Какой тип конденсатора выбрать. Как выбрать конденсатор для различных применений: ключевые параметры и рекомендации

Какие основные параметры нужно учитывать при выборе конденсатора. Как правильно подобрать емкость, рабочее напряжение и тип конденсатора. Какие особенности есть у разных видов конденсаторов. На что обратить внимание при выборе конденсаторов для фильтрации, развязки и других применений.

Основные параметры для выбора конденсатора

При выборе конденсатора для конкретного применения необходимо учитывать несколько ключевых параметров:

• Емкость
• Рабочее напряжение
• Тип диэлектрика
• Допуск (точность емкости)
• Температурный коэффициент емкости
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)
• Максимальный импульсный ток
• Собственная индуктивность
• Габариты

Рассмотрим подробнее, как правильно выбрать значения этих параметров для разных применений конденсаторов.

Как подобрать емкость конденсатора

Емкость — это основной параметр конденсатора, определяющий количество заряда, которое он может накопить. Выбор емкости зависит от конкретного применения:

• Для фильтрации в источниках питания обычно требуются большие емкости — сотни и тысячи микрофарад
• Для развязки по питанию достаточно 0.1-10 мкФ
• В высокочастотных цепях используются малые емкости — десятки-сотни пикофарад
• Для времязадающих цепей емкость рассчитывается исходя из требуемой постоянной времени

Для расчета емкости фильтрующего конденсатора в выпрямителе можно использовать формулу:

C = I / (2 * f * U_пульс)

где I — ток нагрузки, f — частота пульсаций, U_пульс — допустимое напряжение пульсаций.

Выбор рабочего напряжения конденсатора

Рабочее напряжение конденсатора должно с запасом превышать максимальное напряжение в схеме. Рекомендуется выбирать конденсатор с номинальным напряжением как минимум в 1.5-2 раза выше максимального рабочего:

• Для низковольтных цепей (до 50В) запас 30-50%
• Для высоковольтных цепей запас 100% и более
• Учитывать возможные броски напряжения
• Для импульсных применений номинал выбирается по пиковому напряжению

Завышение рабочего напряжения повышает надежность, но увеличивает габариты и стоимость конденсатора.

Основные типы конденсаторов и их особенности

Существует несколько основных типов конденсаторов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки:

Керамические конденсаторы

• Малые габариты
• Низкая собственная индуктивность
• Широкий диапазон емкостей и напряжений
• Нелинейность емкости от напряжения
• Подходят для ВЧ применений и развязки

Пленочные конденсаторы

• Высокая стабильность параметров
• Малые потери на высоких частотах
• Способность выдерживать большие импульсные токи
• Относительно большие габариты
• Применяются в силовой электронике, фильтрах

Электролитические конденсаторы

• Большие емкости при малых размерах
• Высокие токи утечки
• Ограниченный срок службы
• Полярные (есть и неполярные варианты)
• Используются для фильтрации в источниках питания

Правильный выбор типа конденсатора позволяет оптимизировать характеристики схемы.

Особенности выбора конденсаторов для фильтрации

При выборе конденсаторов для фильтрации в источниках питания следует обратить внимание на следующие моменты:

• Требуемая емкость зависит от тока нагрузки и допустимых пульсаций
• Необходимо учитывать максимальный импульсный ток заряда
• Для снижения ESR часто используют параллельное включение конденсаторов
• На высоких частотах керамические конденсаторы эффективнее электролитических
• Для мощных импульсных преобразователей применяют специальные низкоимпедансные конденсаторы

Оптимальным часто является сочетание электролитического конденсатора большой емкости с керамическими или пленочными для фильтрации ВЧ помех.

Выбор конденсаторов для развязки по питанию

Конденсаторы развязки служат для подавления помех по цепям питания. При их выборе важно учитывать:

• Типовые емкости 0.1-10 мкФ
• Малая собственная индуктивность
• Расположение максимально близко к выводам питания микросхем
• Для аналоговых схем используют керамические конденсаторы с диэлектриком X7R, NPO
• В цифровых схемах применяют многослойные керамические конденсаторы (MLCC)

Правильный выбор и установка развязывающих конденсаторов позволяет значительно снизить уровень помех в схеме.

Как учитывать температурную зависимость емкости

Емкость конденсаторов может значительно меняться с температурой. Это особенно критично для времязадающих и частотозадающих цепей. При выборе конденсатора нужно учитывать:

• Температурный коэффициент емкости (ТКЕ)
• Диапазон рабочих температур схемы
• Допустимое изменение емкости

Наиболее стабильны конденсаторы с диэлектриком NPO (COG) — их емкость практически не зависит от температуры. Для ответственных применений рекомендуется выбирать конденсаторы с нормированным ТКЕ.

