspanning op de printplaat uitoefent.
• Houd MLCC's uit de buurt van printplaatranden, connectoren, montagegaten, grote/zware componenten, paneellipjes of andere punten waar mechanische spanningen op de printplaat kunnen komen. Een minimale afstand van 5 mm wordt aanbevolen.

Veroudering

Keramische condensatoren zijn onderhevig aan een verouderingsverschijnsel dat verband houdt met veranderingen in de diëlektrische kristalstructuur, die zich manifesteren als veranderingen in capaciteit en dissipatiefactor na het aanvankelijke bakken van het diëlektrische materiaal. In overeenstemming met gevestigde patronen zijn de EIA klasse I diëlektrische materialen het minst aangetast en worden ze algemeen beschouwd als niet-verouderend, terwijl de EIA klasse II diëlektrische materialen matig zijn aangetast en de EIA klasse III materialen over het algemeen vrij ernstig zijn aangetast. Dit verouderingsproces kan worden gereset (of een apparaat kan worden "ont-ouderd") door het bloot te stellen aan een temperatuur boven de curietemperatuur van het diëlektricum gedurende een periode die lang genoeg is om de kristalstructuur opnieuw te laten vormen; hoe hoger de temperatuur, hoe korter de benodigde tijd. Aangezien de curietemperatuur van veel keramische diëlektrica lager is dan die van veel soldeerprocessen, is het waarschijnlijk dat apparaten op zijn minst gedeeltelijk verouderd zijn tijdens de assemblage. Dit verouderingsgedrag van een apparaat wordt meestal weergegeven als een procentuele verandering in capaciteit per decade-uur, ten opzichte van de capaciteit zoals gemeten bij de "laatste verhitting"; de laatste keer dat het apparaat lang genoeg boven de curietemperatuur werd verhit om de kristalstructuur volledig te hervormen. Anders gezegd, een condensator met een (-) verouderingssnelheid van 5% die 100 uF meet in zijn "verse oven" staat zal naar verwachting ongeveer 95, 90 en 85 uF meten nadat hij respectievelijk 1, 10 en 100 uur uit de oven is geweest. Dit roept natuurlijk vragen op over wat de nominale capaciteit van het apparaat zou moeten zijn, als die hoeveelheid continu verandert, zelfs als een apparaat ongebruikt in de originele verpakking op een plank ligt. De industriestandaarden EIA-521 en IEC-384-9 gaan in op deze vraag en stellen in essentie dat een apparaat 1000 uur (ongeveer 42 dagen) na de laatste verhitting moet voldoen aan de gespecificeerde tolerantiewaarden. De volgende tien uur markeringen (10K en 100K uur) vertalen zich respectievelijk in iets meer dan 1 jaar en 11 jaar. Wat de zaken nog ingewikkelder maakt, is dat het verouderingsproces afhankelijk is van de temperatuur; tot aan de curietemperatuur van het diëlektricum versnelt een verhoging van de apparaattemperatuur het verouderingsproces over het algemeen. Aangezien verouderingsverschijnselen ervoor kunnen zorgen dat apparaten buiten de opgegeven toleranties lijken te vallen, is het belangrijk dat testpersoneel bij productontwerp en productie hiermee rekening houdt; bij het testen van recentelijk gevloeide assemblages moet rekening worden gehouden met wat hogere capaciteitswaarden en het ontwerp moet voldoende marge hebben om goed te functioneren naarmate apparaten verouderen. Stroomconversieschakelingen zijn een goed voorbeeld van waar dit effect acute gevaren met zich mee kan brengen, omdat keramische condensatoren vaak een sterke invloed hebben op de regelkring van dergelijke schakelingen, hetzij als compensatienetwerkcomponenten of als filterelementen. Een systeem dat stabiel lijkt onder invloed van een condensator die tijdens de assemblage verouderd is, kan na verloop van tijd minder stabiel worden omdat het verlies aan capaciteit door veroudering de dynamica van de regelkring beïnvloedt. Het belangrijkste is dat als een stabiele capaciteitswaarde in de loop van de tijd belangrijk is, condensatoren die sterk verouderen vermeden moeten worden. Als Sisyphus een figuur uit de 21e eeuw was, dan was zijn taak misschien het afstemmen van een actief filter dat was gebouwd met opbouw Y5V keramische chipcondensatoren...

Piëzo-effect/microfonie

De IEC klasse 2 (EIA klasse II en III) keramische diëlektrica zijn met name piëzo-elektrisch van aard, wat resulteert in een niet onbelangrijk transductiemechanisme tussen elektrische en mechanische domeinen. Het aanbrengen van een spanning op een piëzo-elektrisch materiaal veroorzaakt mechanische vervorming en omgekeerd zorgt het mechanisch vervormen van een piëzo-elektrisch materiaal ervoor dat er een spanning op komt te staan. Dit kan vooral problematisch zijn bij MLCC's voor opbouwmontage vanwege de nauwe mechanische koppeling tussen de condensator en de printplaat. Aan de ene kant kunnen rimpelspanningen over een condensator vertaald worden in hinderlijke hoorbare ruis; aan de andere kant kunnen externe mechanische trillingen als signalen gekoppeld worden aan een elektronisch circuit. Keramische condensatoren op basis van klasse 1 diëlektrica worden het minst beïnvloed, omdat deze diëlektrics weinig tot geen piëzo-elektrisch effect vertonen. Het elektrisch-mechanische transductiemechanisme via het elektrostatische effect (inherent aan alle condensatoren) bestaat echter nog steeds, dus hoewel over het algemeen verwaarloosbaar voor klasse I apparaten, zijn microfonische effecten toch nog steeds aanwezig.

Elektrode metallurgie

De elektrodematerialen in MLCC's volgen een van de twee algemene metallurgische paden, die edelmetaalelektrodesystemen (NME) of basismetaalelektrodesystemen (BME) worden genoemd. Hoewel dit geen algemeen selectiecriterium is voor de meeste toepassingen, resulteren de twee technologieën wel in verschillende eigenschappen die opgemerkt moeten worden. Edelmetaalelektroden zijn meestal gebaseerd op een palladium-zilverlegering en kunnen ook edelmetaalelektroden (PME) worden genoemd, omdat edelmetalen (die relatief niet-reactief zijn, vooral met zuurstof) meestal ook duur zijn. Aangezien deze elektrodematerialen worden gebruikt vanwege hun lage reactiviteit en niet omdat ze duur zijn, zou men kunnen stellen dat de eerste term de juiste is, hoewel verstand en marketing het op dit punt niet eens lijken te zijn... Basismetaalelektroden zijn meestal gebaseerd op nikkel. Het belangrijkste probleem vanuit productieoogpunt is hoe de elektrodemetalen chemisch reageren bij de hoge temperaturen die nodig zijn om de keramische diëlektrische materialen te bakken; de edele metalen elektrodesystemen kunnen de aanwezigheid van meer zuurstof bij hogere temperaturen verdragen en kunnen dus worden gemaakt met lucht-atmosfeerovens en diëlektrische formuleringen die zuurstof nodig hebben om goed uit te harden. Elektrodesystemen op basismetaal hebben niet dezelfde tolerantie voor zuurstof bij hoge temperaturen en moeten dus worden vervaardigd met andere apparatuur en diëlektrische formules. De NME-benadering was de oorspronkelijke route en heeft een aantal voordelen in termen van betrouwbaarheid en opgebouwde ervaring in de sector. Bijgevolg wordt een groot deel van de zeer betrouwbare en mil-spec producten die op het moment van schrijven beschikbaar zijn, geproduceerd met behulp van dit proces. De belangrijkste nadelen zijn de hoge kosten van elektrodematerialen en een lagere haalbare capaciteit per volume in vergelijking met BME-apparaten, door het typische gebruik van dikkere diëlektrische lagen in NME-apparaten als gevolg van karakteristieke materiaal- en procesverschillen.

Apparaatfuncties, opties en gerichte toepassingen

Automotive

Condensatoren op de markt gebracht als "automotive" types zijn ontworpen voor toepassing in mechanisch veeleisende omgevingen, zoals auto's. Meestal worden ze ook geproduceerd en getest in overeenstemming met een bepaald protocol, zoals de AEC-Q200 standaard, opgesteld door de Automotive Electronics Council, die testmethoden en prestatieniveaus voorschrijft voor verschillende stressmechanismen zoals ESD, mechanische kracht uitgeoefend op de aansluitingen, piekspanningen, enz.

Gecontroleerde ESR

Condensatoren aangeduid als "gecontroleerde ESR"-types zijn ontworpen met een kleine hoeveelheid opzettelijk toegevoegde ESR om de "Q"-factor van de L-C kring te verminderen die gecreëerd wordt door een capaciteit met zijn parasitaire inducties. Dit is handig voor toepassingen zoals het ontkoppelen van voedingssporen, waar de aanwezigheid van bescheiden hoeveelheden ESR het "rinkelen" van een condensator met spoorinductantie kan dempen, of anti-resonantiecondities tussen parallelle condensatoren kan helpen voorkomen.

Epoxy monteerbaar

Apparaten die worden aangeduid als epoxy monteerbaar zijn ontworpen om te worden gemonteerd met behulp van geleidende lijmen in plaats van de gebruikelijke soldeerprocessen. Het verschil zit voornamelijk in de materialen die worden gebruikt voor het afwerken van de terminals, die verschillen om een goede hechting te krijgen voor de te gebruiken montagemethode; standaard soldeerprocessen werken niet goed met apparaten die met epoxy kunnen worden gemonteerd en omgekeerd. Epoxy montage is voordelig in toepassingen die onderhevig zijn aan grote, frequente temperatuurschommelingen (zoals automobieltoepassingen) waar de verhoogde mechanische flexibiliteit van een epoxyverbinding ten opzichte van een soldeerverbinding de mechanische spanningen vermindert die optreden als gevolg van de verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten tussen printplaat, soldeerverbinding en condensatorbehuizing. Epoxy bevestiging is ook handig voor toepassingen die gevoelig zijn voor warmte, zoals LCD-schermen.

