Choisir la bonne technologie de condensateurs pour une application donnée

Choisir le bon condensateur pour une application peut avoir un impact considérable sur les performances, la fiabilité et l'efficacité de produits tels que les alimentations pour la défense, l'aérospatiale, les technologies médicales, les infrastructures énergétiques critiques ou les chargeurs rapides de véhicules électriques.

Les condensateurs sont des composants essentiels dans de nombreux circuits électroniques car ils stockent et libèrent l'énergie électrique, filtrent les signaux indésirables et remplissent d'autres fonctions. Cependant, tous les condensateurs ne sont pas égaux et les différents types de condensateurs présentent des caractéristiques, des avantages et des limites variables.

La sélection du type de condensateur approprié est cruciale dans la conception d'un produit. Trois options courantes — condensateurs céramique multicouches (MLCC), condensateurs à film ou condensateurs électrolytiques aluminium — offrent des avantages et des inconvénients, et chaque catégorie présente d'innombrables variantes. Le choix du bon type de condensateur garantit que le produit final dispose d'un stockage d'énergie suffisant, s'adapte à l'espace disponible et fonctionne de manière fiable pour l'utilisation prévue.

Les MLCC

Les MLCC sont constitués de couches alternées de diélectrique céramique et d'électrodes métalliques, empilées et frittées pour former un ensemble compact. Largement utilisés dans de nombreux dispositifs électroniques, les MLCC offrent des valeurs de capacité élevées dans des boîtiers compacts, une faible résistance série équivalente (ESR), un faible courant de fuite, une réponse en fréquence élevée et une bonne stabilité en température.

Les MLCC conviennent aux applications qui nécessitent une haute densité de puissance, un rendement élevé, un faible bruit et une haute fiabilité. Il existe toutefois des différences au sein de cette catégorie, qui peuvent être déterminantes pour le développement de produits performants :

• MLCC haute fiabilité : offrent une haute fiabilité, un faible taux de défaillance, une longue durée de vie et de hautes performances en conditions difficiles. Ces caractéristiques sont importantes pour répondre aux exigences strictes d'industries telles que l'aérospatiale et la défense, y compris les spécifications MIL-PRF-55681, MIL-PRF-123, MIL-PRF-49470 et MIL-PRF-39014, et les applications médicales.
• MLCC haute tension : fonctionnent à des tensions supérieures à 500 V et jusqu'à 12 kV. Ils sont destinés aux applications exigeant un isolement haute tension, telles que les alimentations électriques, les générateurs d'impulsions et les équipements à rayons X. Ils présentent une haute capacité, une faible résistance ESR, un faible facteur de dissipation et une haute tension de claquage.
• MLCC haute température : fonctionnent à des températures supérieures à +125°C, et jusqu'à +250°C. Ils sont destinés aux applications exigeant une stabilité en température élevée, comme le forage de puits, l'automobile et l'industrie. Ils offrent une haute capacité, une faible résistance ESR, un faible coefficient de température et une résistance élevée aux chocs thermiques.

Avantages des condensateurs à film

Les condensateurs à film conviennent aux applications exigeant une haute puissance, un fort courant, une haute tension et une haute fréquence, notamment la conversion de puissance, le filtrage, l'amortissement et le couplage. Ces condensateurs sont constitués d'un film mince de matériau diélectrique — polyester, polypropylène, polycarbonate ou polyphénylène sulfure — placé entre deux électrodes métalliques, et soit enroulés dans une forme cylindrique, soit empilés dans une forme plate.

Les condensateurs à film sont souvent plus grands et plus chers que les MLCC, mais ils offrent des valeurs de capacité élevées, des caractéristiques haute tension, une faible résistance ESR, un faible facteur de dissipation, une réponse en fréquence élevée et une longue durée de vie. Les avantages de cette technologie incluent des tensions nominales plus élevées, une variation de la capacité linéaire en fonction de la tension et de la température, l'absence de bruit piézoélectrique, une capacité d'auto-régénération et une longue durée de vie.

