home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HamCall (October 1991) / HamCall (Whitehall Publishing)(1991).bin / amateur / hamnew / caps.txt < prev    next >
Text File  |  1991-10-03  |  15KB  |  253 lines

  1. AN INTRODUCTION TO CAPACITORS
  2.  
  3. by David Johnson, Los Banos, CA.
  4.  
  5. (This article originally appeared in the Canadian LF/VLF newsletter 
  6. _Northern Observer_ [issue #23, mid-December 1990].  It is posted here 
  7. by permission of the author.)
  8.  
  9. Inexperienced techs, and engineers fresh out of school, frequently 
  10. assume that once you know the value of a capacitor you know almost 
  11. everything there is to know about it that's important.  After all, 
  12. this rule of thumb works with resistors most of the time.  But there 
  13. are very important differences between the various types of 
  14. capacitors-- which is the reason that so many different types are 
  15. marketed.  I will discuss the important properties of the more common 
  16. types of capacitors that you are likely to encounter.  This discussion 
  17. will not cover specialty capacitors.
  18.  
  19. ALUMINUM ELECTROLYTICS pack a lot of capacitance into a relatively 
  20. small volume, and are cheap.  They are used primarily for power-supply 
  21. filtering, low-frequency AC coupling, and DC blocking.  In general 
  22. they are not suitable for other applications because they have very 
  23. sloppy tolerances, exhibit marked temperature drift, have low Q, 
  24. require DC biasing of known polarity (except special nonpolarized 
  25. units), and have high leakage currents, especially if the capacitor 
  26. has not been used for a long period of time.  If biased with the wrong 
  27. polarity of DC voltage, they usually explode within several seconds or 
  28. minutes, creating a substantial hazard.  Aluminum electrolytic 
  29. capacitors gradually deteriorate with age, though this problem is not 
  30. a serious one with modern units.  Never use old or surplus 
  31. electrolytics-- buy new; they're cheap.  Aluminum electrolytics give 
  32. best life and performance when used at close to their rated voltage.  
  33. Don't use a 100 volt unit in a 10 volt circuit.  A 16 volt unit would 
  34. be much better.  Aluminum electrolytics are widely available in 
  35. ratings from 1 to 10,000 microfarads (uF), with voltage ratings up to 
  36. several hundred volts in the low to medium capacitance ranges.
  37.  
  38. SOLID TANTALUMS.  These are solid semiconductor electrolytics with 
  39. properties that are generally better than aluminum units.  They are 
  40. widely used for power-supply decoupling and low-frequency AC coupling.  
  41. They are much more stable with time and temperature than are aluminum 
  42. electrolytics, and have higher Q as well.  It's OK to use them at 
  43. voltages much lower than their rating, but they _are_ polarized and 
  44. should never be allowed to become reverse-biased.  A reverse-biased 
  45. solid tantalum may work for seconds to several days, but it _will_ 
  46. fail, usually with a horrible stench and possibly fire.  Solid 
  47. tantalums are sometimes used in non-critical timing and frequency 
  48. filtering circuits.  Solid tantalum capacitors are widely available in 
  49. ratings from 0.47 to 47 microfarads at up to 35 volts in the lower 
  50. capacitance values.
  51.  
  52. POLYESTER (Mylar (tm)) FILM CAPS.  These popular capacitors are widely 
  53. available in ratings from .001 to 10 uF, at voltages up to 630 volts 
  54. in the medium and low capacitance values.  They receive use in a wide 
  55. variety of applications, particularly in audio-frequency circuits.  
  56.  
  57. Their temperature curve is fairly flat at room temperature, providing 
  58. good stability when used in equipment that will not be used outdoors.  
  59. Aging is generally less than 1% over the life of the product.  Q 
  60. factor is several hundred at audio frequencies, but plummets at higher 
  61. frequencies, making them generally unsuited for RF work.  Dielectric 
  62. absorption and DC leakage preclude their use in high-performance 
  63. sample-and-hold circuits.
  64.  
  65. POLYCARBONATE FILM CAPS are rather similar to polyester caps, but most 
  66. of their electrical properties are better.  The temperature curve is 
  67. relatively flat over a much wider range and is generally within the 
  68. range of +25 to -50 ppm per degree C at room temperature.  Q is about 
  69. 1000 in the audio range, dropping to about 100 at 1 MHz.  Dielectric 
  70. absorption and leakage are low enough to allow use in medium-
  71. performance sample-and-hold circuits.  Polycarbs are bulkier than 
  72. polyesters for a given capacitance and voltage rating, and they cost 
  73. more.  They are available in tighter tolerances (1%) than polyesters, 
  74. and they generally age less than 0.2% over the life of the product.  
  75. Polycarbs are manufactured in the same capacitances and voltage ranges 
  76. as polyesters, but are not as widely available as polyester since they 
  77. are more costly.  Probably the most common uses for polycarbs are 
  78. high-Q audio filters, tight-tolerance RC timers, and precision 
  79. instrumentation circuits.
  80.  