Особенности выбора конденсаторов для высокочастотных цепей

В ВЧ и СВЧ схемах критичными становятся паразитные параметры конденсаторов. При выборе необходимо учитывать:

• Собственную резонансную частоту конденсатора
• Добротность на рабочей частоте
• Зависимость емкости от частоты
• Потери в диэлектрике на высоких частотах

Для ВЧ применений оптимальны керамические конденсаторы с диэлектриком NPO, а также некоторые типы пленочных конденсаторов. Важно использовать конденсаторы в корпусах для поверхностного монтажа с минимальной паразитной индуктивностью.

Рекомендации по применению электролитических конденсаторов

Электролитические конденсаторы позволяют получить большие емкости при малых размерах, но имеют ряд особенностей:

• Ограниченный срок службы, особенно при повышенных температурах
• Высокие токи утечки
• Изменение емкости и ESR в процессе эксплуатации
• Чувствительность к перенапряжениям и неправильной полярности включения

При применении электролитических конденсаторов рекомендуется:

• Выбирать конденсаторы с запасом по напряжению
• Учитывать снижение емкости при низких температурах
• Не допускать работы на предельных токах пульсаций
• Применять схемы активного выравнивания напряжения при последовательном включении

При правильном выборе и применении электролитические конденсаторы обеспечивают отличные характеристики при минимальных габаритах и стоимости.

Конденсаторы для пассивных снабберных цепей

В статье кратко рассматриваются пассивные снабберные цепи. Основной акцент сделан на выборе конденсаторов для этих цепей. В качестве примера приводятся основные параметры керамических конденсаторов компании TDK и пленочных конденсаторов компании Vishay.

Пассивные снабберные цепи

Снабберные цепочки – неотъемлемая составляющая часть силовых преобразователей и схем, в которых происходит быстрая коммутация силовых ключей, например в усилителях типа D. Известно несколько схем снабберных цепочек. В состав каждой из них входит конденсатор. Необходимость снабберной цепи иллюстрируется рисунком 1. На нем при разной развертке осциллографа показан звон, возникающий на фронтах переключения силового ключа. Если не принять никаких мер, едва ли при таком звоне удастся уложиться в жесткие стандарты электромагнитной совместимости.

Рис. 1. Звон на фронтах переключения силовых ключей

Для устранения звона используют разные схемы снабберных цепей. На рисунке 2 показана RCD-цепь. Иногда используется еще более простая RC-цепь. В этом случае отсутствует диод, показанный в схеме на рисунке 2.

Рис. 2. Снабберная RCD-цепь

Принцип работы снабберной цепочки крайне прост: при запирании ключа ток индуктивности заряжает конденсатор, а выключение ключа происходит в режиме мягкой коммутации. При отпирании ключа конденсатор разряжается через него, ток разряда ограничен резистором R снабберной цепи. Разумеется, поскольку резистор должен быть безындуктивным, не следует выбирать проволочные резисторы.

Приближенный расчет компонентов снабберной RCD-цепи основан на двух соотношениях:

 

где С – емкость конденсатора снабберной цепи; I – ток стока в начале запирания ключа; t – время запирания ключа; V – напряжение ограничения стока; f – рабочая частота; P – мощность, рассеиваемая снаббером.

Рассмотрим пример со следующими исходными данными:

• рабочая частота ключа: 100 кГц;
• время открытого состояния ключа (мин. ): 200 нс;
• ток ключа: 1 А;
• время запирания ключа: 50 нс;
• напряжение на ключе (пик.): не более 80 В.

Из выражения (1) определяем емкость конденсатора:

С = (1×50×10^–9)/80 = 0,625×10^–9 = 625 пФ.

Из соотношения (2) определяем мощность, рассеиваемую на резисторе снабберной цепи:

P = (10⁵ × 0,625 × 10^–9 ∙ 80²)/2 = 0,4 Вт.

Величину резистора выбираем из условия разряда конденсатора в течение минимального времени открытого состояния ключа: 200 нс = (3…4) ∙ RC.

Таким образом, R = 200 × 10^–9/(3…4) × 0,625 ∙ 10^–9 = 80–107 Ом. Определим емкость конденсатора из ряда Е24, например 680 пФ, и выберем сопротивление из ряда 68–82 Ом.

В инверторах при очень крутых фронтах переключения, например при использовании карбидокремниевых ключей, применяется 2‑каскадная схема снабберной цепи [1]. Ее пример приведен на рисунке 3, где указаны производители конденсаторов, типы конденсаторов и схема их включения.

В этой схеме используются слюдяные конденсаторы компании Soshin Electric, пленочные конденсаторы компании Nippon Chemi-Con и керамические конденсаторы Murata.