Il existe plusieurs catégories de condensateurs à film qui peuvent influer sur le choix de celui qui convient à une application :

• Les condensateurs à film polyester métallisé utilisent une fine couche de métal, tel que l'aluminium ou le zinc, déposée sur le film polyester en tant qu'électrodes. Ils offrent une haute capacité, une faible résistance ESR, un faible coût et de bonnes propriétés d'auto-régénération. Ils répondent aux besoins des applications à usage général (dérivation, couplage et découplage).
• Les condensateurs à film polypropylène métallisé utilisent un film de polypropylène comme électrodes avec une fine couche de métal, comme l'aluminium ou le zinc. Ils se caractérisent par une haute capacité, une faible résistance ESR, un faible facteur de dissipation, une réponse en fréquence élevée et une haute stabilité. Ils conviennent aux applications hautes performances (correction du facteur de puissance, filtrage et amortissement).
• Les condensateurs à film polycarbonate utilisent un film polycarbonate comme matériau diélectrique. Ils offrent une haute capacité, une haute tension nominale, un faible coefficient de température et une haute fiabilité. Ils conviennent aux applications exigeant une stabilité en température élevée (circuits de précision, temporisation et détection).
• Les condensateurs à film polyphénylène sulfure utilisent un film polyphénylène sulfure comme matériau diélectrique. Ils offrent une haute capacité, une température nominale élevée, une faible résistance ESR, un faible facteur de dissipation et une réponse en fréquence élevée. Ils conviennent aux applications exigeant des performances haute température (automobile, industrie et télécommunications).
• Les condensateurs à film papier métallisé utilisent un film papier métallisé comme matériau diélectrique. Ils offrent une haute capacité, une haute tension nominale, une faible résistance ESR, un faible facteur de dissipation et des propriétés d'auto-régénération élevées. Ils conviennent aux applications exigeant un isolement haute tension (alimentations électriques, générateurs d'impulsions et équipements à rayons X).

Condensateurs électrolytiques aluminium

Les condensateurs électrolytiques aluminium conviennent aux applications exigeant une haute capacité, une haute tension et une basse fréquence (lissage, filtrage et stockage d'énergie).

Les condensateurs électrolytiques aluminium sont capables de stocker de grandes quantités d'énergie électrique pour leur taille et peuvent donc être appliqués pour lisser l'alimentation dans les dispositifs électroniques. Ils peuvent présenter une durée de vie plus courte que les MLCC et les alternatives à film, et comme ils sont polarisés avec une borne positive et une borne négative, ils peuvent être endommagés s'ils sont installés à l'envers. Ils peuvent également laisser échapper en continu une petite quantité de courant et ils ne sont pas aussi stables aux hautes fréquences que les alternatives.

Les condensateurs électrolytiques aluminium sont disponibles dans différents types d'électrolytes, tels que liquide, solide ou hybride, qui présentent différentes caractéristiques de performances, de stabilité et de fiabilité :

• Les condensateurs à électrolyte liquide aluminium utilisent une solution électrolytique liquide comme cathode. Ils offrent une haute capacité, une haute tension nominale et un faible coût. Cependant, ils présentent également une résistance ESR élevée, un courant de fuite élevé, un facteur de dissipation élevé et une durée de vie limitée. Ils conviennent aux applications à usage général (lissage, filtrage et stockage d'énergie).
• Les condensateurs à électrolyte solide aluminium contiennent un matériau électrolytique solide, tel que du dioxyde de manganèse ou un polymère conducteur, pour la cathode. Ils offrent une faible résistance ESR, un faible courant de fuite, un faible facteur de dissipation et une longue durée de vie. Cependant, ils présentent également une capacité plus faible, une tension nominale plus basse et un coût plus élevé que les condensateurs à électrolyte liquide. Ils conviennent aux applications hautes performances (alimentations à découpage, circuits d'attaque LED et amplificateurs audio).
• Les condensateurs électrolytiques aluminium hybrides utilisent une combinaison d'électrolytes liquides et solides comme cathode. Ils offrent un équilibre entre capacité, tension nominale, résistance ESR, courant de fuite, facteur de dissipation et durée de vie. Ils conviennent aux applications exigeant une haute densité de puissance, une haute fiabilité et des performances haute température (automobile, industrie et télécommunications).