Zwevende elektrode

Apparaten die worden aangeduid als "zwevende elektrode"-types zijn in feite samengesteld uit meerdere condensatoren in serie met binnenelektroden die niet zijn aangesloten op een van de aansluitklemmen van het apparaat, maar die in plaats daarvan "zweven". Het doel van deze constructiemethode is in de eerste plaats om het risico op kortsluitingsfouten te verminderen die vaak optreden als secundair effect van condensatorbreuk, maar het biedt ook voordelen in termen van robuustheid tegen ESD en piekspanningen.

Hoge temperatuur

Apparaten die zijn aangeduid als "hoge temperatuur" zijn (niet verrassend) bedoeld voor toepassingen met temperaturen die hoger liggen dan die van de meeste elektronische apparatuur. Gewoonlijk betekent dit ook "breed temperatuurbereik", omdat apparaten met deze aanduiding meestal ook worden gespecificeerd voor gebruik tot aan de onderkant van de gebruikelijke bedrijfstemperatuurbereiken voor elektronische apparaten. Wat niet direct opvalt aan deze aanduiding is dat de meeste apparaten met deze aanduiding een nogal indrukwekkende parameterstabiliteit vertonen voor hun soort, met betrekking tot zowel temperatuur als vaak ook DC bias.

Hoogspanning/Arc Guard™/Arc Shield™

Condensatoren met "Hoogspanning" en/of eigen antiboogaanduidingen zijn ontworpen voor gebruik bij toepassingsspanningen die hoger zijn dan wat typisch is voor elektronische apparaten. De definities van "hoogspanning" verschillen per fabrikant, maar de scheidslijnen lijken te liggen tussen 100 V en 1 kV. Bij dergelijke potentialen begint MLCC-technologie last te krijgen van vlamboogvorming tussen aansluitpunten of tussen een aansluitpunt en een elektrode die via de buitenste bekleding van het apparaat met het andere aansluitpunt is verbonden. Dit is natuurlijk geen goede zaak. Hoewel vlamboogvorming een probleem wordt voor elke component bij voldoende hoge spanningen, is MLCC-technologie bijzonder kwetsbaar omdat de compacte constructie de twee apparaataansluitingen en hun aangesloten elektroden noodzakelijkerwijs zeer dicht bij elkaar plaatst, waardoor het risico van diëlektrische breuk en vlamboogvorming toeneemt. Het apparaat groter maken om dit te compenseren is een optie, maar dit gaat ten koste van een sterk verhoogd risico op barsten van het apparaat. Apparaten zoals de Arc Guard™ en Arc Shield™ productreeksen zijn ontworpen om deze effecten te beperken en de afweging tussen het risico op defecten door diëlektrische breuk en het risico op mechanische breuk te verbeteren.

Hoge Q/laag verlies/lage dissipatiefactor

Apparaten die op de markt worden gebracht als types met hoge Q, laag verlies of lage dissipatiefactor zijn ontworpen om ESR te minimaliseren. Typisch worden deze apparaten gemaakt van klasse I diëlektrische materialen en gebruikt in RF of andere hoogfrequente toepassingen waar bijna-ideale condensatoren wenselijk zijn voor frequentiediscriminatiedoeleinden.

Geïntegreerde ontluchtingsweerstand

Apparaten met deze aanduiding integreren een parallel geschakelde weerstand om ervoor te zorgen dat er geen lading op de condensator achterblijft of wordt opgebouwd wanneer de apparatuur niet van stroom wordt voorzien. Op het moment van schrijven vermeldt DigiKey slechts 3 onderdeelnummers met deze aanduiding, die allemaal niet op voorraad zijn en forse prijskaartjes dragen. Hoe komt dat? De voorgestelde toepassingen op de marketingpagina (eerste pagina) van het gegevensblad voor deze apparaten zijn onder andere "detonatieapparaten" en "elektronische afvuurinrichtingen", die niet bepaald het soort dingen zijn die je op de meeste gegevensbladen van condensatoren ziet. (Nee, er zijn geen toepassingsadviezen beschikbaar...)

Laag VSV

Keramische condensatoren met een laag ESL-gehalte zijn ontworpen om de serie-inductantie te minimaliseren. In het geval van surface-mounted MLCC's is het grootste deel van deze inductantie niet intrinsiek aan het onderdeel zelf, maar eerder gerelateerd aan de geometrie van de behuizing en de aansluitdraden op het circuit. MLCC's met lage ESL zijn dus voor het grootste deel geometrische en loodconfiguratievarianten van standaardapparaten. Apparaten met meerdere terminals en lage ESL gebruiken meerdere fysieke terminals voor elke logische condensatorterminal en verweven ze zodanig dat de magnetische velden die worden gecreëerd door stromen die het apparaat binnenkomen en verlaten grotendeels worden geannuleerd, wat resulteert in een lagere inductantie. Reverse Geometry keramische condensatoren plaatsen de apparaatterminals aan de lange zijden van een condensator in plaats van aan de uiteinden, zoals gebruikelijk is bij andere apparaten. Gestapelde keramische condensatoren met een lage ESL-waarde voegen meerdere MLCC-apparaten samen op een bedradingsframe, waardoor ze als een enkele eenheid kunnen worden gehanteerd en geassembleerd en wat voordelen biedt op het gebied van verminderd risico op scheuren en microfonische effecten. De beschrijving van zulke apparaten als "lage ESL" is een soort marketingtruc omdat het alleen accuraat is in de context van een appels met peren vergelijking met verschillende condensatortechnologieën. In vergelijking met dezelfde keramische condensatoren die rechtstreeks op een printplaat zijn gemonteerd, zullen apparaten die op een loden frame zijn gemonteerd (waardoor ze boven de printplaat uitkomen) een aanzienlijk grotere ESL vertonen. De X2Y-aanduiding voor lage ESL MLCC's is een handelsmerk en mag NIET worden verward met de gelijksoortig uitziende veiligheidsaanduidingen zoals "X1Y2". Hoewel er een kleine gelijkenis is tussen de twee apparaatgroepen als het gaat om de reden waarom ze worden gebruikt, zijn de apparaten zelf radicaal verschillend. X2Y-condensatoren met een laag ESL-niveau zijn berekend op slechts 6,3 V en mogen elke keer kortsluitingen maken, terwijl apparaten met een veiligheidsnorm piekspanningen van kV moeten kunnen verdragen en kortsluitingsfouten als de pest moeten vermijden. Dat gezegd hebbende, hebben X2Y condensatoren met een lage ESR-waarde aanzienlijke voordelen voor toepassingen in de ontkoppeling van laagspanningsvoedingen, common-mode filtering en soortgelijke toepassingen. Hun onderscheidende kenmerk is hun constructie met 4 aansluitingen; twee aansluitingen zijn elektrisch met elkaar verbonden en fungeren zowel als een "doorgeef"-aansluiting als een gemeenschappelijke aansluiting voor twee afzonderlijke condensatoren binnen het apparaat, die elk een van de resterende aansluitingen gebruiken voor hun tweede elektrodeaansluiting. De geometrie van deze opstelling maakt het mogelijk om de lay-outgerelateerde inductantie te verminderen voor ontkoppelingstoepassingen, onderdrukking van de common mode, enz.

Laag profiel

Condensatoren met een laag profiel zijn dunner gemaakt dan typische apparaten van vergelijkbare lengte en breedte om het gebruik in toepassingen met sterke hoogtebeperkingen te vergemakkelijken. Er zijn apparaten verkrijgbaar met diktemetingen van slechts 0,006" (0,15 mm). Opgemerkt moet worden dat de gereduceerde dikte van deze apparaten ze kwetsbaarder maakt voor scheuren door buiging van de printplaat, waardoor zorgvuldige ontwerp-, assemblage- en verwerkingsprocedures dubbel zo belangrijk zijn in het licht van het feit dat toepassingen die vragen om de extra millimeter of twee van de hoogtevermindering die deze apparaten bieden, waarschijnlijk ook dunnere (en dus flexibelere) circuitsubstraten gebruiken.

Leger

Producten die zijn aangemerkt als "militair" en zijn aangeschaft onder het gestandaardiseerde onderdeelnummeringsschema van het Amerikaanse leger, worden geproduceerd volgens specificaties die zijn vastgesteld door het leger, in het belang van productconsistentie bij meerdere leveringsbronnen. Traditionele "mil-spec" standaarden beschreven niet alleen het wat, maar ook het hoe van de productie, in een poging om uniformiteit en uitwisselbaarheid van producten van verschillende leveranciers te garanderen. Nieuwere MIL-PRF normen zijn gebaseerd op prestaties en specificeren hoe een product moet presteren, terwijl de precieze methoden om het doel te bereiken grotendeels aan de fabrikant worden overgelaten. De flexibiliteit die de laatste benadering biedt, geeft meer ruimte voor het invoeren van nieuwe technologieën en productieprocessen met een iets groter risico op variatie in productgedrag tussen fabrikanten en in de loop van de tijd. In beide gevallen is een "echt" militair product dat wordt aangeschaft volgens militaire specificaties nogal duur vanwege de uitgebreide test- en documentatievereisten. Als middenweg zijn er producten beschikbaar die geproduceerd zijn volgens militaire specificaties maar op de markt worden gebracht als standaard commerciële producten, echter zonder de uitgebreide documentatie.

Niet-magnetisch

Niet-magnetische condensatoren worden gemaakt van materialen die niet worden aangetrokken of beïnvloed door magneten en hebben geen invloed op een magnetisch veld waarin ze worden geplaatst. Ze worden na de productie vaak gescreend om er zeker van te zijn dat het eindproduct deze eigenschappen behoudt. Dergelijke producten worden gebruikt in medische beeldvorming en diagnostische apparatuur, navigatiesystemen, laboratoriumapparatuur en andere toepassingen waarbij het ongewenst is dat een apparaat wordt beïnvloed door magnetische velden of velden vasthoudt die de werking van het toepassingscircuit of andere apparatuur beïnvloeden.

