Hoofdstuk 3 : Technologie en eigenschappen van condensatoren

Condensatoren 28 ________________________________________________________________________________

Hoofdstuk 3 : Technologie en eigenschappen van condensatoren. _______________________________________________________________

1. Bijzonderste specificaties van condensatoren. • de nominale capaciteitswaarde : wordt gedefinieerd bij kamertemperatuur (25°C). De capaciteiten worden in standaardreeksen ingedeeld naar analogie met de weerstanden. • de tolerantie in % van de nominale capaciteit (1%, ... , 20%). • nominale temperatuursgebied : maximale en minimale temperatuur die in regimewerking niet mogen overschreden worden (bv. -55°C tot + 85°C). • de temperatuurscoëfficiënt van de capaciteit : wordt uitgedrukt in ppm/°C en kan positief, negatief of nul zijn. • de nominale (of maximale) gelijkspanning die aan de condensator doorlopend mag worden aangelegd (eventueel bij maximale temperatuur). • de nominale (of maximale) wisselspanning, bij een bepaalde frequentie (meestal 50 Hz) die aan de condensator doorlopend mag worden aangelegd (eventueel bij maximale temperatuur). • de isolatieweerstand (lekweerstand) tussen de klemmen, bij een bepaalde DC spanning. Het is de weerstand van het diëlektricum en wordt uitgedrukt in MΩ of in seconden ( tijdsconstante = Risolatie x Cnominaal ). Merk op dat de isolatieweerstand in DC gemeten wordt en zich in een equivalent schema voordoet als een parallelweerstand over een ideale capaciteit. De isolatieweerstand vormt wel een bijdrage tot tg δ maar is niet toe te schrijven aan polarisatieverschijnselen. De isolatieweerstand hangt af van de soortelijke weerstand van het diëlektricum, aanwezigheid van onzuiverheden en oppervlaktetoestanden; dikwijls leveren deze laatste de voornaamste bijdrage. • tg δ of dissipatiefactor D : wordt gemeten bij een AC-spanning van welbepaalde frequentie. De dissipatiefactor houdt rekening met alle verliezen in het diëlektricum, serieverliezen van platen en aansluitingen, eventuele wervelstroomverliezen in de platen bij hogere frequenties. Naast

Condensatoren 29 ________________________________________________________________________________ een frequentieafhankelijkheid bezit tg δ ook een temperatuurs-afhankelijkheid. De definitie van de dissipatiefactor gebeurt dikwijls via de zogenaamde ESR en de capacitieve reactantie : - ESR : equivalent series resistance : het is de netto serieweerstand van de capaciteit die rekening houdt met alle mogelijke verliezen. - capacitieve reactantie :

Xc =

1 ωC

Men heeft dan :

tgδ =

ESR Xc

Merk op dat de impedantie van de condensator dan gegeven is door :

Z = (ESR)2 + X c2 Voor een goede condensator is de impedantie ongeveer gelijk aan de capacitieve reactantie en dit over een zo breed mogelijk frequentiegebied.

• de kwaliteitsfactor :

Q=

X 1 = c tgδ ESR

Hoe groter Q, hoe beter de condensator. Q en tg δ kunnen relatief gemakkelijk gemeten worden met behulp van impedantiebruggen.

• de seriezelfinductie of meer algemeen het hoogfrequent gedrag van condensator. Men spreekt van een equivalente seriezelfinductie (ESL). De totale impedantie van de condensator wordt dan :

1   Z = (ESR ) +  ω.ESL −  ωC  

2

2

Z vertoont een minimum bij ωres = 1

ESL.C

en is dan gelijk aan ESR.

Voor ω < ωres gedraagt de condensator zich capacitief, hetgeen uiteraard gewenst is, voor ω > ωres gedraagt de condensator zich inductief. Vooral voor grote C-waarden moet men er voor zorgen dat de ESL zeer laag is (van de orde nH) opdat ωres voldoende hoog blijft. Het typisch verloop van Z in functie van de frequentie voor een Ta-Elco is weergegeven in figuur 1.1.

Condensatoren 30 ________________________________________________________________________________

Figuur 1.1 Impedantie Z in functie van frequentie (6.8 uF/35V)

• rimpelstroom : toegelaten rimpelcomponente van de stroom gesuperponeerd op een DCniveau. Rimpel bevat hogere harmonischen die bijkomende verliezen en verwarming veroorzaken.

