Elektroniikan passiivikomponenttien epäideaalisuudet
Passiivisiksi komponenteiksi kutsutaan elektroniikan komponentteja, jotka kuluttavat energiaa. Yleisimpiä passiivisia komponentteja ovat vastus, kondensaattori sekä kela. Pienillä taajuuksilla passiiviset komponentit toimivat melkein ideaalisesti, mutta mennessä korkeammille taajuuksille niin mikään komponentti ei käyttäydy enää ideaalisesti. Toisin sanoen komponenttien toiminta suuremmilla taajuksilla ei noudata ideaalimalleja eli ne alkavat käyttäytyä epäideaalisesti. Häiriöttömän elektroniikkan suunnittelussa nämä poikkeavuudet on tunnettava.
Ideaalinen vastus on puhtaasti resistiivinen komponentti jolloin se tuottaisi vain lämpöä eikä sisältäisi minkäänlaista reaktiivista osaa, mutta todellisuudessa suurilla taajuuksilla vastusten taajuusominaisuudet tulevat merkittäviksi. Taajuuden kasvaessa impedanssin itseisarvo pienenee loiskapasitanssin vaikutuksesta, kunnes saavutetaan resonanssitaajuus. Kalvovastusten käyttökelpoinen taajuusalue ulottuu kymmeniin jopa satoihin megahertseihin. Massavastuskset ovat käyttökelpoisia noin megahertsin taajuuten asti, mutta jotkin mallit voivat soveltua korkeammillekkin taajuuksille. Lankavastusten induktanssi voi rajoittaa käyttökelpoisen taajusalueen muutamiin kilohertseihin.
Loisinduktanssia voidaan ehkäistä vastuslangan kaksoiskierteen vastakkaisiin suuntiin kulkevilla vastuslangoilla jotka kumoavat toistensa induktanssin.
Jokaisella johdinsilmukalla on loiskapasitanssia viereistensä kierrosten kanssa, sekä usein muuntajan tapauksessa myös ensiökäämityksestä toisiokäämitykseenkin.
Syynä virranahtoon on sisäisen tai ulkoisen magneettikentän johtimeen indusoivat pyörrevirrat, jotka kulkevat johtimen virran vastaisesti keskellä johdinta sekä sen suuntaisesti johtimen reunoilla.
Keskellä johdinta pyörrevirrat kumoavat johtimessa kulkevan virran vaikutuksen miltei kokonaan, jolloin lähes kaikki virta pakkautuu reunoille. Läheisyysvaikutusta voidaan vähentää Litz-langalla joka koostuu useasta pienestä yksittäisestä, eristetystä johtimesta.
Kondensaattorit jaetaan yleisesti dielektrisen materiaalin perusteella eri luokkiin. Eri tyyppiset kondensaattorit soveltuvat eri käyttötarkoituksiin. Kondensaattoreiden epäideaalisuudet tulevat esiin suurilla taajuksilla kuten vastuksillakin. Kondensaatorin vuotovirta, eli sijaiskytkennässä rinnakkaisvastus, tulee jo esille tasavirroilla. Kondensaattoreissa käytetään myös häviökertoimia ja Q-arvoa. ESR eli ekvivalenttinen sarjavastus aiheutuu monista kondensaattorin sisäisistä häviöistä, kuten vuotovirrasta, dielektrisistä häviöistä eristeessä tai resistansseista. ESR kondensaattoreissa tapahtuu tehonhäviötä, jotka muuttuvat lämmöksi. Monissa sovelluksissa kondensaattori joudutaan jäähdyttämään. ESR voidaan laskea kaavalla t a n ( δ ) = E S R ∗ 2 ∗ p i ∗ f ∗ C {\displaystyle tan(\delta )=ESR*2*pi*f*C} . Kondensaattorin kapasitanssi ja induktanssi muodostavat resonanssipiirin, jonka resonanssitaajuuden yläpuolella kondensaattori käyttätyy lähinnä induktanssin tavoin ja impedanssin itseisarvo alkaa kasvaa.
Keraamiset kondensaattorit ovat käytetyimpiä kondesaattorityyppejä. Ne ovat tyypillisesti kapasitanssiltaan muutamista pikofaradeista noin 0.1 F asti. Niiden hyviin puoliin sisältyy halpa hinta, luotettavuus ja pienet häviöt. Sen lisäksi sillä on hyvä varauskyky kokoonsa nähden. Keraamisessa kondensaattorissa on useita kerroksia, jotta kapasitanssi saadaan halutun suuruiseksi.
Tämän tyyppistä kondensaattoria tulee käsitellä varoen, sillä se saattaa murtua, jolloin sen sisäosat altistuvat kosteudelle, vaurioittaen komponenttia. Keraamiset kondensaattorit jaetaan kolmeen ryhmään näiden suhteellisen permittiivisyyden mukaan. Suurempi permittiivisyys tarkoittaa suurempaa häviökerrointa, mutta mahdollistaa pienemmän koon. Ryhmän 1 kondensaattorit ovat laadukkaimpia, sillä niiden kapasitanssi ei muutu taajuuden tai jännitetason kasvaessa. Lämpötilan aiheuttamat kapasitanssin muutokset voidaan korkean laadun takia helposti ennustaa.
Ryhmän 2 ja 3 kondensaattoreiden ominaisuuksiin vaikuttaa jännitteen amplitudi, taajuus, lämpötila ja aika. Kapasitanssi voi vaihdella jopa 15% ilmoitetusta arvosta, lämpötilan takia.