Open modus

MLCC's die op de markt worden gebracht als "open modus" apparaten zijn ontworpen om het risico van kortsluitingen of storingen met lage impedantie, die kunnen optreden als gevolg van mechanisch scheuren, te verlagen. Een gebruikelijke aanpak om dit doel te bereiken is om het gebied van overlapping tussen de twee sets elektroden te verkleinen, zodat het typische pad van spanningsscheuren in de printplaat niet door het gebied loopt waar de elektroden elkaar overlappen. Hierdoor wordt het beschikbare actieve gebied in de condensator verkleind, met als gevolg dat de maximale capaciteitswaarden die haalbaar zijn in een bepaalde verpakkingsgrootte kleiner worden. Deze benadering kan worden gecombineerd met zwevende elektrode- en zachte beëindigingstechnologieën om de risico's van door barsten veroorzaakte MLCC-defecten verder te beperken. Hoewel open MLCC's het risico op kortsluitingsfouten sterk verminderen, moet worden opgemerkt dat de kans op dergelijke fouten nog steeds niet nul is. Als de kans op kortsluitingsfouten nog verder moet worden verkleind, wordt in de industriële literatuur het gebruik van twee in serie geschakelde apparaten voorgesteld die onder een hoek van 90° ten opzichte van elkaar zijn georiënteerd.

Zachte/flexibele beëindiging

MLCCs die op de markt worden gebracht met zachte of flexibele terminaties zijn ontworpen om een verbinding te bieden tussen de metalen eindterminal en het keramische condensatorlichaam die mechanisch meer meegaand is dan die in standaard MLCCs. Dit vermindert het risico op barsten door de hoeveelheid spanning te verminderen die op het keramische materiaal wordt uitgeoefend als gevolg van het buigen van de printplaat of temperatuurschommelingen.

Wat zijn elektrische dubbellaagse condensatoren?

Elektrische dubbele laag en supercaps:

Constructie van het apparaat en onderscheidende kenmerken:

Elektrische dubbellaagse condensatoren (ELDC's) en supercondensatoren zijn een groep elektrolytische apparaten die gekenmerkt worden door een extreem hoge capaciteit per volume en een laag voltage, meestal niet meer dan een paar volt. Constructietypes en werkingsprincipes van deze apparaten verschillen en zijn onderwerp van lopende R&D inspanningen, maar gemeenschappelijke thema's zijn het gebruik van elektrodematerialen met een extreem hoog oppervlak per volume (zoals actieve kool, aerogels, etc.) en de afwezigheid van een conventioneel vast diëlektricum. In plaats van conventionele keramische, polymere of metaaloxidediëlektrica zoals die in andere condensatortypes worden gevonden, vertrouwen ELDC's, supercondensatoren en vergelijkbare apparaten met andere namen op verschillende elektrochemische, elektrostatische en ladingsoverdrachtseffecten die extreem kleine ladingsscheidingsafstanden bieden; de afstand waarmee de "platen" van de condensator worden gescheiden, wordt gewoonlijk gemeten in fracties van een nanometer. Voor praktische doeleinden kunnen ELDC's, supercaps en soortgelijke apparaten met een andere naam worden beschouwd als een soort middenweg tussen traditionele condensatoren en secundaire (oplaadbare) cellen. Ze hebben een energieopslagdichtheid die hoger is dan die van traditionele condensatoren, maar lager dan die van elektrochemische cellen, ESR-waarden die hoog zijn volgens de normen voor condensatoren, maar laag volgens de normen voor elektrochemische cellen, en een bijna onbeperkte levensduur vergeleken met de levensduur van chemische cellen van slechts een paar honderd tot een paar duizend cycli. Net als bij elektrochemische cellen kunnen meerdere ELDC's worden geïntegreerd in een enkele behuizing om een samengesteld apparaat met een hogere nominale spanning te krijgen. De combinatie van hoge ESR en slechte lineariteit in vergelijking met andere soorten condensatoren maakt ELDC's en supercaps ongeschikt voor de meeste signaal- en hoogfrequentietoepassingen (>kHz), maar ze zijn heel bruikbaar voor energieopslag op menselijke schaal. Binnen dit domein is er een continuüm van apparaten bedoeld voor verschillende toepassingen. Kleinere apparaten kunnen ESR-waarden hebben van wel een paar honderd ohm en zijn bedoeld voor toepassingen zoals geheugen- en real-time klokreservevoedingen met stroomvereisten op uA-niveau. Aan de andere kant staan apparaten met fractionele-milliohm ESR's, bedoeld voor gebruik in toepassingen met stromen in de honderden ampères, zoals regeneratieve remsystemen voor voertuigen.

Bereik van beschikbare capaciteiten en spanningen:

Figuur 12 toont de spannings- en capaciteitswaarden van ELDC's en supercondensatoren die op het moment van schrijven op voorraad waren bij DigiKey. Merk op dat de verticale schaal eenheden van Farads heeft, in tegenstelling tot de eenheden van microfarads die je in soortgelijke grafieken vindt.

Afbeelding 12: Plot van capaciteitswaarden vs. spanningswaarden voor ELDC/supercondensatoren en reeksen daarvan die verkrijgbaar zijn via DigiKey op het moment van schrijven.

Veelvoorkomende faalmechanismen/kritische ontwerpoverwegingen:

Variaties in technologie tussen apparaten onder de ELDC/supercap paraplu sluiten een gedetailleerde bespreking van faalmechanismen en kritische ontwerpoverwegingen voor de groep als geheel uit. Vanuit een toepassingsperspectief is het echter voldoende om op te merken dat de zorgen die van toepassing zijn op aluminium elektrolytische condensatoren min of meer direct overgaan op ELDC's en supercaps:

• Ze bevatten een vloeibare elektrolytoplossing die onderhevig is aan verdamping, en de vuistregel van Arrhenius die een halvering van de levensduur van het apparaat voorspelt voor elke 10°C temperatuurstijging geldt. Opgemerkt moet worden dat de temperatuurwaarden voor veel ELDC's/supercaps relatief laag zijn en dat zelfverhittingseffecten significant kunnen worden in toepassingen met langdurige laadcycli. Veel apparaten op de printplaat verdragen geen reflow-soldeerprocessen en vereisen daarom speciale zorg tijdens de assemblage.
• Ze mogen niet worden gebruikt boven hun nominale spanning. Dit veroorzaakt defecten door verlies van elektrolyt en/of diëlektrische breuk. Dit is met name relevant in het geval van apparaten die organische elektrolyten bevatten, omdat materialen die vrijkomen bij een storing behoorlijk giftig kunnen zijn.
• Ze vertonen aanzienlijke diëlektrische absorptie en veranderingen in de eigenschappen van het apparaat als functie van de temperatuur. Bovendien is de lekstroom vaak vrij hoog in ELDC's/supercaps, vooral in samengestelde apparaten die bestaan uit in serie geschakelde condensatoren. Vaak vereisen dergelijke apparaten een of andere vorm van circuit om de spanning die op elke cel wordt aangelegd in evenwicht te houden om een overspanningstoestand op een bepaalde cel te voorkomen die wordt veroorzaakt door onevenwichtigheden in de capaciteit of lekstroom.
• Condensatoren vertonen een lineair verband tussen de ladingstoestand en de uitgangsspanning volgens de vergelijking Q=C*V. Dit verschilt van elektrochemische cellen die over het algemeen een breed, min of meer vlak plateau in uitgangsspanning hebben als functie van hun ladingstoestand. In veel/meeste toepassingen betekent dit dat er een vorm van vermogensbeheer nodig is om de volledige capaciteit van een ELDC/supercap te benutten.

Wat zijn filmcondensatoren?

Afbeelding 13: Voorbeelden van filmcondensatoren in verschillende behuizingsstijlen en draadconfiguraties. (Niet op schaal)

Constructie van het apparaat

Apparaten in de categorie filmcondensatoren zijn elektrostatisch van aard en worden gemaakt van diëlektrische materialen zoals papier of verschillende polymeren die tot dunne vellen of "films" worden gevormd en worden afgewisseld met elektrodematerialen om een condensator te vormen. De term "filmcondensator" verwijst in het algemeen naar elk apparaat dat met dit soort proces wordt gemaakt en de term "film" verwijst naar de aard van het gebruikte diëlektrische materiaal. Wanneer de term "metaal" wordt gebruikt als een kwalificatie voor "film" zoals in "metaalfilm" of "gemetalliseerde film", is het een meer specifieke verwijzing naar een filmcondensator subtype waarbij de elektrodes zijn opgebouwd op een ondersteunend substraat in een zeer dunne (10'en nanometer) laag, meestal door middel van een vacuüm depositieproces. Het gebruikte substraat dient vaak ook als diëlektrisch materiaal voor de condensator, hoewel dit niet altijd het geval is. Een "folie"-elektrodecondensator gebruikt daarentegen een elektrodemateriaal dat meer lijkt op huishoudaluminiumfolie, dat dik genoeg is (in de orde van micrometers) om mechanisch zelfdragend te zijn.

Afbeelding 14: Illustratie van het onderscheid tussen metaalfilm- en folie-elektrodestijlen in filmcondensatoren.