  81. POLYPROPYLENE FILM CAPS.  Somewhat similar to polycarb, but reserved 
  82. for even ore critical applications.  Aging is generally less than 0.1% 
  83. over the life of the product, dielectric absorption and DC leakage 
  84. specs are even better, and Q is several thousand in the audio-
  85. frequency range.  The temperature coefficient is fairly steep-- about 
  86. -220 parts per million per deg. C.-- but the curve is flat, making it 
  87. possible to use other components to compensate for temperature drift 
  88. over a wide range if that is necessary.  Polypropylene film caps are 
  89. used to some extent in lower frequency RF work, where positive tempco 
  90. inductors can be used to balance the tempco of the capacitor to 
  91. produce a very stable tuned circuit.  Polypropylene caps are generally 
  92. available in the range of 470 pF to 1 uF, up to 630 volts, are harder 
  93. to find than polyesters and polycarbs, and are more expensive and 
  94. bulkier than polycarbs.  Digi-Key sells 2% tolerance units and most 
  95. manufacturers have 1% tolerance units available.  Most usage of 
  96. polypropylene caps is in high-performance tuned circuits, timers, and 
  97. sample-and-hold circuits; however, they are starting to see use in 
  98. switching power-supplies because their high Q allows them to handle 
  99. large amounts of power without overheating or reducing efficiency.
  100.  
  101. POLYSTYRENE FILM CAPS.  Extremely low dielectric absorption and DC 
  102. leakage make this a popular capacitor for high-performance S/H 
  103. circuits and integrating A/D converters.  Its superb stability (ageing 
  104. typically less than .05% over life) and predictably low temperature 
  105. coefficient (-150 to -190 ppm per deg. C) over a very wide temperature 
  106. range make this a common capacitor in high-performance 
  107. instrumentation.  Its extremely high Q (over 10000 in the audio range, 
  108. and several hundred at 1 MHz) make it popular for lower-frequency RF 
  109. tuned circuits.  Readily available in values from 100 pF to .01 uF--  
  110. Higher values are difficult to find, and they are very bulky.  
  111. Polystyrene caps are very easily damaged by heat from soldering, and 
  112.  
  113. by solvents.  Because of this, polystyrene capacitors are losing 
  114. popularity (primarily to polypropylenes and to NPO ceramic 
  115. capacitors).
  116.  
  117. EXOTIC PLASTIC-FILM CAPS include Teflon (tm), polysulfone, parylene 
  118. and other dielectrics.  These are generally available only on special 
  119. order from the factory, and they aren't used except when nothing else 
  120. will do.  The exotics generally exhibit some combination of high 
  121. stability and/or operation at high temperatures.
  122.  
  123. CERAMIC CAPACITORS.  These are even ore diverse a group than the 
  124. plastic film capacitors, and are even less interchangeable.  When you 
  125. buy surplus or used ceramic caps, you usually don't know what kind you 
  126. are getting.  If you don't know what kind they are, don't buy 'em.
  127.  
  128. NPO (COG) CERAMICS.  These are very stable with time and temperature, 
  129. and have high Q at RF.  Temperature coefficient is les than +-50 
  130. ppm/deg.C and ageing is extremely low.  Widely available in values 
  131. form 5 pF to 1000 pF (and less widely available 1 to 10000 pF) in two 
  132. popular styles:  disc and multilayer.  The multilayers are more 
  133. compact in the larger capacitance values.  A tubular style used to be 
  134. popular but is rarely seen anymore.  When handling and soldering 
  135. ceramic capacitors of any type, use care--  the leads on some 
  136. manufacturers' units are poorly bonded to the capacitor plates, and 
  137. detach easily.  On some, the attachment solder melts at a temperature 
  138. lower than that of ordinary solder, so if in doubt, use pliers as a 
  139. heat-sink on the leads.  If the wire _does_ detach, the protective 
  140. coating will often hold it in place, leaving an open or intermittent 
  141. capacitor that looks physically perfect.  NPO capacitors are widely 
  142. used in RF circuitry.  They are gradually displacing micas in most 
  143. applications because they have higher Q and better stability than most 
  144. micas.  In addition, the multilayer NPO's are much smaller than micas.
  145.  
  146. X7R CERAMICS.  These are designed for general-purpose use where 
  147. stability is not critical.  A rather wobbly temperature curve keeps 
  148. capacitance variation due to temperature change within +-5% of room 
  149. temperature value from -40 to +90C.  Capacitance can decrease up to 
  150. several percent with aging.  Initial tolerance is generally 10 or 20%-
  151. - tighter tolerances are not available because aging effects would 
  152. make tighter tolerances meaningless.  Three styles are popular-- disc, 
  153. multilayer, and military CK05 box style.  Popular values range from 
  154.  .001 to 0.1 uF; lower and higher values are available.  Polyester film 
  155. caps are gradually displacing X7R ceramics in many applications; 
  156. however, where space is critical, multilayer X7R's can still beat 
  157. polyester film caps for size.
  158.  