• maximale vermogendissipatie. De warmteontwikkeling in een condensator wordt veroorzaakt door de vermogendissipatie te wijten aan de verliesfactor tg δ. Meestal zijn de condensatoren ruim voldoende gedimensioneerd om deze warmte af te voeren. Door de miniaturisatie echter worden de afmetingen van de condensator zo klein mogelijk gehouden zodat het gevaar bestaat dat de component bij uiterste specificaties wordt gebruikt. In het geval van sinusoïdale stromen en spanningen kan het vermogen dan berekend worden als: P = Irms ².ESR

Voor (1/ωC) >> ESR kan dit ook herleidt worden tot:

Condensatoren 31 ________________________________________________________________________________

P = ωC. tgδ . Vrms ²

In het geval van pulsvormige signalen kan het vermogen kan berekend worden als: P = ∑ ωkC . tgδ k . Vk ² k

De index k slaat op de k-de harmonische van de signalen, ontbonden in Fourrier-termen. Vk is de piekwaarden van spanning en stroom bij frequentie fk van de k-de harmonische. In databoeken kan men de tg δ vinden i.f.v. de frequentie.

Condensatoren 32 ________________________________________________________________________________

2. Soorten condensatoren, eigenschappen. 2.1. Elektrolytische condensatoren. Indien een grote capaciteitswaarde (> 10µF) in een klein volume geëist wordt dan is de elektrolytische condensator (ELCO) het enige alternatief. Deze condensatoren worden gekenmerkt door een zeer grote capaciteit - spanningsprodukt; men zegt dat hun volumetrische efficiëntie zeer groot is (volumetrische efficiëntie = C.V/volume = capaciteit - spanningsproduct per volumeeenheid). Naargelang het gebruikte basismateriaal onderscheidt men aluminium - en tantaliumcondensatoren. Zij zijn in veel gevallen gepolariseerd hetgeen voor de gebruiker kenbaar wordt gemaakt door bvb. een + teken bij een bepaalde klem te vermelden : deze klem is dan de anode van de elco en moet steeds op een positieve potentiaal t.o.v. de andere klem (kathode) geplaatst worden. Niet gepolariseerde condensatoren (bipolaire elco's) mag men willekeurig aansluiten; zij worden bvb. gebruikt als startcondensator bij eenfazige asynchrone motoren. De principiële opbouw van een gepolariseerde elektrolytische condensator bestaat uit een anode (+ klem), een oxidelaag, een elektrolyt en een kathode. Bipolaire elco's bevatten twee oxidelagen.

Bij aluminium elektrolytische condensatoren bestaat de anode uit een geëtste aluminiumfolie. De aluminiumfolie heeft een zuiverheid van 99,9%. De dikte is ≈ 100 µm; bij het begin van het fabricageproces wordt deze folie verwerkt onder de vorm van rollen met een breedte van bv. 50 cm en een lengte van de orde 1km. Pas na het ets- en formeerproces wordt de folie versneden. Het etsen vergroot de bruikbare oppervlakte met een factor > 50 en aldus ook de capaciteit. Door middel van een elektrochemisch procédé wordt een zeer dunne laag aluminiumoxide (Al2O3) op de folie aangebracht (formeren, anodiseren). Daartoe wordt de aluminiumfolie ondergedompeld in een formeervloeistof (elektrolytisch bad) waaraan de zogenaamde formeerspanning wordt aangelegd. Deze is ongeveer 20% hoger dan de "rated voltage" van de condensator. In normale werkomstandigheden mag de toegepaste spanning nooit de formeerspanning overschrijden omdat het anodeformeerproces dan verder zou gaan; de hierbij vrijgekomen warmte kan leiden tot explosie van de condensator. Dank zij de grote doorslagspanning van Al203 (≈ 800 MV/m) kan de dikte van de oxidelaag teruggebracht worden tot enkele nm per volt formatiespanning.

Condensatoren 33 ________________________________________________________________________________

Figuur 2.1.1 Opbouw van een aluminium elektrolytische condensator

Figuur 2.1.2 Oxidedikte en capaciteit per cm² i.f.v. de formeerspanning.