Filmcondensatoren gebaseerd op metaalfilmelektroden hebben het voordeel dat ze zelfhelend zijn; het elektrodemateriaal in de buurt van een gelokaliseerde fout in het diëlektricum is dun genoeg om verdampt te worden door de lekstroom die door de fout veroorzaakt wordt, waardoor de fout verdwijnt (of "opgeruimd" wordt) ten koste van wat verloren capaciteit. Dit zelfherstellend vermogen maakt het gebruik van dunnere diëlektrica mogelijk dan anders haalbaar zou zijn omwille van betrouwbaarheid of productierendement en resulteert in een hoge capaciteit per volume. Het voordeel van folie-elektrodecondensatoren is dat de dikkere elektroden resulteren in een lagere ESR, waardoor een betere RMS en gepulseerde stroomverwerking mogelijk is ten koste van het zelfherstellend vermogen en een verlaging van de haalbare capaciteit per volume. Er worden talloze slimme combinaties en aanpassingen van de basistypes film- en folie-elektroden gebruikt. Zo worden bijvoorbeeld folie- en filmelektroden vaak gecombineerd in één apparaat, met behulp van een "zwevende elektrode"-configuratie, die (net als gelijksoortige keramische condensatoren) in feite twee of meer in serie geschakelde condensatoren zijn. Door de "buitenste" elektroden van het folietype te maken en de "zwevende" elektroden van het folietype, kan men een condensator realiseren met een goede stroomverwerking, een zelfherstellend vermogen en een verbeterde capaciteit per volume. Een andere veelgebruikte techniek is het gebruik van filmelektroden met patronen. Door een elektrode op te delen in een aantal onderling verbonden segmenten, kunnen de onderlinge verbindingen fungeren als zekeringen die de hoeveelheid stroom beperken die beschikbaar is voor een foutlocatie tijdens een zelfherstellende gebeurtenis, waardoor het risico op cascade- of kortsluitingsfouten wordt beperkt.

Gebruikelijke toepassingen:

Filmcondensatoren in een of andere vorm zijn de dominante condensatortechnologie in vermogenstoepassingen waarbij de spanning op het apparaat wordt omgekeerd. Gemetalliseerde folietypen zijn zeer geschikt voor veiligheidstoepassingen vanwege hun zelfherstellende eigenschappen en hun vermogen om open te vallen onder vele storingsomstandigheden. Metaalfolietypes worden vaak gebruikt in toepassingen waar hogere rimpelspanningsamplitudes worden verwacht, zoals bij het starten/draaien van AC-motoren of het leveren van capacitieve reactantie voor bulkstroomdistributie. Bovendien worden filmcondensatoren vaak gebruikt in laagspanningssignaaltoepassingen waar relatief hoge capaciteitswaarden en lineariteit en stabiliteit bij temperatuur vereist zijn, zoals in analoge audioverwerkingsapparatuur. In toepassingen zoals DC busfiltering waar de polariteit over het apparaat niet wordt omgekeerd, kunnen filmcondensatoren een alternatief zijn voor aluminium elektrolytische types (of omgekeerd). Bij het vergelijken van filmcondensatoren met aluminium elektrolytische types met een vergelijkbare spanning en capaciteit, zijn filmcondensatoren meestal ongeveer een factor 10 groter en duurder, maar hebben ze ESR-waarden die ongeveer een factor 100 lager zijn. Het ontbreken van een vloeibaar elektrolyt bij filmcondensatoren elimineert het probleem van uitdroging en ESR-toename bij lage temperaturen zoals bij aluminiumelektrolytische apparaten, en ze hebben geen last van diëlektrische degradatie tijdens langere perioden van onbruik op de manier waarop aluminiumelektrolytische apparaten dat wel hebben. Bovendien kan de lagere ESR-karakteristiek van filmcondensatoren het gebruik van een kleinere capaciteitswaarde mogelijk maken dan vereist zou zijn met een elektrolytisch apparaat in sommige toepassingen, wat het kostennadeel van filmtechnologie ten opzichte van elektrolytische types compenseert.

Veelvoorkomende faalmechanismen/kritische ontwerpoverwegingen:

Hoewel filmcondensatoren over het algemeen vrij duurzaam zijn, zijn ze gevoelig voor enkele slijtagemechanismen op lange termijn. Na verloop van tijd verzwakken de gebruikte diëlektrische materialen, worden ze broos en neemt hun spanningsbestendigheid af, wat uiteindelijk leidt tot een diëlektrische breuk. Het proces wordt versneld door temperatuur en spanningsstress en het verminderen van beide kan de levensduur verlengen. Afhankelijk van de ernst van de diëlektrische breuk kunnen de getoonde faalwijzen variëren van relatief goedaardig tot behoorlijk spectaculair. Een lichte storing die wordt opgevangen door de zelfherstellende eigenschappen van een filmcondensator zal zich manifesteren als een stapsgewijze vermindering van de capaciteit. Naarmate er na verloop van tijd meer van zulke voorvallen optreden, veroorzaakt het cumulatieve effect een afname in capaciteit en een toename in ESR, tot het punt waarop de prestaties van het apparaat niet langer binnen de specificaties vallen en het wordt beschouwd als parametrisch defect. In een extremer geval, dat kan volgen op een parametrische storing als parametrisch defecte apparaten niet uit bedrijf worden genomen, kan een cascadestoring optreden als de thermische energie die vrijkomt tijdens het zelfherstellende proces leidt tot extra diëlektrische defecten in de buurt. Omdat bij zelfherstellende gebeurtenissen delen van de condensator uit het circuit worden verwijderd, worden de spanningen bij de toepassing opnieuw verdeeld over een steeds kleiner wordend deel van het apparaat naarmate de zelfherstelling vordert, waardoor de spanningen toenemen op de delen van het apparaat die effectief in het circuit blijven. Het volgende zwakste deel van de condensator gaat dan kapot en stort zijn last op wat overblijft, wat leidt tot meer defecten, meer spanningsconcentratie, meer defecten, enz. op een exponentiële manier. Als dit proces snel genoeg verloopt, kunnen de gasvormige bijproducten van het zelfgenezingsproces voldoende druk opbouwen om de behuizing van het apparaat met geweld te laten scheuren. Grotere apparaten hebben vaak een ontluchtingsmechanisme om schade door rondvliegend puin te beperken/voorkomen wanneer dit gebeurt, en kunnen ook een zekeringsmechanisme hebben om het apparaat uit het circuit te halen in het geval van een interne overdrukconditie. Merk op dat parametrische storingen als gevolg van herhaaldelijk zelfherstellend vermogen eenvoudigweg een tussenpunt kunnen zijn op de route naar een meer catastrofale, explosieve storing als apparaten die parametrisch hebben gefaald in bedrijf worden gelaten. Een andere overspanningsfout in filmcondensatoren treedt op wanneer de piekstroomlimieten worden overschreden, als gevolg van een zekeringachtige actie in het gebied waar de "platen" van de condensator aansluiten op de externe draden. Dit is vooral gebruikelijk bij de gemetalliseerde filmtypes vanwege hun zeer kleine elektrodikte en de daaruit voortvloeiende delicate verbinding met de buitenwereld. Veel filmcondensatoren specificeren een maximale spanningsverandering (dV/dt) die over de condensator moet worden aangelegd. Dit komt neer op het specificeren van een piekstroom door het apparaat aangezien I(t)=C*dV/dt, hoewel spanningen meestal handiger te meten zijn dan stromen. Milieuomstandigheden spelen ook een rol in de levensduur van filmcondensatoren. Net als bij andere apparaten verkort een hoge temperatuur de levensduur aanzienlijk. Langdurige blootstelling aan omgevingen met een hoge vochtigheidsgraad of wascycli na de assemblage kunnen leiden tot het binnendringen van vocht in een apparaat via onvolkomenheden in de epoxy-metaalafdichtingen rond de afleidingen van het apparaat of via diffusie door de polymeerbehuizing van een apparaat. Het binnendringen van vocht is op meerdere fronten slecht; het tast het diëlektrische materiaal aan en bevordert corrosie van de elektrodematerialen. Vooral bij apparaten met een metaallaag waar de elektroden om te beginnen slechts enkele tientallen nanometers dik zijn, is er heel weinig corrosie nodig om problemen te veroorzaken. Daarnaast kunnen omgevingen met veel trillingen ook problemen opleveren door mechanische defecten aan de afleidingen van het apparaat of de bevestiging tussen de afleidingen en elektroden te veroorzaken, of door problemen met het binnendringen van vocht te verergeren. De dominante factoren in de betrouwbaarheid en levensduur van filmcondensatoren zijn toegepaste spanning, gevolgd door temperatuur. De levensduurmodellen van leveranciers variëren, maar zijn over het algemeen gebaseerd op het nemen van de verhouding tussen nominale en toegepaste spanning met een grote exponent (meestal tussen 5 en 10), terwijl de invloed van de temperatuur de Arrhenius-relatie volgt van een factor 2 verandering met elke temperatuurstijging van 10°C. Tussen deze twee effecten voegt het verlagen van de spanning met 30% en van de temperatuur met 20°C bijna twee cijfers achter de komma toe aan de schatting van de levensduur.

Diëlektrische types, eigenschappen en beoogde toepassingen:

Acryl:

Acrylaatmaterialen zijn relatief nieuw als diëlektrisch materiaal voor filmcondensatoren. Momenteel beschikbare apparaten worden vaak op de markt gebracht als reflow-compatibele filmalternatieven voor keramische diëlektrica die piëzo-elektrische effecten en verlies van capaciteit met DC bias vermijden, of als tantaalalternatieven met een lagere ESR.

Papier:

Kraftpapier was een van de vroegste diëlektrische materialen die gebruikt werden voor filmcondensatoren vanwege de lage kosten en beschikbaarheid vóór de ontwikkeling van moderne polymeren. Papier wordt vaak geïmpregneerd met was, diverse oliën of epoxy om holtes op te vullen en vochtabsorptie tegen te gaan. De lage diëlektrische sterkte en het hoge vochtabsorptievermogen hebben ervoor gezorgd dat papier grotendeels uit de gratie is geraakt als diëlektrisch materiaal, hoewel het nog steeds beperkt wordt gebruikt in toepassingen die extreem kostengevoelig zijn of waar wijzigingen in de bestaande specificaties zeer moeilijk te realiseren zijn. Vanwege het relatieve gemak waarmee metaalfilms kunnen worden aangebracht op papier in vergelijking met polymere materialen, wordt papier soms niet gebruikt als diëlektrisch materiaal op zich, maar als mechanische drager van gemetalliseerd elektrodemateriaal, waarbij een niet-gemetalliseerd polymeer zoals polypropyleen dient als het eigenlijke diëlektricum.