Рис. 3. 2-каскадная снабберная цепь

Оптимальным вариантом подавления звона и, соответственно, уменьшения электромагнитных помех является активная ограничивающая цепь. Однако ее применение для преобразователей малой мощности не всегда целесообразно с точки зрения стоимости и габаритов преобразователя. В силу этих причин пассивные снабберные цепи по-прежнему актуальны для экономичных преобразователей малой мощности.

Помимо приведенного выше очень простого прикидочного расчета существуют еще несколько более сложных методик расчета снабберной цепи, но они, к сожалению, не учитывают паразитные параметры конденсаторов и контуров силовых проводников. Поэтому, как бы ни были сложны расчеты с помощью этих методик, окончательный вариант компонентов снабберной цепи можно получить лишь после ее макетирования. При использовании RC-цепи измерить ток довольно просто – достаточно определить напряжение на резисторе.

В случае RCD-цепи придется включать токовый пробник между конденсатором и резистором.

 

При выборе снабберных конденсаторов сразу же по целому ряду причин следует отбросить вариант с электролитическими конденсаторами. У них довольно большая величина эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), из-за чего они перегреваются, и сокращается их срок службы. Они плохо переносят значительные пиковые токи, что также ведет к сокращению срока службы. Кроме того, у них довольно низкая надежность. Не могут похвастаться надежностью и стойкостью к перегреву и танталовые конденсаторы с электролитом MnO2. Их также не следует применять в снабберных цепях.

Для снабберных цепей отлично подходят слюдяные конденсаторы, но они, к сожалению, довольно дороги и, к тому же, их емкость невелика. Эти компоненты применяются лишь в 2‑каскадных схемах (см. рис. 3) для сглаживания коротких высоковольтных «иголок» напряжения помех.

Если речь идет о мощных преобразователях с токами в десятки и сотни ампер, то вне конкуренции пленочные конденсаторы. Помимо способности выдерживать большие импульсные токи, в десятки раз превышающие номинальный нормируемый среднеквадратичный ток, к их весьма весомым преимуществам следует отнести способность к самовосстановлению пленки, что заметно повышает безопасность их эксплуатации. При повреждении полимерной пленки из-за электрических перегрузок или механических воздействий в месте повреждения возрастает ток, что приводит к нагреву поврежденного участка и разрушению молекулярной структуры. Таким образом, поврежденный участок изолируется. Отметим также высокие нормируемые напряжения и продолжительный срок службы пленочных конденсаторов. Предпочтительно использовать конденсаторы с полипропиленовой пленкой.

В приложениях, где мощность преобразователя невелика и токи не превышают нескольких ампер, вне конкуренции уже керамические конденсаторы – полипропиленовые компоненты в этом случае явно избыточны, и их габариты соизмеримы с габаритом всего преобразователя, а то и превышают их. При использовании керамических конденсаторов нельзя превышать максимально допустимый ток – в противном случае срок службы конденсатора заметно сократится.

С внедрением в повседневную практику полупроводниковых SiC- и GaN-приборов значительно возросли скорости их переключения, однако максимальную скорость изменения напряжения керамических и пленочных конденсаторов тоже можно ограничить величиной 50 В/нс или чуть выше. Не следует экономить место и выбирать керамический конденсатор меньшего размера – в этом случае он может перегреваться из-за меньшей поверхности охлаждения и, вероятно, его емкость будет в большей мере подвержена влиянию заряда.

К сожалению, зависимость емкости конденсатора от заряда не нормируется производителем и может отличаться у разных производителей даже при одинаковом типе диэлектрика и классе температурной зависимости. С учетом этого обстоятельства при выборе следует отдать предпочтение керамическим конденсаторам известных производителей. Поскольку керамические конденсаторы не могут конкурировать с пленочными по нормируемому напряжению и максимальному импульсному току, приходится составлять целую батарею из керамических конденсаторов, если по каким-либо причинам в преобразователе средней мощности необходимо использовать именно их.

Рис. 4. Звон на фронтах переключения SiC MOSFET при разных вариантах снабберной цепи

На рисунке 4 показан звон на фронтах переключения SiC MOSFET при разных вариантах снабберной цепи. Как видно из рисунка, наилучший результат получается при использовании керамических конденсаторов благодаря их отличным частотным свойствам. Именно по этой причине производители стараются модифицировать эти компоненты для работы в силовых цепях. Например, компания TDK стала выпускать керамические конденсаторы семейства CeraLink с диэлектриком свинец-лантан-цирконий-титан (PLZT). Новый диэлектрик позволяет увеличить нормируемое напряжение и емкость керамических конденсаторов, но, к сожалению, у них сохраняется та же температурная зависимость, что и у конденсаторов с традиционным диэлектриком. Обратим внимание на сильную зависимость сопротивления ESR этих конденсаторов от частоты. На рисунке 5 приведены частотные характеристики для одной из групп конденсаторов серии FA семейства CeraLink.

