Posted on

Druhy kondenzátorů

Jaký druh kondenzátoru zvolit pro různé konstrukční celky v audio oboru? Jaké vlastnosti kromě kapacity a mezního napětí mají různé druhy kondenzátorů? Jaké jsou podstatné parazitní vlastnosti kondenzátorů a které jsou nepodstatné?  Má smysl kupovat předražené značkové kondenzátory?

V audio oboru, omezíme-li se na konstrukce zesilovačů, reproduktorových výhybek, a zdroje signálu jako DAC, CD, SACD a pod. rozlišujeme kondenzátory pro:

  • Zdrojovou část – napájení
  • Signálovou část – přenos NF signálu
  • Digitální část – blokovací, většinou odrušení

Základní rozdělení kondenzátorů

 

Capacitor style Dielectric Relative
Permittivity
at 1 kHz
Maximum/realized.
dielectric strength
V/µm
Minimum thickness
of the dielectric
µm
Ceramic capacitors,
Class 1
paraelectric 12–40 < 100(?) 1
Ceramic capacitors,
Class 2
ferroelectric 200–14,000 < 35 0.5
Film capacitors Polypropylene ( PP) 2.2 650/450 1.9 – 3.0
Film capacitors Polyethylene terephthalate,
Polyester (PET)
3.3 580/280 0.7–0.9
Film capacitors Polyphenylene sulfide (PPS) 3.0 470/220 1.2
Film capacitors Polyethylene naphthalate (PEN) 3.0 500/300 0.9–1.4
Film capacitors Polytetrafluoroethylene (PTFE) 2.0 450(?)/250 5.5
Paper capacitors Paper 3.5–5.5 60 5–10
Aluminum electrolytic capacitors Aluminium oxide
Al2O3
9,6[7] 710 < 0.01 (6.3 V)
< 0.8 (450 V)
Tantalum electrolytic capacitors Tantalum pentoxide
Ta2O5
26[7] 625 < 0.01 (6.3 V)
< 0.08 (40 V)
Niobium electrolytic capacitors Niobium pentoxide,
Nb2O5
42 455 < 0.01 (6.3 V)
< 0.10 (40 V)
Supercapacitors
Double-layer capacitors
Helmholtz double-layer 5000 < 0.001 (2.7 V)
Vacuum capacitors Vacuum 1 40
Air gap capacitors Air 1 3.3
Glass capacitors Glass 5–10 450
Mica capacitors Mica 5–8 118 4–50

Druhy kondenzátorů a jejich základní vlatnosti

Keramický kondenzátor

Keramický kondenzátor je pevný, nepolarizovaný, tvořený dvěmi a více vrstvami keramiky a kovovými elektrodami.

  • Třída 1 – Keramické kondenzátory s velkou přesností, stabilitou a nízkými ztrátami. Používají se především v rezonančních obvodech. Značení EIA/IEC kódem C0G/NP0, P2G/N150, R2G/N220, U2J/N750 atd.
  • Třída 2 – Keramické kondenzátory s velkou kapacitou a minimální paraitní indukčností.Jsou méně přesné a teplotně závislé. Používají se především jako blokovací kondenzátory u digitálních součástek. Značení EIA/IEC kódem X7R/2XI, Z5U/E26, Y5V/2F4, X7S/2C1, atd.

Výhody: Velmi malé ESR a ESL, velký špičkový proud, malá závislost na teplotě.Vynikající pro VF blokování až do několika GHz.

Fóliové kondenzátory

Fóliové (svitkové) kondenzátory jsou nepolarizované kondenzátory s dielektrikem z izolační plastové fólie.  Tenké tažené fóliové dielektrikum je opatřeno kovovými elektrodami a navinuté do válcového vinutí. Elektrody fóliových kondenzátorů mohou být z hliníku nebo zinku, stříbra apod., Konstrukčně se dále dělí na metalizované, kde je na fólii nanesená metalická vrstva, nebo je dielektrická vrstva smotána spolu s další kovovou fólií.

Plastiové fólie používané jako dielektrikum pro filmové kondenzátory jsou polypropylen (PP), polyester (PET), polyfenylsulfid (PPS), polyethylenový naftalát (PEN) a polytetrafluoroethylen nebo teflon (PTFE). Polypropylenový filmový materiál s podílem asi 50% na trhu a polyesterovým filmem s asi 40% jsou nejvíce používané filmové materiály. Zbytek asi 10% je zastoupenno všemi ostatními materiály včetně PPS. Papírové dielektrikum zastupuje přibližně 3% podíl na trhu.