Polyester/polyethyleentereftalaat (PET):

Polyester, ook bekend als polyethyleentereftalaat of PET, is naast polypropyleen een van de meest gebruikte diëlektrische materialen in filmcondensatoren. Ten opzichte van polypropyleen heeft polyester over het algemeen een hogere diëlektrische constante, een lagere diëlektrische sterkte, een hogere temperatuurtolerantie en hogere diëlektrische verliezen. In een notendop zijn polyester diëlektrica goed voor filmcap-toepassingen die kwantiteit van capaciteit belangrijker vinden dan kwaliteit en die geen oppervlakte monteerbare vormfactor vereisen. Er bestaan bepaalde formuleringen van polyester ontworpen voor hoge temperatuurtolerantie die het gebruik van polyester filmcondensatoren in opbouwverpakking vergemakkelijken, hoewel deze apparaten relatief weinig voorkomen.

Polyethyleennaftalaat (PEN):

Polyethyleennaftalaat (PEN) is een polymeer diëlektrisch materiaal dat ontworpen is om hogere temperaturen te verdragen, waardoor filmcondensatortechnologie gebruikt kan worden in opbouwverpakkingen die geschikt zijn voor reflow. In het toepassingsconcept kan het worden gezien als een reflow-compatibele versie van polyethyleen (PET), waarbij kwantiteit van capaciteit belangrijker is dan kwaliteit. In ruil voor het verkrijgen van reflow soldeercompatibiliteit, geeft PEN een beetje specifieke capaciteit (capaciteit per volume) op, heeft het een hogere diëlektrische absorptie en is het gevoeliger voor vochtabsorptiekwesties, hoewel de dissipatiefactor bij lage frequentie iets verbeterd kan zijn ten opzichte van polyethyleen.

Polypropyleen (PP):

Polypropyleen heeft de laagste diëlektrische verliezen, de laagste diëlektrische constante en de laagste maximale werktemperaturen van de veelgebruikte diëlektrische filmcondensatoren. Het vertoont ook een van de hoogste diëlektrische sterktes van deze polymeren, evenals een goede temperatuurstabiliteit. In het algemeen is polypropyleen een diëlektricum bij uitstek voor filmcap-toepassingen waarbij de kwaliteit van de capaciteit belangrijker is dan de kwantiteit ervan. Vanwege de lage temperatuurtolerantie zijn diëlektrische materialen van polypropyleen niet compatibel met reflow-soldeerprocessen en daarom worden ze bijna uitsluitend gebruikt in een of andere vorm van through-hole of chassis-mount packaging. Vanwege de superieure verlieskarakteristieken zijn polypropyleen filmcondensatoren een ideaal apparaat in toepassingen met hoge stromen en hoge frequenties, zoals inductieverwarming en thyristor commutatie, evenals in toepassingen waar een stabiele, lineaire capaciteit gewenst is en andere soorten condensatoren om de een of andere reden niet beschikbaar of niet haalbaar zijn.

Polyfenyleensulfide (PPS):

Diëlektrica van polyfenyleensulfide (PPS) kunnen worden beschouwd als een reflow-compatibel alternatief voor polypropyleen voor toepassingen waarbij de kwaliteit van de capaciteit belangrijker is dan de kwantiteit. In vergelijking met polypropyleen vertonen PPS-condensatoren een hogere specifieke capaciteit en dissipatiefactor over het bereik van toepasbare frequenties met een factor van ongeveer 2 tot 3, hoewel de stabiliteit van de capaciteit over het temperatuurbereik iets verbeterd is.

Andere diëlektrica

Een aantal diëlektrische materialen voor filmcondensatoren zijn gekomen en gegaan met de tijd, of zijn in de vergetelheid geraakt. Hoewel ze niet direct beschikbaar of aan te raden zijn voor gebruik in nieuwe toepassingen, worden ze hier genoemd ter referentie en vergelijking.

Polycarbonaat

Polycarbonaat is een harde, transparante thermoplast die vaak wordt gebruikt om lenzen te maken voor veiligheidsbrillen, helmvizieren of andere schokbestendige optiek. De productie ervan voor gebruik als diëlektrische film werd rond het jaar 2000 stopgezet en de resterende materiaalvoorraden voor condensatortoepassingen zijn grotendeels verbruikt. Als diëlektrisch materiaal was het vrij goed, met elektrische eigenschappen die vergelijkbaar waren met die van polypropyleen, maar in de meeste gevallen iets minder goed, maar met superieure temperatuurkarakteristieken die het gebruik in het militaire temperatuurbereik (-55°C tot +125°C) mogelijk maakten met relatief stabiele parameters en vaak zonder de-rating bij hogere temperaturen. Polyfenyleensulfide (PPS) wordt vaak genoemd als een beschikbaar alternatief dat waarschijnlijk geschikt is voor toepassingen waarbij voorheen apparaten op basis van polycarbonaat werden gebruikt.

Polyimide

Polyimide is een hogetemperatuurpolymeer dat vaak wordt verkocht onder de handelsnaam Kapton en dat in veel elektronicatoepassingen wordt gebruikt als substraat voor flexibele circuits. Als diëlektricum voor condensatortoepassingen biedt het matige prestaties die vergelijkbaar zijn met polyester/PET, hoewel de hoge temperatuurstabiliteit werking mogelijk maakt bij verhoogde temperaturen van meer dan 200°C. Hoewel de hoge diëlektrische sterkte mogelijkheden suggereert voor apparaten met een goede volumetrische dichtheid, hebben moeilijkheden bij het produceren van het spul als een zeer dunne film de aantrekkingskracht/beschikbaarheid van condensatoren op basis van dit diëlektrische materiaal beperkt.

Polystyreen

Polystyreen filmcondensatoren zijn op dit moment grotendeels uitgestorven, voornamelijk vanwege de assemblage- en fabricageproblemen die gepaard gaan met een zeer lage temperatuurtolerantie van slechts 85°C. Bij bescheiden bedrijfstemperaturen zijn de elektrische prestaties van polystyreencondensatoren vrij goed en een tijd lang waren dergelijke apparaten de keuze bij uitstek wanneer stabiliteit en elektrische prestatiekenmerken de drijvende selectiecriteria waren. Voor het grootste deel zijn deze apparaten vervangen door polypropyleen filmcondensatoren.

Polysulfon

Polysulfon is een stijve, transparante thermoplast die zowel elektrisch als qua prijs en beschikbaarheid lijkt op polycarbonaat.

Teflon/PTFE

"Teflon is een handelsnaam van DuPont en omvat een aantal fluorpolymeren, voornamelijk polytetrafluorethyleen (PTFE), hoewel ook fluorethyleenpropyleen (FEP) en andere stoffen onder de naam Teflon vallen. Deze polymeren zijn over het algemeen zeer stabiel en bezitten veel bewonderenswaardige kwaliteiten als precisiediëlektrica, waaronder een hoge temperatuurtolerantie en een uitstekende stabiliteit in tijd, temperatuur, spanning en frequentie, enz. De mechanische eigenschappen van PTFE-films en de moeilijkheden bij het metalliseren ervan maken de productie van foliecondensatoren op basis van PTFE een moeilijke en dure aangelegenheid, zodat er maar weinig van dergelijke apparaten op de markt zijn.

Wat zijn Mica/PTFE-condensatoren?

Figuur 15: Mica condensatoren in verschillende verpakkingsformaten. (Niet op schaal)

Constructie van het apparaat

Mica is een natuurlijk voorkomende groep mineralen die gekenmerkt wordt door het vermogen om zich gemakkelijk te splitsen in vlakke, dunne lagen, waarbij het specifieke type dat bekend staat als "muscoviet" mica de voorkeur geniet voor condensatortoepassingen. Als diëlektricum biedt mica een uitstekende stabiliteit in de tijd en bij toegepaste spanning, een lage temperatuurcoëfficiënt, hoge temperatuurtolerantie, zeer goede diëlektrische sterkte en lage verlieskarakteristieken over een breed frequentiebereik. Afgezien van het feit dat het uitstekende diëlektrische materialen zijn, heeft mica (een natuurlijk voorkomend mineraal) bijna niets gemeen met PTFE (een synthetisch fluorpolymeer), maar omdat er minstens één serie condensatoren op de markt is die PTFE gebruikt in plaats van mica voor sommige capaciteitswaarden, worden beide materialen in de rubriek genoemd... De constructie van mica condensatoren varieert afhankelijk van de toepassing, hoewel er overeenkomsten zijn met keramische en filmtypes. Of het mica nu gebruikt wordt als monolithische vellen gekloofd uit een brok ruw materiaal, of als een "papier" gemaakt van vele kleine vlokken, een elektrode/terminal aanhechtingslaag (meestal zilver) wordt aan twee kanten afgezet, en dan ofwel afzonderlijk gebruikt (zoals een keramisch apparaat met één laag) samen gelaagd zoals een MLCC, of gewikkeld zoals een filmcondensator. Vroege apparaten die voor de ontwikkeling van metallisatieprocessen werden gemaakt, klemden platen mica mechanisch samen met elektrodfolies. Net als andere ingeklemde condensatoren was de stabiliteit en betrouwbaarheid van deze apparaten inferieur aan modernere types en ingeklemde mica condensatoren zijn dus op zijn minst sinds de Tweede Wereldoorlog verouderd.

Gebruikelijke toepassingen:

Mica condensatoren zijn een technologische tijdgenoot van de vacuümbuis en zijn van oudsher het favoriete apparaat als er een stabiele capaciteit van hoge kwaliteit nodig was. Net als bij de vacuümbuis hebben nieuwere technologieën met een betere prijs/prestatieverhouding de overhand gekregen en de mica-technologie verbannen naar nichemarkten waar ongewone stressfactoren zoals nucleaire straling, extreme temperaturen of hoogspanning de kosten van een mica-apparaat rechtvaardigen.

Afbeelding 16: Plot van capaciteitswaarden vs. spanningswaarden voor Mica/PTFE-condensatoren die op het moment van schrijven verkrijgbaar waren via DigiKey.