Рис. 5. Частотные характеристики для одной из групп конденсаторов серии FA семейства CeraLink

На рисунке 6 показано место новых конденсаторов среди конденсаторов остальных типов. Приведем основные параметры серии FA последней новинки семейства CeraLink:

• нормируемые напряжения: 500, 700 и 900 В;
• емкость: 0,5–10 мкФ;
• ESR на частоте 1 кГц: 1–11 Ом;
• ESR на частоте 1 МГц: 3–29 мОм;
• ESL: 2 нГн, 3 нГн;
• нормируемый среднеквадратичный ток при 100 кГц: 8–47 А.

Рис. 6. Область значений напряжения и емкости конденсаторов разных типов

Если вы остановили выбор на пленочных конденсаторах, лучше выбрать специализированные конденсаторы для снабберных цепей. Их производят несколько компаний. На российском рынке наиболее доступна продукция компании Vishay. В ее производственной линейке семейство пленочных конденсаторов МКР386 М специализировано под использование в снабберных цепях. Зависимость импеданса конденсаторов от частоты для конденсаторов с разной высотой корпуса L, а следовательно, с разной эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL), приведена на рисунке 7. Основные параметры семейства МКР386 М:

• нормируемые напряжения V_NDC: 700–2500 В;
• нормируемые напряжения V_RAC: 420–800 В;
• скорость нарастания импульса (макс.): 370–2500 В/мкс;
• емкость: 0,047–10 мкФ;
• нормируемый среднеквадратичный ток при 100 кГц: 6–29 А;
• пиковый ток: 264–1850 А;
• ESR на частоте 100 кГц: 1,5–16 мОм;
• тангенс угла потерь при 100 кГц:
  30 × 10^–4  – 75 × 10^–4;
• срок службы: не менее 300 тыс. ч;
• рабочая температура корпуса (макс.): 105°C.

Рис. 7. Зависимость импеданса конденсаторов семейства МКР386М от частоты

Параметры конденсаторов в довольно большой мере зависят от температуры. Например, если температура корпуса не превышает 85°C, амплитуда допустимого импульса перенапряжения, действующего в течение 2 с, достигает 1,6V_NDC, а при температуре выше 85°C эта величина уменьшается до 1,1V_NDC.

Литература

1. Tips for Practical Use: Snubber Capacitors//techweb. rohm.com.

Журнал про Радио: Как правильно выбрать конденсатор

Как правильно выбрать конденсатор и как оценить преимущества и недостатки разных типов конденсаторов?

Выбрать необходимый тип конденсатора для конкретной разработки совсем не трудно. Большинство выпускаемых промышленностью конденсаторов в зависимости от применения можно разделить на четыре группы:

— разделительные конденсаторы, разделяющие сигналы постоянного и переменного тока в цепи полезного сигнала (рис. 1, а)
— развязывающие конденсаторы, фильтрующие ВЧ составляющую в цепи постоянного тока или НЧ сигнала (рис. 1, б)
— конденсаторы для частотно избирательных цепей, включая активные и пассивные фильтры (рис. 1, в)
— запоминающие конденсаторы, предназначенные для УВХ и интеграторов (рис. 1, г).

Рис. 1. Особенности применения конденсаторов

Несмотря на то, что существует достаточно много типов конденсаторов и среди них такие широко применяемые, как пленочные, полистирольные, керамические, электролитические и т. д., для каждого конкретного случая выбор, как правило, ограничивается всего несколькими типами конденсаторов. Это объясняется тем, что на предварительном этапе легко могут быть исключены конденсаторы, которые или не отвечают системным требованиям, или их паразитные параметры высоки.

Поясните происхождение паразитных параметров конденсаторов?

В отличие от идеального, реальный конденсатор имеет паразитные параметры, характеризуемые паразитным сопротивлением или индуктивностью (рис. 2). Кроме того, реальные конденсаторы обладают нелинейностью и имеют утечку. Перечисленные параметры в том или ином виде указаны в техническом описании (data sheet). Зная величину паразитных параметров и токи утечки, легко выбрать оптимальный конденсатор для конкретного применения.

Рис. 2. Электрическая модель реального конденсатора

Как паразитные параметры влияют на характеристики конденсатора?
В реальном конденсаторе имеются четыре вида паразитных параметров, влияющих на его характеристики (рис. 2):

— утечки, характеризуемые паразитным параллельным резистором RP (рис. 3, б)
— нелинейность, вызванная паразитными последовательными сопротивлением (ESR) и индуктивностью (ESL)
— утечки, вызванные абсорбцией диэлектрика (RDA, CDA).