Hoe dunner de oxidelaag, hoe groter de capaciteit maar hoe kleiner de toegelaten spanning. Het is duidelijk dat de oxidelaag dienst doet als diëlektricum (εr ≈ 8 à 10) van de condensator. Het elektrolyt (dat bvb. d.m.v. vacuümimpregnatie in de opgewikkelde cel wordt aangebracht) zorgt voor een goed contact tussen de ruwe oxidelaag en de kathode - aluminiumfolie. Indien het elektrolyt vloeibaar is (dimethylacetamide (DMA), dimethylformamide (DMF)) dan spreekt men van een natte Al-elco; indien het elektrolyt een soort pasta is (mangaandioxide Mn02) dan spreekt men van een droge Al-elco. Als houder van het elektrolyt wordt papier voor natte Al-elco's of een soort glasvezelweb voor droge Al-elco ´s gebruikt (spacer). Naast de elektrolythoudende functie zorgt de spacer ervoor dat

Condensatoren 34 ________________________________________________________________________________ anode en kathodefolies behoorlijk van elkaar gescheiden blijven bij opwikkeling. De "rolled sandwich" structuur (= het spiraalvormig opgerolde pakket anode/spacer/kathode/spacer) wordt d.m.v. automatische opwikkelmachines bekomen en resulteert in een compacte cylindrische vorm. Zie figuur 2.2.1.

Figuur 2.1.3a Enkele uitvoeringen van Al-elco´s ( Through Hole)

Figuur 2.1.3b Enkele uitvoeringen van Al-elco´s ( SMD)

Condensatoren 35 ________________________________________________________________________________ Bij de tantalium elektrolytische condensatoren bestaat de anode uit gesinterd tantaalpoeder (figuur 2.1.4) dat onder hoge druk geperst wordt op een tantalium draad. Het diëlektricum bestaat uit een uiterst dun laagje tantaalpentoxyde (Ta2O5). Op het diëlektricum wordt een laag mangaandioxyde afgezet (MnO2) dat dienst doet als droog elektrolyt. Mangaandioxyde is een n-type halfgeleider, waardoor een lage serieweerstand ontstaat. Ten slotte wordt nog een laagje grafiet aangebracht en krijgt het geheel een dekking met een mantel van goedgeleidende zilverlak die de kathode van de condensator vormt. Het diëlektricum heeft een aantal belangrijke eigenschappen : • grote relatieve diëlektrische constante ( εr = 25 à 27 ); • een grote doorslagvastheid. De doorslagspanning bedraagt circa 600 V/µm; • grote effectieve oppervlakte door de talrijke poriën tussen de tantaalkorrels;

Figuur 2.1.4 Opbouw van een tantalium elektrolytische condensator

Alhoewel Ta-elco ´s met axiale en radiale aansluitingen (through hole ) bestaan komen deze toch het meest voor onder SMD-vorm: zie figuur 2.1.5.

Gelijkaardig aan de tantalium elektrolytische condensatoren zijn de niobium elektrolytische condensatoren. Deze gebruiken niobium-pentoxide als diëlektricum, met een εr = 41.

Condensatoren 36 ________________________________________________________________________________

Figuur 2.1.5. Enkele uitvoeringen van Ta-elco´s ( SMD)

Vergelijking Al en Ta elco ´s

Vergeleken met Al-elco´s hebben Ta-elco’s een zeer stabiele capaciteit, lage lekstroom en zeer lage impedantie bij hoge frequenties. Ze zijn echter in tegenstelling tot Al-elco´s zeer intolerant voor positieve of negatieve spanningspieken en exploderen gemakkelijk wanneer ze invers gepolariseerd worden of onderworpen worden aan spanningpieken (‘spikes’) boven de werkspanning. Ta-elco’s zijn duurder dan Al-elco’s en zijn meestal slechts beschikbaar in versies voor lage spanning. Door hun kleinere afmetingen en lagere ESR worden Ta-elco’s meestal gebruik in miniatuur toepassingen zoals bijvoorbeeld GSM´s.