Druhy dialektrika fóliových kondenzátorů

Film characteristics PET PEN PPS PP
Relative permittivity at 1 kHz 3.3 3.0 3.0 2.2
Minimum film thickness (µm) 0.7–0.9 0.9–1.4 1.2 2.4–3.0
Moisture absorption (%) low 0.4 0.05 <0.1
Dielectric strength (V/µm) 580 500 470 650
Commercial realized
voltage proof (V/µm)
280 300 220 400
DC voltage range (V) 50–1,000 16–250 16–100 40–2,000
Capacitance range 100 pF–22 µF 100 pF–1 µF 100 pF–0.47 µF 100 pF–10 µF
Application temperature range (°C) −55 to +125 /+150 −55 to +150 −55 to +150 −55 to +105
C/C0 versus temperature range (%) ±5 ±5 ±1.5 ±2.5
Dissipation factor (•10−4)
at 1 kHz 50–200 42–80 2–15 0.5–5
at 10 kHz 110–150 54–150 2.5–25 2–8
at 100 kHz 170–300 120–300 12–60 2–25
at 1 MHz 200–350 18–70 4–40
Time constant RInsul•C (s) at 25 °C ≥10,000 ≥10,000 ≥10,000 ≥100,000
at 85 °C 1,000 1,000 1,000 10,000
Dielectric absorption (%) 0.2–0.5 1–1.2 0.05–0.1 0.01–0.1
Specific capacitance (nF•V/mm3) 400 250 140 50

Klíčovou výhodou vnitřní konstrukce fóliového kondenzátoru je přímý kontakt s elektrodami na obou koncích vinutí, který udržuje všechny proudové cesty velmi krátké. Konstrukční řešení se chová jako velký počet jednotlivých kondenzátorů zapojených paralelně, čímž se snižují vnitřní ohmické ztráty (ESR) a ESL.

Některé fóliové kondenzátory speciálních tvarů a konstrukcí se používají jako kondenzátory pro speciální aplikace, včetně kondenzátorů RFI / EMI pro připojení k napájecí síti, známé také jako bezpečnostní kondenzátory, kondenzátory SNUBBER pro velmi vysoké přepěťové proudy, AC kondenzátory pro motorové aplikace, atd.

Elektrolytické kondenzátory

Elektrody mají velký povrch, který je tvořen nepravidelně naleptanou strukturou povrchu kovu a na něm je chemickým procesem zvaným formování (nikoli formátování) vytvořena velmi tenká, dielektrická vrstva. Katoda je tvořena vodivým elektrolytem, který může být tekutý, polosuchý nebo pevný. Výhodou elektrolytického kondenzátoru je vysoká měrná kapacita, nevýhodou naopak to, že nesmí být přepólován.

Klasické hliníkové – kapalný elektrolyt, anoda je tvořena čistou hliníkovou fólií, na které je vrstvička dielektrika Al2O3 (oxid hlinitý)).

Polymerové – tuhý polymerní elektrolyt. Mnohem dražší než klasické, ale mají nižší ztrátový odpor a vysokou životnost. V náročných podmínkách prakticky vytlačily kondenzátory  s obyčejným elektrolytem.

Tantalové – tuhý elektrolyt a anoda tvořená fólií z čistého sintrovaného tantalu, na které je vrstvička Ta2O5 (oxid tantaličný). Většinou se vyrábí v SMD, vývodové provedení mívá charakteristický kapkovitý vzhled. Snadno se poškodí přepětím, výhodou je výrazně nižší ztrátový odpor a indukčnost, než u hliníkových. V současné době jsou vytlačovány vysokokapacitními MLCC keramickými kondenzátory.

Niobové – podobné vlastnosti jako tantalové, ale umožňují i nižší jmenovitá napětí (např. 1,8 V) a z toho plynoucí vyšší kapacitu, nebo naopak vyšší napětí a některé typy zvládají vyšší teploty. Většinou pevné, ale některé typy mají i kapalné dielektrikum.

Bipolární – hliníkový kondenzátor s oxidovou vrstvou na obou stranách. Snáší malé střídavé napětí (použití ve výhybkách u reprosoustav), případně i velké krátkodobě (rozběhový kondenzátor – musí být po rozběhu odepnut). Kapacita jednotky µF až jednotky mF

Vlastnosti kondenzátorů

Elektrická kapacita

Přestože je elektrická kapacita obecně vlastností každého vodiče, využívá se především u kondenzátoru, pro nějž je kapacita definována jako množství náboje na deskách kondenzátoru, je-li mezi deskami jednotkové elektrické napětí (1 V).  Kapacita kondenzátoru se označuje písmenem C a její jednotkou je Farad.