Паразитное параллельное сопротивление RР необходимо учитывать при построении УВХ и интеграторов, а также при использовании конденсаторов в высокоомных цепях. В идеальном конденсаторе заряд изменяется при протекании внешнего тока (рис. 3, а). В реальном конденсаторе изменение заряда при отсутствии внешнего тока определяется постоянной времени, равной RРC (рис. 3, б).

Рис. 3. Модели конденсаторов: идеального (а) и реального с цепью утечки (б)

В электролитических конденсаторах (танталовых и алюминиевых) при большой емкости токи утечки тоже велики и могут составлять до 520 нА на одну микрофараду. Поэтому конденсаторы этого типа не используются для хранения зарядов. Наилучшими для такого применения являются тефлоновые конденсаторы и другие конденсаторы с полимерным изолятором (полипропиленом, полистиролом и т. д.)

Эквивалентное последовательное сопротивление (Equivalent Series Resistance – ESR) RS (рис. 2). Последовательное сопротивление конденсатора определяется эквивалентным сопротивлением выводов и пластин. Это сопротивление обусловливает потери в конденсаторе, которые могут быть существенными при протекании через него большого переменного тока. Наличие такого сопротивления приводит к импульсным помехам, если конденсатор используется как развязывающий в цепях питания или в качестве проходного в радиочастотных цепях. В прецизионных аналоговых цепях с высоким импедансом ESR приводит к увеличению погрешности.

Минимальная величина ESR присуща слюдяным и пленочным конденсаторам.

Эквивалентная последовательная индуктивность (Equivalent Series Inductance – ESL) LS (рис. 2). Последовательная индуктивность конденсатора определяется эквивалентной индуктивностью выводов и пластин конденсатора. ESL подобно ESR может вызвать искажения не только в высокочастотных, но и в низкочастотных цепях и даже на постоянном токе. Причина заключается в том, что используемые в прецизионных цепях транзисторы могут иметь достаточно высокое усиление в широкой, вплоть до единиц гигагерц, полосе частот, в связи с чем эти транзисторы могут усиливать слабые сигналы, возникающие в паразитном колебательном контуре. Паразитная индуктивность приводит к искажениям в высокочастотных цепях развязки.

Электролитические бумажные или пленочные конденсаторы не предназначены для использования в цепях развязки высокочастотных цепей. Эти конденсаторы состоят из слоя фольги и двух слоев изолятора, свернутых в рулон. Такая конструкция приводит к образованию большой паразитной индуктивности, оказывающей существенное влияние на работу устройства в полосе радиочастот.

Более предпочтительными для использования в цепях развязки радиоустройств являются керамические конденсаторы, имеющие минимальную паразитную индуктивность. Они имеют многослойную конструкцию, в которой слои металлической фольги изолированы друг от друга керамическим диэлектриком. Такая конструкция, в отличие от рулонной, имеет классическую структуру, поэтому паразитная индуктивность керамических конденсаторов ниже индуктивности электролитических.

Недостатком керамических конденсаторов является слабая устойчивость к вибрациям. Некоторые из них могут самовозбуждаться, несмотря на минимальные ESR и ESL. Дисковые керамические конденсаторы имеют минимальную стоимость, однако их ESL выше по сравнению с паразитной индуктивностью керамических конденсаторов в другом конструктивном исполнении.

Некоторые производители вместо утечки, ESR и ESL конденсатора используют обобщенный параметр, получивший название “коэффициент рассеяния” и характеризующий интегральное качество конденсатора. Этот коэффициент определяется отношением рассеиваемой энергии к энергии хранения за один цикл заряда. Фактически, значение этого коэффициента эквивалентно коэффициенту мощности или cosφ. На высоких частотах фактор рассеяния хорошо моделируется паразитным последовательным резистором, т. е. на интересующей нас частоте отношение ESR к полному сопротивлению конденсатора позволяет определить коэффициент рассеяния DF

DF≈ωRSC.

Коэффициент рассеяния может быть представлен в единицах заряда, что иногда встречается в технических описаниях.

Диэлектрическая абсорбция. Монолитные керамические конденсаторы непригодны для использования в УВХ и других устройствах, в которых конденсатор применяется для хранения заряда, вследствие значительной диэлектрической абсорбции. Из-за диэлектрической абсорбции происходит разряд конденсатора. Для восстановления заряда необходимо использовать внешние цепи. Величина заряда, необходимая для подзаряда конденсатора до первоначального значения, определяет погрешность УВХ, в котором используется данный конденсатор (рис. 4).

Рис. 4. Схема заряда конденсатора (а) и временная диаграмма разряда (б), вызванного диэлектрической абсорбцией

В УВХ используются конденсаторы с минимальной диэлектрической абсорбцией. К таким конденсаторам относятся тефлоновые и другие полимерные конденсаторы. Разряд этих конденсаторов вследствие диэлектрической абсорбции не превышает 0.01% за цикл хранения.