Veelvoorkomende faalmechanismen/kritische ontwerpoverwegingen:

Moderne mica condensatoren zijn over het algemeen erg betrouwbaar door de stabiliteit van de materialen die gebruikt worden bij de fabricage, en kunnen voor de meeste toepassingsdoeleinden op dezelfde manier behandeld worden als een keramisch C0G apparaat. Mechanisch veroorzaakte defecten door trillingen, schokken, thermische cycli, enz. zijn allemaal mogelijk, net als bij andere condensatortypes, en elektrodecorrosie door binnendringend vocht is ook een potentieel probleem.

Wat zijn tantaalcondensatoren?

Afbeelding 17: Tantaalcondensatoren in verschillende behuizingsconfiguraties. (Niet op schaal)

Constructie van het apparaat en onderscheidende kenmerken

Tantaalcondensatoren zijn elektrolytische apparaten die voornamelijk worden gebruikt wanneer een compact, duurzaam apparaat met relatief stabiele parameters nodig is en een bescheiden capaciteit en spanningsbereik voldoende zijn. Traditioneel zijn de voordelen van tantaal ten opzichte van aluminium elco's gevonden in termen van capaciteit per volume, parameterstabiliteit bij hoge temperatuur en lange levensduur; tantaal heeft over het algemeen geen last van uitdrogingsproblemen of problemen met diëlektrische degradatie bij langdurige opslag in ontladen toestand. Tantaal is echter over het algemeen duurder, heeft een beperkter bereik van beschikbare capaciteits- en spanningswaarden, is gemaakt van zeldzamere materialen die meer onderhevig zijn aan onderbrekingen in de toevoer en kan speciale zorg vereisen bij het ontwerp, vanwege de neiging van sommige subtypes om met groot enthousiasme te falen.

Afbeelding 18: Plot van capaciteitswaarden versus spanningswaarden voor tantaalcondensatoren die op het moment van schrijven verkrijgbaar waren via DigiKey.

Figuur 18 toont de combinaties van spanning en stroom voor verschillende soorten tantaalcondensatoren die op het moment van schrijven verkrijgbaar waren bij DigiKey. Ongeacht het subtype is de anodeconstructie van tantaalcondensatoren vergelijkbaar; fijn verpoederd tantaalmetaal van hoge zuiverheid wordt in de gewenste vorm gegoten en bij hoge temperatuur gesinterd om de afzonderlijke metaalpoederkorrels te versmelten tot een zeer poreuze massa die bekend staat als een "slak" met een extreem hoog inwendig oppervlak voor zijn volume. Het diëlektricum van de condensator wordt dan elektrochemisch gevormd in een vloeibaar bad, waarbij een laag tantaalpentoxide (_Ta2O5) wordt gevormd over het gehele interne oppervlak van de slug, ongeveer op dezelfde manier als het diëlektricum van aluminium elektrolytische condensatoren wordt gevormd. Vanaf dit punt loopt de constructie van de verschillende tantaalsubtypes uiteen, waarbij de verschillende kathodesystemen die worden gebruikt de eigenschappen van de verschillende types bepalen.

_Ta/MnO2 kappen

Er zijn drie basis kathodesystemen in gebruik die aanleiding geven tot de verschillende subtypes van tantaalcondensatoren: mangaandioxide (_MnO2), geleidend polymeer en "nat". Bij het mangaandioxide systeem worden de tantaalslakjes na de diëlektrische vorming in een reeks mangaannitraat (Mn(_NO3)2)-oplossingen gedompeld en na elke onderdompeling gebakken, waardoor de vloeibare oplossing wordt omgezet in vast (half)geleidend mangaandioxide dat grondig doordringt in de microstructuur van de tantaalslak en dient als kathode van het apparaat. Een laag interfacemateriaal zoals grafiet wordt dan aangebracht om te voorkomen dat het _MnO2 reageert met de metaallaag (meestal zilver) die nodig is om iets te hebben om een loodje aan te bevestigen, voordat de hele assemblage wordt verpakt in epoxy en getest voor verzending. Het eindproduct is een solid-state elektrolytische condensator met een hoge specifieke capaciteit, geen uitdrogingsproblemen, goede betrouwbaarheid, relatief goede stabiliteit over temperatuur en een nogal vervelende manier van falen... Omdat de samenstelling en constructie van een _tantaal-MnO2 condensator vergelijkbaar is met die van een rotje (een fijn verdeeld metaal in een intiem mengsel met een stof die zuurstof afgeeft bij verhitting) staan deze condensatoren erom bekend dat ze op pyrotechnische wijze falen, gekenmerkt door explosies en/of hevige vlammenuitbarstingen. Om deze reden is het aan te raden om ze met bijzondere zorg te selecteren en toe te passen.

Militair/hoge betrouwbaarheid/fail safe

Er zijn enkele praktische verbeteringen aangebracht aan de basistechnologie voor _{Ta/MnO2-condensatoren} en er zijn mechanismen beschikbaar om het risico op defecten te beperken of in ieder geval te kwantificeren. Producten die zijn aangemerkt als militair en zijn aangeschaft onder een MIL-spec onderdeelnummer, worden geproduceerd en getest volgens de voorschriften van de MIL-specificatie waarnaar wordt verwezen. MIL-specificaties vragen vaak ook om een (niet-RoHS-conforme) afwerking met loodlagerminals, wat de algehele betrouwbaarheid van het systeem ten goede komt vanwege het verminderde risico op tinfluistervorming en lagere piektemperaturen tijdens de assemblage. Onderdelen met een hoge betrouwbaarheid worden vaak gebouwd als MIL-spec-materialen met verschillende labeling en eindafwerking, maar kunnen ook technologische verbeteringen bevatten die nog niet zijn goedgekeurd door MIL-spec-bestuursorganen. In elk geval zijn Hi-Rel producten die deze naam waardig zijn gescreend, getest en/of ingebrand om een statistische garantie van betrouwbaarheid te bieden. Faalveilige apparaten bevatten een soort smeltmechanisme om kortsluitingsstoringen om te zetten in open-storingsstoringen voordat ze kunnen uitgroeien tot open-vlamstoringen. Deze mechanismen zijn niet perfect, maar ze verminderen het risico op brandstichtende fouten met enkele decimalen.

Tantaal polymeer

Tantaalpolymeercondensatoren hebben helemaal geen mangaandioxide meer en gebruiken in plaats daarvan een geleidend polymeer als kathodemateriaal. Door de lagere weerstand van de gebruikte polymeermaterialen in vergelijking met _MnO2, hebben tantaalpolymeercaps over het algemeen betere ESR- en rimpelstroomspecificaties, evenals betere prestaties bij hoge frequenties in vergelijking met hun tegenhangers op _MnO2-basis. De nadelen van polymeerkathodesystemen zijn onder andere een beperkter temperatuurbereik, een grotere gevoeligheid voor vocht en een verminderde efficiëntie van zelfgenezing die bijdraagt aan hogere lekstromen.

Nat tantaal

Zoals de naam al aangeeft, gebruiken natte tantaalcondensatoren een vloeibaar elektrolyt in hun kathodesystemen. Omdat het moeilijk is om aan een vloeistof te solderen, is er een kathode tegen-elektrode nodig om het circuit te voltooien via de gesinterde tantaal anode slug, en het ontwerp van deze tegen-elektrode is een van de verschillen tussen de verschillende lijnen van natte tantaal apparaten. Moderne apparaten gebruiken hermetisch afgesloten/gelaste tantaalbehuizingen, die minder gevoelig zijn voor elektrolytlekkage en toleranter zijn voor incidentele spanningsomkeringen dan eerdere apparaten met een zilveren behuizing en elastomeerafdichting. De belangrijkste voordelen van natte tantaalapparaten zijn hun betrouwbaarheid en relatief hoge specifieke capaciteit; de vloeibare elektrolyt zorgt voor een continue zelfherstellende werking van het diëlektricum, wat leidt tot lage lekstromen en een hoger bereik van toepasbare bedrijfsspanningen. Door de weerstand van de vloeibare elektrolyt is de ESR van de meeste natte tantaalsoorten echter niet bijzonder goed, wat resulteert in capaciteitsverlies bij relatief lage frequenties. Natte tantaalsoorten zijn ook vrij duur, ruwweg 100x dat van een aluminium elektrolytisch apparaat met vergelijkbare vermogens. Alles bij elkaar maken deze factoren natte tantaal tot een soort nichetechnologie, die je vooral aantreft in het soort toepassingen waarbij falen geen optie is en geld geen rol speelt; ruimtevaart/satelliettoepassingen, levensbelangrijke vliegtuigelektronicasystemen, enzovoort.

Faalmechanismen en ontwerpoverwegingen

Voor tantaal in het algemeen

De belangrijkste oorzaak van diëlektrische fouten in tantaalcondensatoren zijn onzuiverheden in de tantaalpoeders waaruit de anodeslakken worden gevormd. Net als de gaten die ontstaan wanneer wegwerkers niet de moeite nemen om aangereden dieren uit de weg te halen wanneer ze lijnen op wegen verven, resulteren onzuiverheden in het tantaal in gebreken in de diëlektrische laag. Omdat het diëlektricum in een tantaalcondensator om te beginnen maar een paar nanometer dik is, kunnen zelfs hele kleine onzuiverheden problemen veroorzaken. Andere diëlektrische fouten in tantaalcondensatoren worden mechanisch veroorzaakt. Omdat tantaalpentoxide een enigszins brosse, glasachtige stof is, kan het bij mechanische belasting breken. Vooral belangrijk zijn thermische uitzettingsspanningen tijdens soldeerbewerkingen wanneer onderdelen op een printplaat worden geassembleerd. Omdat deze spanningen fouten kunnen veroorzaken die ten tijde van de productie nog niet bestonden (en dus niet te detecteren zijn), is het defect raken van tantaalcondensatoren bij de eerste keer dat ze stroom krijgen na de assemblage een bekend fenomeen. Vanwege de zachtere, meer buigzame aard van polymeer kathodematerialen (en natuurlijk vloeibare kathodes) in vergelijking met mangaandioxide, hebben deze types een voordeel ten opzichte van condensatoren op basis van _MnO2 wat betreft kindersterfte.

