wersja mobilna
Online: 1018 Środa, 2017.12.13

Technika

Kondensatory do zastosowań specjalnych

poniedziałek, 20 marca 2017 12:25

W niektórych zastosowaniach od pasywnych komponentów elektronicznych wymagana jest większa niezawodność oraz odporność na trudne warunki w ich otoczeniu, niż w innych. Przykładami są auta i sprzęty medyczne. W obu przypadkach podzespoły elektroniczne narażone są na wiele niekorzystnych czynników, a od ich prawidłowej pracy zależy zdrowie i życie ludzi. Przykład elementów, od których wymaga się więcej, to kondensatory. W artykule przedstawiamy konstrukcje tych podzespołów do zastosowań specjalnych.

W autach kondensatory montowane są zarówno pod maską, jak i w części zajmowanej przez kierowcę i pasażerów. Znaleźć je można zarówno w samochodach spalinowych, które wciąż dominują na rynku, jak i w samochodach hybrydowych i elektrycznych, które stopniowo się popularyzują.

Kondensatory są częścią różnych systemów, w tym tych, które poprawiają komfort pasażerów, zapewniają im bezpieczeństwo i napędzają pojazd. Są one m.in. częścią obwodów w systemach sterowania wycieraczkami, klimatyzacją oraz mechanizmów podnoszenia i opuszczania szyb i regulacji ustawienia foteli i systemów bezkluczykowego dostępu i uruchamiania aut.

Przykładami systemów bezpieczeństwa, w obwodach których używane są kondensatory, są systemy wspomagania kierowcy, systemy poduszek powietrznych, systemy hamowania i systemy monitorowania ciśnienia w oponach. W przypadku pojazdów elektrycznych i hybrydowych kondensatory są częścią m.in. przetwornic oraz ładowarek.

Czynniki szkodliwe

Kondensatory, jak i zresztą inne komponenty elektroniczne, montowane w samochodach są narażone na rozmaite niekorzystne czynniki. Jednym z nich jest wysoka temperatura, przekraczająca +100ºC. Na takie warunki wystawione są m.in. podzespoły, które zostaną umieszczone w pobliżu silników. Kolejne czynniki to niska temperatura, szoki termiczne i cykle temperaturowe.

Temperatura ma wpływ na właściwości dielektryka kondensatora. Temperaturową zależność jego przewodnictwa opisuje prawo Arrheniusa wyrażające związek pomiędzy tymi wielkościami, a energią aktywacji, która jest specyficzną właściwością danego materiału. Z formuły tej wynika, że w niskich temperaturach przewodnictwo elektryczne dielektryków bardzo słabo zależy od temperatury. Ze wzrostem wartości tej wielkości natomiast rośnie liczba oraz ruchliwość nośników prądu.

Wpływ pola elektrycznego na dielektryk

W związku z przełączaniem dużej liczby obciążeń, w tym dużych obciążeń indukcyjnych takich jak na przykład silniki elektryczne, komponenty elektroniczne w autach są narażone na silne zaburzenia elektromagnetyczne. Pole elektryczne, podobnie jak temperatura, ma wpływ na właściwości dielektryka kondensatora. Opisuje to zależność, według której żywotność materiału dielektrycznego maleje wraz ze wzrostem natężenia działającego na niego pola elektrycznego. Zużywa się on w wyniku oddziaływania sił wywieranych przez to pole na jego atomy.

Inne szkodliwe czynniki są związane ze środowiskiem pracy aut. Są to m.in. duża wilgotność, deszcz, lód, śnieg i różne substancje chemicznie agresywne, jak na przykład sól drogowa, oleje, paliwa i płyny hydrauliczne. Osłabienie połączeń i uszkodzenia struktury wewnętrznej podzespołów elektronicznych mogą być natomiast skutkiem wibracji, przenoszących się z układu napędowego na pozostałe części samochodu.

Kondensatory MLCC - dielektryk C0G

W zastosowaniach specjalnych najczęściej używane są wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC, multilayer ceramic capacitor). Elementy te składają się z wielu pojedynczych kondensatorów, które układane są jeden na drugim, połączonych równoległe. Do ich zalet, oprócz właściwości, które są ważne nie tylko w zastosowaniach specjalnych (m.in. duża pojemność przy małych rozmiarach), zalicza się też to, że są tanie.

W kondensatorach MLCC używane są dielektryki klasy I, II lub III. Z materiału C0G, który jest zaliczany do klasy I, można zbudować kondensatory, których pojemność w zasadzie nie ulegnie zmianie wraz z upływem czasu, ani też pod wpływem przykładanego napięcia, o współczynniku temperaturowym w szerokim zakresie temperatur tak niskim, jak ±30 ppm/ºC, co w przypadku zastosowania w autach można uznać za wartość małą. Dostępne są nawet kondensatory z C0G o stabilnej pojemność w temperaturze sięgającej +200ºC. Dzięki temu kondensatory MLCC tego typu nadają się do użycia m.in. w obwodach rezonansowych, wymagających stabilności dobroci oraz pojemności.