В заключение отметим, что наилучшим решением вопроса развязки в цепях питания является использование параллельно включенных керамического и электролитического (например, танталового) конденсаторов. Такое включение конденсаторов одинаково хорошо работает на высоких и низких частотах. Нет необходимости использовать электролитический конденсатор для каждой ИМС на печатной плате. Если расстояние между ИМС на плате не превышает 10 см, достаточно использовать один танталовый конденсатор на несколько ИМС. Кроме того, необходимо помнить, что на радиочастотах даже небольшой проводник имеет достаточно большую индуктивность, поэтому конденсатор нужно располагать как можно ближе к корпусу ИМС. Длина его выводов должна быть не более 1.5 мм (рис. 5). Предпочтительнее использовать в качестве конденсаторов развязки чип конденсаторы, предназначенные для технологии поверхностного монтажа.

Рис. 5. Расположение конденсатора развязки: правильное (а) и неправильное (б)

Как правильно выбрать конденсаторы |

Конденсатор повсюду. В источниках питания, светодиодном освещении, в коммерческой электронике, в обработке сигналов и т. д. вам нужен конденсатор. Какова его конкретная роль в принципе? Конденсатор выполняет несколько функций. Это устранит проблемы с шумом в цепи, работая как фильтр. Это основная часть низкочастотных, высокочастотных, полосовых, полосовых заградительных фильтров и так далее. Также очень важно при выпрямлении получить прямолинейное напряжение постоянного тока. В источниках питания конденсатор действует как устройство накопления энергии. Много приложений для этой простой электронной части. Я больше не буду обсуждать здесь, из чего состоят конденсаторы, а просто сосредоточусь на том, как выбирать конденсаторы.

Как выбрать конденсатор – важные факторы

При выборе конденсатора для вашей схемы необходимо учитывать важные параметры. Либо хочешь на чип, либо на сквозной. Либо пленочный, либо электролитический и так далее. Давайте обсудим все соображения здесь.

1. Как выбрать конденсатор

Емкость

Емкость – это электрическое свойство конденсатора. Таким образом, это соображение номер один при выборе конденсатора. Какая емкость вам нужна? Ну, это зависит от вашего приложения. Если вы собираетесь фильтровать на выходе выпрямленное напряжение, то вам наверняка понадобится большая емкость. Однако, если конденсатор предназначен только для фильтрации шума сигнала в слабой сигнальной цепи, тогда подойдет небольшая емкость от пико до нанофарад. Итак, знайте свое приложение.

Предположим, приложение действительно предназначено для фильтрации выпрямленного напряжения, тогда вам нужна большая емкость в сотни микрофарад. Вы можете делать пробы и ошибки, пока напряжение пульсаций не будет соответствовать требованиям. Или вы можете сделать расчеты для начала.

Для мостового и двухполупериодного выпрямителя требуемая емкость может быть рассчитана, как показано ниже.

Cmin = ток нагрузки / (напряжение пульсаций x частота)

Где;

Cmin – минимальная необходимая емкость

Ток нагрузки — это просто нагрузка выпрямителя

Напряжение пульсаций — это размах колебаний напряжения при измерении на выходе выпрямителя

Частота — для мостового и двухполупериодного выпрямителя это удвоенная частота сети.

Пример:

Схема ниже представляет собой мостовой выпрямитель с входным напряжением 120 В (среднеквадратичное значение) при частоте 60 Гц, током нагрузки 2 А и требуемым напряжением пульсаций 43 В от пика до пика. Мы оценим, какой должна быть минимальная емкость, необходимая для C1.

Цепь мостового выпрямителя

Cmin = Ток нагрузки / (Напряжение пульсаций X Частота)

Cmin = 2A / (43 В X 2 X 60 Гц) = 387 мкФ

На основании приведенного ниже моделирования размах напряжения пульсаций при использовании 387 мкФ равен 35,5 В. Оно близко к 43В. Поскольку результатом расчета является минимальная емкость, при выборе емкости с более высоким значением напряжение пульсаций еще больше уменьшится.

2.

Допуск – также фактор при выборе конденсатора

Помимо емкости, при выборе конденсатора следует учитывать допуск. Если ваше приложение очень критично, рассмотрите очень маленький допуск. Конденсаторы поставляются с несколькими вариантами допуска, такими как 5%, 10% и 20%. Это ваш звонок, что есть что. Более высокий допуск в большинстве случаев дешевле, чем деталь с более низким допуском. Вы всегда можете использовать часть с допуском 20% и просто добавить больше запаса в свой дизайн.