Voor apparaten op _basis van MnO2

Het zelfherstellende mechanisme in _Ta/MnO2 condensatoren is gebaseerd op thermische ontbinding van het _MnO2 materiaal in het veel minder geleidende _Mn2O3. Wanneer de lekstroom in de buurt van een fout de plaatselijke temperatuur hoog genoeg doet oplopen, breekt het gebied van het _{MnO2-kathodemateriaal} dat stroom levert aan de fout af, waardoor de fout wordt geïsoleerd van verdere stroomstroming. Helaas genereert dit proces losse zuurstof: 2(_MnO2) + (energie) --> _Mn2O3 + O. Het verschil tussen een succesvolle zelfgenezing en een pyrotechnische mislukking is of deze zuurstof het tantaalmetaal vindt bij een temperatuur die hoog genoeg is om zelf te ontbranden. De omgevingstemperatuur en de hoeveelheid elektrische foutstroom die beschikbaar is om ohmse verwarming op een foutlocatie te veroorzaken, zijn beide factoren die het resultaat beïnvloeden.

_MnO2 ontwerpoverwegingen

Hoewel een zorgvuldige studie van de toepassingsliteratuur van fabrikanten wordt aanbevolen, worden de volgende richtlijnen met betrekking tot de toepassing van _Ta/MnO2 condensatoren aangeboden voor de ongeduldigen:

1. Gebruik serieweerstand: door de externe stroom die beschikbaar is voor een storing te beperken, wordt de kans dat een storingslocatie de kritische ontstekingstemperatuur bereikt aanzienlijk verkleind. In het verleden werd een serieweerstand van 1 tot 3 ohm per toegepaste volt aanbevolen. Moderne ontwerpen kunnen niet zoveel ESR verdragen en grotere apparaten kunnen voldoende elektrische energie bevatten wanneer ze opgeladen zijn om zichzelf te ontbranden als er plotseling een fout optreedt. In deze gevallen zijn de-rating en apparaatscreening bijzonder belangrijk.
2. De-rate spanning: Om de steady-state betrouwbaarheid (aanzienlijk) te verhogen, de-rate apparaten met de helft van de nominale spanning, en maar liefst 70% als de serieweerstand extreem laag is, in de orde van 0,01 ohm per toegepaste volt of minder. Als de stromen extern beperkt zijn, kan een de-rating van slechts 20% volstaan. Een verdere (samengestelde) de-ratingfactor voor temperatuur wordt aanbevolen, lineair oplopend van 0 bij 85°C tot 33% bij 125°C, hoewel productreeksen voor hoge temperaturen kunnen verschillen.
3. Voorzichtig inbranden: Veel tantaaldefecten treden op bij de eerste keer dat een geassembleerd apparaat wordt ingeschakeld, als gevolg van door de assemblage veroorzaakte diëlektrische fouten. Het vergemakkelijken van succesvolle zelfgenezing door geleidelijke toepassing van spanning via een stroombegrensde bron kan sommige van deze storingen voorkomen. Daaropvolgende blootstelling aan de maximaal verwachte elektrische en omgevingsbelastingen zal dienen als een beproevingstest, aangezien _Ta/MnO2 condensatoren die een bepaalde reeks belastingen eenmaal hebben doorstaan, deze waarschijnlijk bijna voor onbepaalde tijd zullen doorstaan.
4. Transiënte stroom beperken: Stroomstromen die hoger zijn dan de door de fabrikant opgegeven piekstroomlimiet moeten worden vermeden, inclusief stroomstromen die het gevolg zijn van niet-routinematige gebeurtenissen, zoals hot-plugging van batterijen of voedingen, kortsluitfouten van systeemuitgangen, enz. Bij afwezigheid van een piekstroomspecificatie wordt een waarde _{Imax<V/ratio/}(1+ESR) voorgesteld.
5. Rimpelspanning/temperatuurgrenzen in acht nemen: Rimpelspanningswaarden zijn meestal gebaseerd op de hoeveelheid rimpels die nodig zijn om een bepaalde stijging van de apparaattemperatuur boven de omgevingstemperatuur te veroorzaken. Met uitzondering van gevallen waarin de resulterende golfvormen de spannings- of piekstroomlimieten zouden schenden, zijn rimpelspanningslimieten een kwestie van thermisch beheer. Evalueer de testomstandigheden waaronder de rimpellimieten op de datasheet zijn gespecificeerd en pas deze limieten aan aan de werkelijke toepassingsomstandigheden.

Voor polymeer en natte tantaal

Als ze falen, worden tantaalpolymeercondensatoren meestal een warme weerstand, in plaats van een snel uitdijende wolk van hete gassen en granaatscherven. Hierdoor en door het kleinere risico op defecten die door assemblage worden veroorzaakt, zijn de vuistregels voor hun toepassingen iets eenvoudiger: verlaag de spanning met 20%, houd rekening met de aanbevolen limieten voor rimpelstromen en volg het aanbevolen verlagingsschema van de fabrikant bij verhoogde temperaturen. Voor natte tantaalsoorten vereisen het soort toepassingen dat de kosten van de onderdelen kan rechtvaardigen waarschijnlijk ook een gedetailleerde betrouwbaarheidsanalyse van het systeem per onderdeel, waardoor vuistregels minder waardevol zijn dan ze in andere toepassingen zouden kunnen zijn. Daarmee wordt een standaard de-rating factor van 20% voorgesteld en gebruikers wordt geadviseerd om rekening te houden met de relatief lage frequentierespons karakteristieken die gebruikelijk zijn bij deze apparaten.

Wat zijn niobiumoxide condensatoren?

Figuur 19: Een condensator van niobiumoxide.

Constructie van het apparaat en onderscheidende kenmerken

Condensatoren op basis van niobiumoxide zijn qua constructie vergelijkbaar met apparaten op basis van tantaal en mangaandioxide (_Ta/MnO2), maar gebruiken gesinterd niobiumoxide (NbO) in plaats van tantaalmetaal als anodemateriaal. Niobiumoxide condensatoren, voornamelijk geproduceerd door AVX als een alternatief voor _Ta/MnO2 condensatoren dat niet de vervelende neiging heeft om te deflagreren bij defecten en ook het potentieel heeft voor een verbeterde logistiek van de grondstoffenvoorziening, concurreren met tantaal polymeer apparaten voor een verscheidenheid aan toepassingen. De constructie van niobiumoxide condensatoren is vergelijkbaar met die van _Ta/MnO2 apparaten; het anodemateriaal bestaat uit een zeer poreuze, sponsachtige massa van niobium(mon)oxide (NbO) waarop een diëlektrische laag van niobium(pent)oxide (_Nb2O5) is aangebracht en waaromheen een tegenelektrode van mangaandioxide is opgebouwd, op een manier die vergelijkbaar is met de gebruikelijke _Ta/MnO2 apparaten. Condensatoren op basis van niobiummetaal (in plaats van het oxide NbO) en polymeerelektrolyttechnologieën zijn ook ontwikkeld, maar worden op het moment van schrijven nog niet in grote hoeveelheden geproduceerd.

Afbeelding 20: Plot van capaciteitswaarden versus spanningswaarden voor niobiumoxide condensatoren die op het moment van schrijven verkrijgbaar waren via DigiKey.

Waarom niobium?

Een tekort aan tantaal te midden van een grote vraag rond de millenniumwisseling zorgde ervoor dat tantaalcondensatoren een seizoen lang een zeldzaam en duur artikel waren, wat leidde tot productieproblemen die de ontwikkeling van apparaten op basis van niobium motiveerden. In vergelijking met tantaal, dat zijn voornaamste toepassing vindt in de elektronica-industrie, is niobium naar schatting ongeveer 20 keer meer overvloedig in de natuur en wordt het ook op grote schaal gebruikt als legeringselement in de staalproductie in hoeveelheden die veel groter zijn dan denkbaar is voor elektronicadoeleinden. Omdat er om te beginnen meer van dat spul is en de elektronica-industrie er niet de belangrijkste afnemer van is, werd gedacht dat niobium op de lange termijn de voorkeur zou krijgen boven tantaal.

Sterke en zwakke punten van de toepassing

Condensatoren van niobiumoxide/mangaandioxide hebben een belangrijk voordeel ten opzichte van hun tantaalverwanten, omdat ze over het algemeen niet ontbranden wanneer ze catastrofaal falen. Dit wordt toegeschreven aan de veel grotere hoeveelheid energie die nodig is om niobiumoxide te laten ontbranden in vergelijking met tantaal, en aan een secundair zelfherstellend effect waarbij het niobiumoxide anodemateriaal dat wordt blootgesteld aan een fout verder oxideert tot een minder geleidende toestand. Tussen deze twee effecten is het gedrag van condensatoren van niobiumoxide die catastrofale defecten vertonen, een kortsluiting met hoge impedantie in het Kohm-gebied; een waarde die hoog genoeg is om te voorkomen dat de resulterende foutstromen genoeg energie leveren om het apparaat te ontsteken bij nominale spanningen. In vergelijking met _{Ta/MnO2-apparaten} zijn _{NbO/MnO2-condensatoren} momenteel een beetje achterop wat prestaties betreft, omdat ze beperkt zijn tot spanningswaarden van 10 V of minder, lekstromen hebben die ruwweg het dubbele zijn van die van tantaalapparaten, een iets lagere capaciteit per volume hebben en een hogere temperatuurrating hebben boven 85°C. Aan de andere kant is "barst niet in vlammen uit" een heel mooie eigenschap om te hebben, en de betere beschikbaarheid van grondstoffen belooft lagere kosten. Hoewel de tantaalpolymeerbenadering van het pyrotechnische condensatorprobleem steeds populairder lijkt te worden, behoudt de niobiumoxidetechnologie naar verluidt voordelen op het gebied van lange levensduur en milieutolerantie, vooral in toepassingen met een hoge luchtvochtigheid. Als er geen andere reden is, dan is het een interessante technologie, simpelweg omdat het ter sprake brengen van het onderwerp bij de verkoop- en marketingmensen die de verschillende facties vertegenwoordigen, duidelijk verschillende perspectieven en meningen lijkt op te roepen...