ESR (Equivalent series resistance)

Skutečné kondenzátory používané v elektotechnice nejsou ideálními součástmi, ale mají také parazitní vlastnosti. Zjednodušené náhradní schéma skutečného kondenzátoru lze vyjádřit jako kondenzátor (kapacitu) se sériově zapojenou rezistivitou (rezistorem)  Tento sériový odpor je definován jako ekvivalentní sériový odpor (ESR). Není-li stanoveno jinak, je ESR vždy odpor střídavého proudu  měřený při určených kmitočtech,  100 kHz pro komponenty napájení v zapnutém stavu, 120 Hz pro lineární napájecí komponenty. V audi technice se používá „faktor Q“, který zahrnuje ESR při 1000 Hz.

ESL (Equivalent series inductance)

Actually, the capacitor has resistance and inductance. In a simple expression, those characteristics can be written as a C, R, L serial equivalent circuit model. This R is called „Equivalent Series Resistance(ESR)“, and L is called „Equivalent Series Inductance(ESL)“. Different from an ideal capacitor, the impedance of actual capcitor changes its tendency at a certain frequency because of ESL. This frequency is called „Self Resonant Frequency(SRF)“. In higher frequency range than SRF, the impedance becomes larger by increasing frequency because ESL affects to impedance. At SRF, capacitance and ESL mutually erase each impedance. Therefore, only impedance by ESR remains at SRF.

Symetrie s cívkou

Pokud ve všech vzorcích týkajících se kondenzátoru prohodíme napětí a proud, dostaneme adekvátní vzorce týkající se cívky. Symetrické jsou i další související jevy, např. piezoelektrický vs magnetostrikční, feroelektrický vs feromagnetický, elektroluminiscence vs magnetoluminiscence, … a z nich plynoucí parazitní elektrické vlastnosti.

Použití kondenzátorů

Blokování – především u digitálních částí

Blokovací kondenzátory (keramické) se využívají pro blokování obvodů s širokým frekvenčním rozsahem, především ale v digitálních částech. U těchto aplikací je potřeba využít více než jeden blokovací kondenzátor. Tím lze zajistit nízkou impedanci na požadovaném frekvenčním rozsahu vůči zemi na blokovaných napájecích pinech. Blokovací kondenzátory se v tomto případě zapojují paralelně. Při výběru vhodného blokovacího  kondenzátoru je nutné brát ohled na výběr pouzdra každého z nich. Pokud by bylo použito více blokovacích kondenzátorů pouze v jednom pouzdře, nedojde k žádné změně na blokovaném napájecím pinu, jelikož impedanční křivky jednotlivých kondenzátorůse budou překrývat.

Správné použití více blokovacích kondenzátorů spočívá ve výběru různých pouzder pro tyto kondenzátory. Jak již bylo zmíněno v předchozí kapitole, každé pouzdro má jinou závislost impedance na frekvenci. Složením pouzder s jinými
impedančními charakteristikami se získá výsledná charakteristika určená součtem charakteristik jednotlivých kondenzátorů.

 

Filtrace síťového napětí

Kondenzátory certifikované pro trvalé spojení s rozvodnou sítí bývají značeny X a Y s čísly.

  • Třída X je určena k zapojení mezi pracovní vodiče (L-N, L-L). Při závadě kondenzátoru by hrozil zkrat, nebo požár.
  • Třída Y je určena k zapojení mezi pracovní vodiče a vodivou část zařízení, které se mohou dotýkat lidé (L-PE, N-PE, L-povrch, N-povrch). Při závadě kondenzátoru by hrozil úraz elektrickým proudem.

Vazební kondenzátory

V aplikacích NF (nízkofrekvenčních do 20 kHz) zesilovačů (ale také VF) se vazební kondenzátory používají v signálových cestách. Pomocí kapacity vazebního kondenzátoru lze přenést frekvenční složku signálu mezi dvěmi různými stejnosměrnými (DC) potenciály. Velmi často se vazební kondenzátory používají v elektronkových zesilovačích a jejich kvalita má zasadní vliv na přenášený zvuk.

 

Zdroje:

https://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor_types
http://www.slaboproudyobzor.cz/files/20130308.pdf