3. Как выбрать конденсатор

Номинальное напряжение

Конденсатор повреждается при перенапряжении. Таким образом, при выборе конденсатора необходимо учитывать напряжение. Вам нужно знать уровень напряжения, где конденсатор должен быть установлен. Конденсатор в большинстве случаев устанавливается параллельно цепи, устройству или подсхеме. Хотя случаев последовательной установки конденсатора немного. В своих конструкциях я не допускаю перенапряжения более 75% . Это означает, что если фактическое напряжение цепи составляет 10 В, минимальное напряжение конденсатора, которое я выберу, равно 13,33 В (10 В/0,75). Однако такого напряжения нет. Итак, я перейду на следующий более высокий уровень, который составляет 16 В. Можно ли использовать 20В, 25В или даже выше? Ответ положительный. Это зависит от вашего бюджета, потому что чем выше напряжение, тем дороже конденсатор. Это также будет зависеть от требований к физическому размеру. Физический размер конденсатора в большинстве случаев прямо пропорционален номинальному напряжению.

Например, в приведенном выше образце схемы максимальный уровень напряжения на конденсаторе соответствует пиковому уровню 120 В (среднеквадратичное значение), которое составляет около 170 В (1,41 X 120 В). Итак, номинальное напряжение конденсатора должно быть 226,67 В (170/0,75). И я выберу стандартное значение, близкое к этому.

4. Выбор конденсатора

Номинальный ток — Знайте пульсирующий ток

Если вы не увлекаетесь электроникой или некоторое время не работаете в полевых условиях, возможно, вы не знакомы с термином пульсирующий ток. Это термин, обозначающий ток, который будет проходить через конденсатор. В идеальном случае на конденсатор не будет протекать ток, когда он установлен на линии постоянного напряжения. Однако, если фактическое напряжение на конденсаторе не является чистым постоянным током, например, есть небольшие колебания напряжения, это приведет к пульсациям тока. Для схемы малой мощности и изменения напряжения очень незначительны, вам не следует беспокоиться об этом номинальном токе пульсации.

Однако для конденсаторов, установленных для фильтрации пульсирующего постоянного тока от выпрямителя, пульсирующий ток имеет решающее значение. Чем выше нагрузка, тем выше ток пульсаций. Итак, как выбрать конденсаторы для этого приложения? Для выпрямления в большинстве случаев требуется большая емкость, чтобы получить напряжение, близкое к прямолинейному. Таким образом, первым вариантом является рассмотрение электролитического конденсатора. В некоторых приложениях, где ток пульсаций очень высок, электролитический конденсатор больше не будет работать, так как его ток пульсаций меньше. В этом случае выбираются пленочные конденсаторы, так как они имеют очень высокий номинальный пульсирующий ток. Недостатком, однако, является то, что емкость ограничена несколькими микрофарадами, поэтому нужно больше их параллельно. Учитывая приведенную ниже схему выпрямителя, конденсатор фильтра 330 мкФ и нагрузку 2 А от источника переменного тока 120 В (среднеквадратичное значение) при частоте 60 Гц. Это то же самое, что и приведенная выше схема, но перерисованная и смоделированная в LTspice. LTspice — это бесплатный инструмент моделирования цепей от Linear Technology. Если вы хотите узнать, как выполнять моделирование в LTspice, прочитайте статью Учебники по моделированию цепей LTSpice для начинающих.

Смоделированный пульсирующий ток равен 3,4592A .

Двухполупериодный выпрямитель

Если вы не знакомы с моделированием, вы можете оценить фактические пульсации тока, используя приведенное ниже уравнение.

Пульсация = C X dV X Частота

Где;

Iripple – это фактический пульсирующий ток, протекающий через конденсатор

C – емкость в цепи

dV – это изменение входного напряжения от нуля до максимума

Frequency – это частота переменного напряжения (не частота выпрямленного сигнала)

Выполним расчет приведенных выше данных:

Пульсация = C X dV X Частота

Пульсация = 330 мкФ X (170–0 В) X 60 Гц = 3,366 А

Значение очень близко к расчетному значению результат. Тогда я рассмотрю здесь максимальное текущее напряжение 75%. Итак, выбранный конденсатор должен иметь номинал пульсаций тока не менее 4,5А (3,366А/0,75).

5.

Учитывайте рабочую температуру при выборе конденсаторов

Факторы окружающей среды также необходимо учитывать при выборе конденсаторов. Если ваш продукт будет подвергаться воздействию температуры окружающей среды 100°C, не используйте конденсатор, рассчитанный только на 85°C. Аналогичным образом, если минимальная температура окружающей среды составляет -30°C, не используйте конденсатор, который может выдерживать температуру только -20°C.