Overwegingen bij de toepassing

Het ontstekingsbestendige karakter van condensatoren op basis van niobiumoxide maakt een agressievere toepassing van apparaten op basis van NbO mogelijk in vergelijking met hun tegenhangers op basis van tantaal. Terwijl de vuistregel voor het ontwerpen met _Ta/MnO2 condensatoren is om de spanning met 50% te verlagen (of meer als de serieweerstand erg laag is), heeft de toonaangevende fabrikant van op NbO gebaseerde apparaten (AVX) gesuggereerd dat het verlagen van de spanning met slechts 20% voldoende is voor een veilige werking. Extra ontwaarding boven deze niveaus kan de betrouwbaarheid op lange termijn van beide apparaattypes aanzienlijk verbeteren. Aangezien de interne structuur van het apparaat en de thermomechanische eigenschappen van de vaste _MnO2 elektrolyt blijven bestaan, wordt gebruikers van niobiumoxide condensatoren geadviseerd om rekening te houden met de kans op defecten die worden veroorzaakt door het assemblageproces.

Wat zijn silicium- en dunne-filmcondensatoren?

Figuur 21: Silicium- en dunne-filmcondensatoren in verschillende verpakkingsformaten. (Niet op schaal)

Constructie van het apparaat en onderscheidende kenmerken

Silicium- en dunnefilmcondensatoren zijn een relatief nieuwe generatie apparaten die worden gemaakt met behulp van gereedschappen, methoden en materialen die zijn geleend van de halfgeleiderindustrie. De nauwkeurige controle over structuur en materialen die deze technieken bieden, maakt de productie mogelijk van bijna ideale condensatoren met uitstekende parameterstabiliteit, minimale ESR & ESL, brede gebruikstemperatuurcapaciteiten en een vergelijkbare tot betere capaciteit per volume vergeleken met de klasse 1 keramische apparaten waarmee ze het meest direct concurreren. Hun belangrijkste nadelen zijn de hoge kosten en, daarmee samenhangend, een relatief beperkt bereik van beschikbare capaciteitswaarden. Het onderscheid tussen "dunne film" en "silicium" condensatoren, meestal gebaseerd op een silicium oxide/nitride diëlektricum, is iets van een marketing concessie, hoewel er significante verschillen bestaan binnen en tussen de twee, afhankelijk van de beoogde toepassing. Apparaten gericht op RF tuning & matching toepassingen zijn meestal apparaten met lage capaciteit, enkellaags geoptimaliseerd voor parameterstabiliteit en consistentie, en worden vaak aangetroffen in standaard JEDEC pakketformaten. Apparaten die bedoeld zijn voor de ontkoppeling van de voeding, breedband DC-blokkering en soortgelijke toepassingen staan daarentegen grotere toleranties toe ten gunste van een hogere specifieke capaciteit en zijn eerder te vinden in verpakkingen die geschikt zijn voor geavanceerde assemblagemethoden zoals draadbinding of inbedding in een PCB. Ongeacht de beoogde toepassing zijn apparaten in de dunnefilm- en siliciumcondensatorfamilies producten met topprestaties en dienovereenkomstig geprijsd, op het moment van schrijven iets in de orde van 5 tot 5000 keer de prijs van keramische apparaten met vergelijkbare capaciteit en spanningswaarden. Onderdelen die zijn ontworpen als zeer nauwkeurige apparaten concurreren meestal met keramische condensatoren op basis van C0G (NPO) diëlektrica, als een beter presterend alternatief voor RF- en microgolftoepassingen. Hoewel deze keramische apparaten van klasse I vrij goed zijn en na enkele decennia van verfijning hun ideaal benaderen, zorgen kenmerkende fabricageverschillen ervoor dat apparaten met dunne film/silicium een beetje beter zijn in termen van consistentie tussen apparaten en fabricageloten. Dunnefilm/siliciumcondensatoren met een hogere capaciteit concurreren directer met de klasse II keramiek op basis van X7R en X8R diëlektrica voor ontkoppeling en breedband DC-blokkeringstoepassingen. Voor deze doeleinden kunnen dunnefilm/siliciumapparaten aanzienlijke voordelen bieden, zoals een aanzienlijk lagere dissipatiefactor en een veel betere stabiliteit van de capaciteit bij temperatuur en spanning.

Afbeelding 22: Plot van capaciteitswaarden versus spanningswaarden voor silicium- en dunne-filmcondensatoren die op het moment van schrijven verkrijgbaar waren via DigiKey.

Wat zijn trimmercondensatoren en variabele condensatoren?

Afbeelding 23: Trim- en variabele condensatoren in verschillende stijlen en verpakkingstypes. (Niet op schaal)

Constructie van het apparaat en onderscheidende kenmerken

Trimmer" en "variabele" condensatoren zijn apparaten die een capaciteit leveren die variabel is binnen een bepaald bereik, waarbij het verschil tussen de twee termen vooral een kwestie van ontwerpintentie is; een "trimmer" condensator is meestal bedoeld om slechts een handvol keren tijdens zijn levensduur te worden aangepast, terwijl een "variabele" condensator voorziet in routine-aanpassingen. Er worden veel verschillende constructies gebruikt, maar op enkele uitzonderingen na zijn ze elektrostatisch en kunnen ze worden aangepast door het effectieve oppervlak tussen de elektroden, de afstand ertussen of misschien wel beide te veranderen.

Afbeelding 24: Plot van capaciteitswaarden versus spanningswaarden voor trimmer- en variabele condensatoren die op het moment van schrijven verkrijgbaar waren via DigiKey.

Een veelgebruikte ontwerpbenadering lijkt op twee kleine wielen op een gemeenschappelijke as, met op elk een halve cirkel (of vergelijkbare vorm) elektrodemateriaal. Door de draaihoek van de twee "wielen" ten opzichte van elkaar te veranderen, kan de effectieve capaciteit tussen de wielen worden gevarieerd. Daarnaast kan het veranderen van de vorm van de elektroden op elk "wiel" verschillende relaties opleveren tussen de roterende aanpassingshoek en de capaciteit van het apparaat, zoals nodig is voor een bepaalde toepassing. Een variatie op de benadering kan bestaan uit het gebruik van een wormwiel of een soortgelijke mechanische opstelling om de relatieve rotatie van de twee "wielen" te variëren en zo een hogere afstellingsresolutie binnen het variatiebereik van het apparaat te verkrijgen. Andere ontwerpen zijn variabele zuigercondensatoren, die werken door de mate van overlap tussen concentrische cilinders te variëren, en vacuümcondensatoren die een schroef of ander mechanisme gebruiken om de mechanische relatie tussen elektrodeplaten te variëren in een vacuüm dat in stand wordt gehouden door het gebruik van een flexibel membraan.

Algemeen gebruik en toepassingen

Trimmercondensatoren en variabele condensatoren worden over het algemeen gebruikt voor tuning- en matching-toepassingen in RF-circuits. Radio-ontvangers die de geselecteerde afstemfrequentie aangeven door een mechanische indicator langs een schaal te vegen (of omgekeerd) hebben meestal een mechanische koppeling tussen de indicator en de variabele condensator(en) die gebruikt worden in het afstemcircuit. De meeste van deze ontvangers zijn van oudere datum of hebben een lagere prijs/kwaliteit, hoewel moderne toepassingen nog steeds trimmercondensatoren kunnen bevatten voor fijnafstelling of kalibratiedoeleinden. Aan de andere kant zijn variabele condensatoren (het soort dat is ontworpen voor frequente aanpassing) iets van een bedreigde diersoort; het gebruik van alternatieve ontwerptechnieken die mogelijk worden gemaakt door betere fabricagetoleranties en nieuwere technologieën maakt de karakteristiek omvangrijke, wispelturige, mechanisch omslachtige en dure variabele condensator een minder gewenst ontwerpelement dan de alternatieven.

Veelvoorkomende faalmechanismen/kritische ontwerpoverwegingen

De grote variaties in apparaatconstructie die gevonden kunnen worden in trimmer- en variabele condensatoren sluiten een uitgebreide discussie over hun specifieke voor- en nadelen in dit document uit. Als men echter het basisprincipe achter een elektrostatische condensator beschouwt, kunnen de verdiensten van een bepaald apparaat vaak worden onderscheiden door observatie; alles wat het diëlektricum, de elektrodegeometrie of de elektrodepositionering beïnvloedt, zal de capaciteit van het apparaat beïnvloeden. Een luchtdiëlektrisch apparaat zal bijvoorbeeld bij een bepaalde instelling veranderingen in capaciteit vertonen bij veranderingen in barometerdruk, temperatuur en vochtigheid omdat al deze factoren de diëlektrische constante van lucht in geringe mate beïnvloeden. Ook een diëlektrische vacuümcondensator wordt beïnvloed door lekkage of vacuümverlies. Vanuit een mechanisch perspectief zal de stijfheid van de uiteindelijke assemblage de stabiliteit van de capaciteit beïnvloeden met betrekking tot mechanische schokken of trillingen, en het ontwerp van het afstelmechanisme zal ook de neiging tot verloop in de tijd beïnvloeden. Snelle referentiegids voor condensatoren De tabel op de volgende pagina geeft een kort overzicht van verschillende soorten condensatoren en hun relatieve verdiensten, ongeveer gerangschikt in termen van afnemende kwantiteit (of toenemende kwaliteit) van de capaciteit die elk type biedt.

Afbeelding 25: Snelle referentiegids voor condensatoren.

Voor meer informatie over condensatoren of als u vragen hebt, kunt u terecht op het DigiKey TechForum.