Condensatoren 37 ________________________________________________________________________________

2.2 Filmcondensatoren ( Kunststofcondensatoren) Onder filmcondensatoren verstaat men de zeer uitgebreide klasse van condensatoren waarbij als diëlektricum een of ander kunststof (polyester, polycarbonaat, polypropyleen, polystyreen) of papier wordt gebruikt. Qua capaciteitswaarde vertegenwoordigen ze de "middenrange" gaande van 1 nF tot ≈ 10 µF. De inwendige structuur bestaat in principe uit een stapeling van gemetalliseerde plasticfolies ofwel een stapeling van afzonderlijke plastic- en metaalfolies (de dikte van de folies ligt in de buurt van 5 µm). Naast aluminium wordt soms tin als elektrodemateriaal gebruikt.

Men spreekt o.a. van : • gemetalliseerde foliecondensatoren waarbij de elektrodes gevormd worden door vacuum opgedampte aluminiumlagen (Figuur 2.2.1 ). De zeer dunne elektrodes zorgen voor een ‘selfhealing’ effect in geval van doorslag. Dit effect wordt veroorzaakt door het feit dat de metaallaag door de elektrische boog die bij spanningsdoorslag ontstaat verdampt in de omgeving van de doorslag zonder het diëlektricum te beschadigen. Defecte locaties worden op die manier volledig geisoleerd. • film-foliecondensatoren (film foil capacitor) bestaande uit een stapeling van afzonderlijke plastic- en aluminiumfolies (Figuur 2.2.2). In vergelijking met de gemetalliseerde versies zijn de filmfolie-types beter geschikt voor pulsbedrijf met hoge flanksteilheid.

In tabel 2.2.1 zijn enkele typische eigenschappen der meest gebruikte types filmdiëlektrica opgenomen.

Men merkt op dat het diëlektricum van kunststofcondensatoren een lage er heeft (2.2 à 3.3) in vergelijking met het diëlektricum gebruikt bij elektrolytische condensatoren en keramische condensatoren (zie verder). Hierdoor hebben deze condensatoren een lage volumetrische efficiëntie. Ze worden daarom vooral nog toepast in elektronische schakelingen waar hoge spanningen (230 Vac, 400Vac,1000Vac) optreden, zoals schakelende voedingen, elektronische ballasten,…

Condensatoren 38 ________________________________________________________________________________

Figuur 2.2.1 Gemetalliseerde foliecondensator

Figuur 2.2.2 Film-folie condensator

Tabel 2.2.1 Eigenschappen der meest gebruikte types filmdiëlektrica.

Condensatoren 39 ________________________________________________________________________________ Volgende figuren geven enkele typische eigenschappen weer in functie van frequentie en temperatuur.

Figuur 2.2.3 Eigenschappen der meest gebruikte types filmdiëlektrica.

Er kan opgemerkt worden dat : • Bij polycarbonaat condensatoren is de capaciteitsstabiliteit over een breed temperatuursbereik de voornaamste eigenschap. • een meer recent diëlektricum voor algemeen gebruik is polyfenyleen sulfide (KPS condensatoren) . Met zijn lage dissipatiefactor (tg δ) en zijn grote weerstand tegen ‘wave soldering’ temperaturen is dit diëlektricum van groot belang voor de SMD-technologie. Capaciteitsrange : 100pF-6.8µF, E12, tolerantie : 5%, 10%.

Condensatoren 40 ________________________________________________________________________________ • polypropyleen (KP) en polystyreen (KS) condensatoren worden gebruikt in toepassingen bij hoge frequenties of hoge spanningen (afbuigingscircuits, SMPS, filters, afgestemde kringen ) omwille van hun lage dissipatiefactor (tg δ) en hoge diëlektrische sterkte. Niettegenstaande de zeer lage verliesfactor en andere uitstekende eigenschappen kan vooral de geringe temperatuursbestendigheid een beperkende factor zijn voor het gebruik van polystyreencondensatoren. Capaciteitsrange : 470pF-5.6µF, E96, tolerantie: 1%, 2%,5%. • papier condensatoren (P) worden nog steeds gebruikt in nettoepassingen. Papiercondensatoren komen heel dikwijls voor onder de vorm van rechthoekige of cilindrische metalen- of kunststofdozen waarbij dat de aansluitingen via keramische of glazen dragers naar buiten gebracht zijn. De voornaamste toepassingen zijn: arbeidsfactorverbetering, faseverschuivingscondensator, afvlak- condensator, filter- en commutatiecircuits. Capaciteitsrange : 10nF-1µF, E6, tolerantie: 10%, 20%.