L'acquisition d'un fournisseur permet l'extension de l'offre de condensateurs

Knowles et Cornell Dubilier Electronics (CDE) sont deux fabricants leaders de condensateurs, proposant une large gamme de technologies et de produits de condensateurs. Knowles a fait l'acquisition de CDE en 2023, combinant les forces complémentaires des deux entreprises, notamment les condensateurs à film et les condensateurs électrolytiques aluminium de CDE, et les condensateurs à film et les MLCC de Knowles Precision Devices.

Knowles propose un portefeuille étendu de MLCC en boîtiers standard à montage en surface et en boîtiers à sorties radiales ou plates, s'étendant de moins d'un picofarad à des centaines de microfarads, avec des valeurs nominales de 6,3 V à 12 kV. Les MLCC de Knowles sont disponibles dans divers matériaux diélectriques avec différents coefficients de température, constantes diélectriques et taux de vieillissement.

L'approche de fabrication FlexiCap™ de Knowles utilise un matériau de terminaison en polymère époxy flexible propriétaire appliqué sous la finition de barrière en nickel habituelle qui accepte un plus haut degré de flexion de carte que les condensateurs conventionnels. Leur gamme StackiCap™ permet une réduction significative de l'espace carte pour une valeur de capacité équivalente dans les cas où l'espace carte est limité ; par exemple, une puce standard de 150 nF dans un boîtier 8060 est disponible en format 3640 beaucoup plus petit.

Le 2220Y5000564KXT de Knowles Syfer (Figure 1) est un MLCC FlexiCap à montage en surface pouvant stocker 0,56 µF de charge électrique — avec une tolérance de ±10 % — et il est conçu pour supporter jusqu'à 500 V. Il fait partie d'une famille de MLCC répertoriés CC s'étendant de 0,2 pF à 22 µF, dans des boîtiers 0402 à 8060.

Figure 1 : 2220Y5000564KXT de Knowles Syfer. (Source de l'image : Knowles)

Le 2220Y6300105KETWS2 de Knowles Syfer (Figure 2) est un MLCC StackiCap capable de stocker 1 µF de charge électrique, avec une tolérance de ±10 %, et il est répertorié pour 630 V.

Figure 2 : Illustration d'un boîtier StackiCap pour le 2220Y6300105KETWS2 de Knowles Syfer et MLCC similaires. (Source de l'image : Knowles)

Knowles CDE propose une vaste sélection de condensateurs encliquetables, à bornes à vis et à montage sur carte standard et personnalisés pour une utilisation dans des applications critiques, s'étendant des défibrillateurs et de l'imagerie médicale aux systèmes radar et aux alimentations secourues pour les grands systèmes de données.

Le 477XMPL002MG19R de CDE fait partie de la série de condensateurs pavés polymère XMPL pour les applications présentant des exigences de tension et/ou de capacité plus élevées. Avec une faible résistance ESR et un courant ondulé nominal robuste, ils surpassent les condensateurs électrolytiques à montage en surface de plus grande taille et offrent une durée de vie plus longue, une plus grande stabilité face aux changements de température et une résistance ESR inférieure à plus hautes fréquences. Les valeurs de capacité standard de la série s'étendent désormais de 6,8 µF à 470 µF, avec une tension de fonctionnement maximum de 35 V_CC dans un boîtier moulé mesurant 7,3 mm x 4,3 mm x 1,9 mm.

Parmi une vaste gamme de condensateurs à film, les condensateurs à film acrylique de type FCA de CDE, comme le FCA0805C104M-J2, offrent des valeurs de capacité élevées dans des formats de boîtiers à montage en surface standard. La série offre une plage de capacités de 0,10 µF à 1,0 µF. En tant que condensateurs de liaison dans les circuits audio, ils peuvent produire un son sans distorsion et un filtrage haute fréquence.

Conclusion

Les condensateurs sont des composants électroniques essentiels, et le choix du dispositif approprié est crucial dans la conception du produit. Knowles et Cornell Dubilier Electronics proposent une vaste sélection de types courants avec de multiples variantes, ainsi que des types spéciaux conçus pour des applications spécifiques.