Dielektryki klasy II

Ich przykładowe zastosowania to układy taktujące oraz obwody dostrajające. Ponadto są używane w obwodach odsprzęgających, filtrach, układach blokujących i magazynujących energię.

Z dielektryków klasy II, których przykładem jest X7R, można zbudować kondensatory o dużej pojemności, a jednocześnie o niewielkich rozmiarach. To ostatnie w przypadku samochodów, gdzie ilość miejsca jest ograniczona, jest ważną zaletą. Ponadto, chociaż pojemność kondensatorów z dielektrykami tego typu zmienia się wraz z upływem czasu i pod wpływem napięcia, zmiana ta jest przewidywalna.

Oprócz tego, w szerokim zakresie temperatur, nawet od -55 do ponad +100ºC, można uzyskać odchyłkę wartości pojemności od tej w temperaturze pokojowej rzędu zaledwie kilkunastu procent. Dlatego kondensatory MLCC tego typu nadają się do użycia m.in. w obwodach odsprzęgających oraz tam, gdzie stabilność dobroci i pojemności nie są wymagane.

Przykładem materiału, z którego wykonuje się dielektryki zaliczane do klasy II jest tytanian baru. Charakteryzuje go wysoka czystość, krystaliczność oraz dobrze kontrolowana mikrostruktura. Dzięki tym cechom łatwo uzyskać elementy o dużej pojemności.

Elastyczne wyprowadzenia

Kondensatory MLCC bardzo często ulegają zniszczeniu na skutek nadmiernych naprężeń wytwarzanych wówczas, kiedy płytka drukowana jest wyginana pod wpływem drgań albo w wyniku cykli temperaturowych. Aby temu zapobiec m.in. stosowane są elastyczne złącza realizowane w postaci epoksydowej warstwy przewodzącej, która jest umieszczana pomiędzy warstwami metalu w standardowych wyprowadzeniach kondensatorów. Dzięki temu uzyskiwana jest giętkość tego połączenia, przy jednoczesnym zachowaniu jego parametrów elektrycznych, wytrzymałościowych oraz lutowności.

Ponadto dostępne są kondensatory MLCC, które są budowane w taki sposób, żeby wewnętrzne pęknięcia powstające na skutek wygięcia płytki drukowanej nie propagowały się na przeciwległe elektrody, prowadząc do zwarcia. Dzięki temu w takim przypadku co prawda może zmienić się nieco pojemność kondensatora, lecz wciąż będzie on spełniać swoją rolę.

Kondensatory w sprzęcie medycznym

Innym stosowanym rozwiązaniem jest umieszczenie kilku kondensatorów MLCC jeden na drugim, w jednej obudowie. Dzięki temu naprężenia, mechaniczne i termiczne, wywierane na poszczególne wyprowadzenia będą mniejsze. Dodatkową zaletą jest większa pojemność przy rozmiarach podobnych do pojedynczego kondensatora MLCC.

Jeżeli natomiast chodzi o sprzęty medyczne, to kondensatory są używane na przykład w urządzeniach do wykonywania rezonansu magnetycznego, ultrasonografach oraz pulsoksymetrach. Są one w nich częścią obwodów kondycjonowania sygnałów, filtrowania oraz stabilizacji zasilania. Innym przykładem są urządzenia wszczepiane pacjentom, jak na przykład rozruszniki serca.

Przykładowo w przypadku tych ostatnich często wymagane są kondensatory o dużej wartości pojemności, a równocześnie o małych rozmiarach. Dlatego również w nich używane są kondensatory typu MLCC. Nowoczesne sposoby ich upakowania, czyli jeden na drugim w jednej obudowie, przyczyniają się do zmniejszenia miejsca, które zajmują na płytce drukowanej.

Dla urządzeń medycznych prawdopodobieństwo uszkodzenia kondensatorów powinno być jak najmniejsze przez cały okres użytkowania urządzenia. Jest on liczony w tym przypadku w dziesiątkach lat. Co prawda w urządzeniach medycznych, które są wszczepiane pacjentom kondensatory nie są narażone na wahania temperatury ani skrajne temperatury (przeważnie jest ona zbliżona do +37ºC), jednak w tym przypadku, aby wydłużyć czas pracy na bateriach powinno się ograniczyć ich prąd upływu.

Jednym z rozwiązań stosownych w tym celu w przypadku kondensatorów tantalowych jest ograniczenie w procesie produkcyjnym ilości zanieczyszczeń w elektrodzie oraz w dielektryku. Dodatkowo mniej defektów w strukturze zmniejsza prawdopodobieństwo uszkodzenia komponentu.

Jeżeli z kolei chodzi na przykład o urządzenia do wykonywania rezonansu magnetycznego ważne jest, żeby ograniczyć liczbę podzespołów, które mogą stać się źródłem pól magnetycznych negatywnie wpływających na wiarygodność tego badania. W tym celu m.in. montuje się w nich kondensatory elektrolityczne z elektrodami z MnO2 albo elektrodami polimerowymi oraz wyprowadzeniami z czystej cyny.

Monika Jaworowska