  159. Z5U CERAMICS.  These are used almost exclusively for power-supply 
  160. bypassing.  Their capacitance changes markedly with temperature, and 
  161. there is an appreciable capacitance loss with aging.  Both disc and 
  162. multilayer styles are popular, and values from .01 to 2 uF are readily 
  163. available.  The multilayer type can be smaller than an aluminum 
  164. electrolytic of the same capacitance.  Z5U's have lower impedance at 
  165. high frequencies than do electrolytics, and do not require a DC bias 
  166. voltage since they aren't polarized.  Because of these reasons, they 
  167. are more popular than aluminum electrolytics in values below 1 uF.
  168.  
  169.  
  170. TEMPERATURE-COMPENSATING CERAMICS are generally similar to NPO 
  171. ceramics, but are designed to have a specified negative temperature 
  172. coefficient.  They are hard to find, and are used primarily for 
  173. temperature compensation of other components such as inductors or 
  174. quartz crystals at RF.
  175.  
  176. REDUCED TITANATE (BARRIER TYPE) CERAMICS.  Not used much anymore.  
  177. This group comprises a wide variety of temperature coefficients and 
  178. capacitance values.  They require DC polarization, have low voltage 
  179. ratings (as low as 3 volts), have extremely high leakage.  They met a 
  180. need for small capacitors in the early days of the transistor, before 
  181. modern multilayer ceramics were developed.
  182.  
  183. OTHER CERAMICS.  There are other ceramic types available, the most 
  184. popular of which are probably formulations designed to get more 
  185. capacitance per unit volume for power-supply bypassing applications.  
  186. These formulations are generally less stable than Z5U and should be 
  187. used only for power-supply bypassing.  Values up to about 10 uF are 
  188. available.
  189.  
  190. MICA CAPACITORS have a low temperature coefficient, good stability, 
  191. and high Q at radio frequencies.  However, the performance of NPO 
  192. ceramics is in general slightly superior, and the NPO's are usually 
  193. cheaper and smaller as well.  Mica capacitors are readily available in 
  194. values from about 3 pF to several thousand pF.  They are still a bit 
  195. easier to obtain in tight tolerances (to 1%) and high voltage ratings 
  196. than are NPO's.
  197.  
  198. PAPER CAPACITORS used to be _the_ general-purpose capacitor, but have 
  199. been almost entirely superseded by polyester and ceramic capacitors.  
  200. They are still used to some extend in applications involving AC line 
  201. power, for instance, motor-starting capacitors.  The paper is normally 
  202. impregnated with an oil or some other material that is the actual 
  203. dielectric.
  204.  
  205. FILM VARIABLE CAPACITORS.  These are the little plastic variable 
  206. capacitors in modern portable radios.  The dielectric is a plastic 
  207. film-- polyethylene, I think, but possibly something else.  The 
  208. temperature coefficient is probably about -200 ppm/deg C, which 
  209. compensates a tuning inductor having a tempco of +200 ppm.  Installing 
  210. a proper knob on one of these (or even installing it, period) can take 
  211. some ingenuity or access to rare hardware.  Sometimes good hardware 
  212. can be cannibalized from a junked receiver.
  213.  
  214. AIR VARIABLE CAPACITORS.  More stable than the film variables, and 
  215. available in a much wider range of voltages, capacitances and styles.  
  216. Unfortunately, there are few manufacturers still in business, and 
  217. prices of new units are quite high.  Experimenters usually obtain air 
  218. variable caps through surplus houses or by cannibalizing old 
  219. equipment.  The high voltages encountered in most transmitters 
  220. preclude the use of film variable caps.  Many air variable caps come 
  221. with a 1/4 inch diameter shaft, making it easy to install a knob or 
  222. other hardware.  Maximum capacitance available is about .002 uF.
  223.  
  224.  
  225. VACUUM VARIABLE CAPACITORS withstand very high voltages, and are used 
  226. in the power and antenna circuits of radio transmitters.  They are 
  227. very expensive, generally over $200 if purchased new.  Experimenters 
  228. usually obtain them from surplus houses or by cannibalizing old 
  229. equipment.
  230.  
  231. TRIMMER CAPACITORS.  These are designed for set-and-forget, not to be 
  232. frequently adjusted like the other variable capacitors discussed.  
  233. Popular types are rotary )air, film or ceramic dielectric), and mica 
  234. compression types.  Air types are most stable, and generally most 
  235. expensive.  Film and ceramic types often have rather high temperature 
  236. coefficients.  Mica compression type has low temp. coefficient, but is 
  237. prone to come out of adjustment by itself.  The mica compression type 
  238. is available in maximum values up to 2000 pF, ceramic and film types 
  239. up to about 150 pF, and air type to about 60 pF.
  240.  
  241. DOUBLE LAYER "MEMORY BACKUP" CAPACITORS.  These devices have 
  242. electrical properties intermediate between an electrolytic capacitor 
  243. and a rechargeable battery.  Nominal capacitance values range from 
  244. about .02 to several Farads.  They must be used at about their rated 
  245. voltages (which is usually 5.5 volts).  They are used to provide power 
  246. backup to CMOS memory for up to several hours in the event of a power 
  247. outage.  I am not aware of any other use for these "capacitors."
  248.  
  249. --
  250.  
  251. posted with author's permission by   Frank Reid  W9MKV  
  252.                                      reid@ucs.indiana.edu
  253. e