Elektrolyyttinen kondensaattori on halpa ja sekin tuottaa paljon kapasitanssia pienessäkin koossa (jopa enemmän kuin keraaminen), jonka takia sitä käytetään paljon sovelluksissa, joissa esiintyy suuria virtoja tai matalia taajuuksia. Yleisimpiin käyttökohteisiin lukeutuu mm. (ääni)vahvistimet ja erilaiset virtalähteet. Elektrolyyttikondensaattorit jakautuvat kondensaattorilevyjen valmistuksessa käytetyn metallin mukaan joko alumiinielektrolyyttikondensaattoreihin tai tantaalikondensaattoreihin.
Alumiinielektrolyyttikondensaattoreiden kondensaattorilevyt on tehty alumiinista, joista toinen on päällystetty eristävällä oksidikerroksella. Levyjen välissä on paperivälike, joka on kastettu elektrolyyttiaineessa. Elektrolyyttikondensaattoria valitessa on erityisen tärkeää valita sellainen, jossa ESR on käyttökohteeseen sopiva. Lisäksi niiden käyttöönotossa tulee huomioida niiden rajoittunut taajuusvaste. Sen seurauksena alumiinielektrolyyttikondensaattoreita ei kannata käyttää sovelluksissa, joissa käytetyt taajuudet ovat yli 100 kHz. Tärkeää on myös muistaa kytkeä kondensaattori oikein päin, sillä vääränsuuntaisella jännitteellä se voi tuhoutua.
Tantaalikondensaattoreissa anodin ja katodin välissä on eriste, joka on tantaalipentoksidia (Ta2O5). Katodi on mangaanidioksidista, MnO2, muodostuvaa puolijohdemateriaalia. Komponentti sietää hyvin suuria taajuuksia, eikä sen kapasitanssi muutu iän myötä lähes ollenkaan. Lisäksi sen lämmönsietokyky on hyvä, toimien halutusti välillä -55 C - 125 C. Tantaalikondensattorin vikaantumiseen vaikuttavat epäedulliset ympäristösuhteet. Eri vikaantumistapoja ovat muun muassa avoin, oikosuljettu piiri, vuotovirran kasvu, kapasitanssimuutokset, häviökertoimien muutokset ja mekaaniset kotelon ja rakenteiden muutokset, johtuen mm. kosteudesta ja lämpötilan kasvusta. Suurella kuormituksella tai väärinpäin kytkettynä tantaalikondensaattori saattaa jopa räjähtää.
Superkondensaattori on erikoiskomponentti, jolla on erittäin korkea kapasitanssi, luokkaa faradeista jopa tuhansiin faradeihin. Alunperin niitä käytettiin väliaikaismuistien varavirtalähteinä. Nykyään niiden käyttö on yleistä moottori- ja tehokäytöissä(esim. junissa) ja sähköautotekniikassa(sähkön varastointi pinempään tilaan kuin akuissa, ja erittäin nopeat latausajat).
Niitä käyttäessä tulee huomioida niiden jännitekesto (yleisesti vain 2.5-2.7 V) ja itsestään purkautuminen (purkautumista voi tapahtua 50%/kk, vrt. Li-ion akun 5%/kk).
Myös yksi yleisimmistä kulutuselektroniikan kondensaattoreista. Niiden eristeenä käytetään monia eri polymeeriseoksia, ja nämä ovat helposti muotoiltavissa ja lämpömuokattavissa. Näihin kuuluvat esimerkiksi polykarbonaatti, polypropeeni ja polyesteri. Niiden suosio johtuu halvasta hinnasta käyttötarkoitukseen nähden, pienistä häviöistä, suuresta pulssinsietokyvystä ja kohtalaisesta lämpötilavakaudesta. Sisäisen rakenteen takia niiden virtatiet ovat lyhyet ja ne käyttäytyvät rinnankytkettyjen kondensaattorien tavoin vähentäen näin sisäisiä ohmihäviöitä ja haitallisia induktansseja.
Niiden käyttötarkoitus ja ominaisuudet voivat vaihdella suuresti riippuen muoviseoksesta ja rakennustavasta. Ne voivat olla myös metallisoituja, jolloin erillisen metallikalvon sijaan muovipintaan on höyrystetty erittäin ohut metallikalvo. Jos tällaisessa kondensaattorissa tapahtuu läpilyönti voi se korjaantua itsestään metallikalvon höyrystyessä, poistaen näin läpilyöntikohdan.
Kelalla on yleensä huonoimmat laajakaistaiset taajuusominaisuudet. Kela koostuu johtimesta, joka on kierretty silmukoille. Käämilankojen välille muodostuu helposti kapasitanssia. Suuri-induktanssisissa keloissa langasta johtuva resistanssi voi olla jopa ohmien suuruista. Kapasitanssi yhdistettynä virranahtautumisesta johtuvaan resistanssin kasvuun pilaavat käämin suurtaajuusominaisuudet. Ilmasydämisen kelan suurtaajuusominaisuudet ovat yleensä paremmat kuin ferromagneettisen sydämen.
Kapasitanssi Resistanssi Virran ahto Läheisyysvaikutus Parametrien taajuusherkkyys Parametrien lämpötilaherkkyys Häviöt mahdollisessa sydänmateriaalissa Häviöt huonosti suunnitellussa käämityksessä
Kelan häviöt koostuvat kuparihäviöistä sekä rautahäviöistä eli sydänhäviöistä. Sydänhäviöt taas voidaan jakaa pyörrevirtahäviöihin ja hystereesihäviöihin. Kuparihäviöt saadaan minimoitua minimoimalla kelan resistanssi. Tämä taas toteutetaan pitämällä kelan langanpituus mahdollisimman lyhyenä ja poikkipinta-ala mahdollisimman suurena. Virran ahdon hallitsemiseksi voidaan käyttää Litz- lankaa, joka toimii paremmin erityisesti suurilla taajuuksilla[1].
. LUT kandidaatintyö 2009. Diplomityö. Matthias Kampe. PDF.