Verklaring van de benaming van filmcondensatoren - M staat voor ‘metallised’ : opgedampte condensator. - K wijst er op dat het diëlektricum een kunststof is. - het soort diëlektricum :

vb:

KT : polyester

KP : polypropyleen

KC : polycarbonaat

KPS : polyfenyleen sulfide

KS : polystyreen

P : papier

MKT : gemetalliseerde polyester filmcondensator MKPS : gemetalliseerde polyfenyleen sulfide filmcondensator MKP : gemetalliseerde polypropyleen filmcondensator KS : polystyreen film folie condensator

Condensatoren 41 ________________________________________________________________________________

Figuur 2.2.5

Diverse uitvoeringen van filmcondensatoren (Through Hole)

Figuur 2.2.5

Filmcondensatoren in SMD-vorm.

Condensatoren 42 ________________________________________________________________________________

2.3. Keramische condensatoren. Keramische condensatoren zijn de vertegenwoordigers der lage capaciteitsrange (1µF - 1pF). Voor SMD-condensatoren met lage werkspanning strekt de range zich tegenwoordig uit tot 47 uF (bij 6.3V, style 1210) Het basismateriaal waaruit ze zijn opgebouwd is van keramische aard. Dit basismateriaal, samen met de nodige additieven, wordt geperst onder de vorm van plaatjes die op bepaalde plaatsen voorzien zijn van een (zilverhoudende) pasta. Het geheel wordt dan onderworpen aan een sinterproces. De metaalpasta die hierbij overgaat in een metaallaagje dat als soldeereiland dienst doet. Voor keramische condensatoren hanteert de constructeur in veel gevallen een klasse-indeling : klasse I - klasse II.

Klasse I - condensatoren worden vervaardigd uit keramische materialen (bv. titanium dioxide TiO2) met lage diëlektrische constante (εr ≈ 100). Zij worden o.a. gekenmerkt door goed gedefinieerde (lineaire) temperatuurscoëfficiënt (bv. +30 ppm/°C, ook temperatuurs-coëfficiënten "op maat" zijn mogelijk), lage verliezen over een breed frequentiegebied (bv. tgδ ≈ 3.10-4), hoge werkspanning (verschillende kV zijn mogelijk), hoge capaciteitsrange (tot enkele tientallen nF)... Hun gebruik behelst temperatuursgecompenseerde schakelingen, resonantiecircuits met lage verliezen en hoge frequentiestabiliteit in functie van de temperatuur.

Klasse II - condensatoren worden vervaardigd uit keramische materialen op basis van bariumtitanaat (BaTiO3) met grote diëlektrische constante (1000-4000). De capaciteitswaarde kan sterk afhankelijk zijn van temperatuur, frequentie, werkspanning. Deze condensatoren worden o.a. gekenmerkt door een slecht gedefinieerde temperatuurscoëfficiënt, vrij hoge verliezen, hoge capaciteitsrange (tot in de µF range wegens de hoge εr). Zij worden gebruikt als koppeling in elke toepassing waar de niet-lineaire temperatuursafhankelijkheid van de capaciteit, de hogere verliezen ... geen bezwaar zijn. Keramische condensatoren komen tegenwoordig vooral voor in SMD-vorm. Voor de hogere capaciteitswaarden gebruikt men een meerlagenstructuur (multilayer chip capacitors) : hun constructie bestaat uit een "multilayered sandwich" van gemetalliseerde keramische plaatjes.

Condensatoren 43 ________________________________________________________________________________

Figuur 2.3.1c Multilayer keramische condensatoren

De meest voorkomende keramische diëlektrica zijn: COG/NP0, X7R, X5R en Y5R. COG/NP0 behoort tot klasse I, X7R, X5r en Y5R zijn klasse II .

Figuur 2.3.2 Temperatuurscoëfficiënt en dissipatiefactor (tgd) voor COG/NP0, X7R, X5r en Y5R.

Condensatoren 44 ________________________________________________________________________________

Figuur 2.3.3 Impedantie Z i.f.v. de frequentie voor klasse I multilayer keramische condensator. c

Figuur 2.3.4

Figuur 2.3.5

Diverse uitvoeringen van keramische condensatoren ondensatoren SMD

Diverse uitvoeringen van keramische condensatoren Through Hole

Condensatoren 45 ________________________________________________________________________________

2.4. Regelbare condensatoren 2.4.1 Trimcondensatoren Regelbare condensatoren zijn condensatoren waarvan de capaciteit op continue wijze binnen bepaalde grenzen kan ingesteld worden. Het meest gebruikte type is de zgn. draaicondensator waarbij twee stellen parallel geschakelde (om capaciteit te verhogen) aluminiumplaten in elkaar draaien : het vaste stel is de stator, het beweegbare stel wordt rotor genoemd. De vorm der platen bepaalt de wet volgens dewelke de capaciteit verandert met de rotatiehoek. Het diëlektricum kan zowel lucht, kunststof of keramisch materiaal zijn.

Naast de gewone gegevens die van dezelfde aard zijn als bij vaste condensatoren verschaft de constructeur eventueel extra informatie i.v.m. de verandering van capaciteit met de rotatiehoek, nulcapaciteit (minimale capaciteit wanneer de platen volledig uitgedraaid zijn), de mogelijke rotatiehoek, contactweerstand (van de orde mΩ). De capaciteitsrange van trimcondensatoren kan typisch variëren van 0.25pF-0.7pF tot 12pF-100pF (minimum - maximum capaciteit).

Figuur 2.4.1.1

Diverse uitvoeringen van keramische condensatoren

Condensatoren 46 ________________________________________________________________________________ 2.4.2 Varicaps.

De varicap (capaciteitsdiode, varactor) is in wezen een invers gepolariseerde p-n junctie waarvan het uitputtingsgebied als een diëlektricum (bevat geen vrije ladingen) en de aangrenzende p- en ngebieden als "condensatorplaten" kunnen beschouwd worden. De aldus gevormde spanningsafhankelijke capaciteit wordt benut in tunerschakelingen, spanningsgestuurde oscillatoren (VCO´s), frequentie-modulatoren, frequentie-multipliers. Varicaps worden vervaardigd uit Si of GaAs-halfgeleider materiaal. De spanningsafhankelijkheid van de capaciteit is niet lineair en daalt met toenemende inverse spanning aangezien de uitputtingslagen breder worden.

Significante parameters van varicaps zijn o.a. : • de maximale continue inverse spanning ( is voor diverse types 28 V). • verhouding van de maximale tot de minimale capaciteit ( capacitance ratio): typisch waarden zijn gelegen tussen 1,3 en 10. • serieweerstand (RS): deze weerstand is spanningsafhankelijk en daalt met toenemende inverse spanning ( 0.6 à 2 Ω). • de kwaliteitsfactor: Q =

1 2π. f . RS . CT

• afsnijfrequentie: frequentie waarbij Q = 1 (in GHz gebied)

Figuur 2.4.2.1

Diverse uitvoeringen van keramische condensatoren

Condensatoren 47 ________________________________________________________________________________ Figuur 4.2.2.1 geeft de 3 basisschakelingen weer voor de afstemming een parallel-resonantiekring. Om een varicap als regelbare condensator te gebruiken moet er via een DC-bron een inverse spanning over aangebracht worden. Dit gebeurt in elk van de 3 gevallen in figuur 4.2.2.1 via de weerstand RV. Dit is een weerstand van de grootteorde 10 à 100kΩ en zorgt voor scheiding tussen de DC-bron en de resonantiekring. De weerstand RV mag groot zijn omdat hierdoor toch slechts de kleine inverse lekstroom van de varicap vloeit. Ga na dat in elk van de drie gevallen op DCgebied de DC-bronspanning een inverse polarisatie van de varicap-diode realiseert.

a

b

c

Figuur 4.2.2.1 3 basisschakelingen voor de afstemming van parallel-resonantiekringen.

Condensatoren 48 ________________________________________________________________________________

2.5 Supercaps. Supercaps zijn volgens speciale procédés geconstrueerde natte elektrolytische condensatoren voor lage spanningen (tot 5.5V) met een uitzonderlijk hoge capaciteitswaarde (tot verschillende Farad) binnen een zeer beperkt volume. Ze zijn vooral geschikt als kortstondige energiehulpbron. Enkele eigenschappen: • capaciteitswaarden gaande van bv. 0,1 tot 3,3F waarbij stromen van µA tot enkele A kunnen geleverd worden gedurende tijden gaande van weken tot seconden • beschikbaar in rechthoekige, cilindrische en SMD vorm • minimale zelfontlading • ten opzichte van batterijen vertonen supercaps voordelen zoals afwezigheid van ingewikkelde oplaadcircuits, korte oplaadtijd waaraan geen speciale eisen gesteld worden, geen noodzaak tot vervanging, uitgebreider operating temperature range, zeer goede laad/ontlaad karakteristieken en long term stability. De energiecapaciteit van een gold capacitor is echter veel kleiner dan deze van een batterij.

Het gebruik situeert zich voornamelijk als memory back-up element (CMOS en NMOS geheugens met backup tijden gaande van seconden tot enkele weken), power failure backup element in allerlei consumenten-, meet-, communicatie-, informatica -apparatuur.

Figuur 2.5.1

Diverse uitvoeringen van supercaps condensatoren

Condensatoren 49 ________________________________________________________________________________

2.6 Micacondensatoren. Micacondensatoren staan bekend als zeer stabiele en betrouwbare condenstoren maar ook als dure condensatoren; deze kenmerken zijn te danken aan het gebruik van hoge kwaliteitsmica als diëlektricum. Hun opbouw is min of meer vergelijkbaar met deze van de vlakke kunststofcondensator en bestaat uit een sandwich-structuur van micablaadjes (enkele tientallen µm dik) afgewisseld met metaalfolies (lood-tin,koper) die als elektrode dienen. De beste versies maken gebruik van verzilverde micablaadjes. Het geheel wordt zorgvuldig in een kunststofomhulling ondergebracht.

Typische kenmerken voor micacondensatoren zijn : • range : 10µF - 100 nF • sommige types hebben zeer kleine toleranties (0,1%) • zeer kleine temperatuurscoëfficiënt (bv. 25ppm/°C) • lage verliezen, ook bij hoge frequenties (tg δ ≈ 5 à 10.10-4) • hoge diëlektrische sterkte : er bestaan micacondensatoren met werkspanningen van verschillende 10.000V. • temperatuursbereik : afhankelijk van het type : 85°C, 125°C, 200°C • uitstekende stabiliteit in functie van de tijd.

Omwille van de gunstige eigenschappen situeert het gebruik van micacondensatoren zich in toepassingen zoals : filters, oscillatoren (dus schakelingen van frequentie bepalende aard), delay lijnen, hoogfrequentie schakelingen, transmissieketens, meetreferentiecondesatoren.

Mica condensatoren komen ook voor als trimmers; deze hebben een vrij grote capaciteitsrange: 420pF/1400pF. (Figuur 2.6.2 )

Condensatoren 50 ________________________________________________________________________________

Figuur 2.6.1 Enkele uitvoeringen van micacondensatoren.

Figuur 2.6.2 Enkele uitvoeringen van mica trimcondensatoren.

Condensatoren 51 ________________________________________________________________________________

2.7 Doorvoercondensatoren Doorvoercondensatoren worden gebruikt in de HF-techniek waar verschillende afgeschermde compartimenten met elkaar moeten verbonden worden. De te ontstoren geleider wordt axiaal doorheen de condensator gevoerd en maakt rechtstreeks deel uit van één der condensatorplaten. De andere condensatorplaat wordt gevormd door een concentrische plaat omheen de condensatorhuls en is in contact met de compartimentwand. Door de lage impedantie tussen de draad en de behuizing worden de hoogfrequent componenten van het signaal naar de behuizing afgeleid. Het gebruik van doorvoercondensatoren bij HF-schakelingen is nodig, zowel om te voorkomen dat HF componenten naar buiten toe uitgestraald worden, als om te voorkomen dat HF stoorcomponenten van buiten af de HF-schakelingen verstoren. Typische kenmerkende waarden : range : enkele pF tot enkele nF, werkspanning 400V, tgδ < 10.10-4 op 1MHz....

Figuur 2.71 Enkele uitvoeringen van doorvoercondensatoren.