Эта спецификация кажется очень простой. Однако, если конденсатор подвергается воздействию очень высокого пульсирующего тока, произойдет внутренний нагрев, что приведет к повышению температуры выше температуры окружающей среды. Значит, нужен больший запас по рабочей температуре. Например, максимальная температура окружающей среды, в которой будет устанавливаться изделие, составляет 60°C. Не просто выберите конденсатор, который может выдержать 60’C. Выберите, возможно, температурный рейтинг 105’C. Это даст достаточный запас за счет внутреннего нагрева.

6. Выбор диэлектрического материала конденсатора

В микросхеме-резисторе вы столкнетесь с этой опцией при просмотре онлайн-распространителей, таких как Mouser и Digikey. Что означает этот параметр? Это диэлектрический материал, используемый при изготовлении конденсатора. Я не могу подробно останавливаться на физике конструкции конденсатора, но в своих проектах я всегда рассматриваю диэлектрик X7R, NP0 или C0G. Обычно они имеют более высокий температурный диапазон. Ниже приведены несколько образцов X7R, NP0 или C0G в сравнении только с X5R.

X7R, NP0/C0G Диэлектрический материал X5R Диэлектрический материал

7. Как выбрать

Конденсатор – срок службы Ожидаемый срок службы

Срок службы конденсатора или ожидаемый срок службы – это период времени, в течение которого конденсатор будет оставаться работоспособным в соответствии с проектом. Это критично для электролитических конденсаторов. Для керамических конденсаторов это не проблема, и, вероятно, не стоит обращать на это внимание при выборе конденсаторов для небольших сигнальных цепей. Для него все еще существует предел жизни, но его более чем достаточно, чтобы выдержать весь жизненный цикл продукта. В отличие от электролитических конденсаторов, если они не будут должным образом оценены, они выйдут из строя до окончания жизненного цикла продукта, а этого не должно происходить. Пульсации тока сокращают срок службы конденсатора. Так что лучше управляй. В таблицах данных или от поставщиков есть справочные расчеты срока службы конденсатора. Это простые уравнения, которые вы можете использовать при выборе конденсатора в отношении ожидаемого срока службы. Некоторые также дают график для облегчения понимания. Ниже образец расчета и графика взяты из таблицы данных KEMET. KEMET является одним из ведущих производителей конденсаторов.

Расчет ожидаемого срока службы конденсатора

8.

Физические размеры и способ монтажа Факторы, влияющие на выбор конденсатора

Последнее, но не менее важное, о чем следует подумать, это физические размеры, а также способ монтажа. Иногда выбор конденсатора диктуется доступным пространством. Чип-конденсаторы имеют небольшие размеры, но с ограниченным значением емкости. С другой стороны, электролитические конденсаторы имеют большую емкость, но они громоздки. Вы собираетесь использовать поверхностный монтаж или деталь со сквозным отверстием? Ну, это зависит от вас. Оцените свои требования к пространству, прежде чем заходить далеко в других параметрах.

Пример технических характеристик конденсатора

Ниже приведены номинальные характеристики конденсатора, которые я взял со страницы электроники Mouser. Он имеет емкость, напряжение, допуск, пульсирующий ток, рабочую температуру, физические размеры, ориентацию монтажа и срок службы. Но обратите внимание, указанный срок службы — это только базовый срок службы или срок службы под нагрузкой при максимально допустимой рабочей температуре. Технические характеристики конденсатора

факторов, влияющих на выбор правильного конденсатора для вашей конструкции

Любой, кто плохо знаком с проектированием печатных плат, может иметь неправильное представление о том, что для выбора конденсатора необходимы требования к напряжению и емкости схемы. Использование конденсатора за пределами его напряжения или емкости может привести к отказу устройства.

Однако при выборе подходящего конденсатора учитывается множество других факторов, таких как температура, ESR, резонанс, коэффициент рассеяния и многое другое. Если вы упустите какой-либо из важных факторов, ваш дизайн все равно может потерпеть неудачу. Итак, давайте узнаем их всех.

Вот некоторые важные элементы, которые инженеры учитывают при выборе правильного конденсатора для своей конструкции.

Диэлектрическая проницаемость

Конденсатор — это пассивный элемент, который временно накапливает электрический заряд от внутреннего источника электрического поля перед тем, как снова рассеять его через нагрузку. Он состоит из двух металлических пластин, разделенных диэлектрическим материалом, как показано ниже.

Емкость можно рассчитать по формуле:

Здесь:

C= емкость

= диэлектрическая проницаемость

A= площадь пластин в квадратных метрах

d= расстояние между пластинами в метрах

Выбор конденсаторов с высокой диэлектрической прочностью обеспечивает высокую емкость.

В таблице ниже приведены характеристики распространенных типов конденсаторов, отсортированные по диэлектрическим материалам.

Таблица Источник: Digikey Electronics

Температура

Для каждого конденсатора указан предел рабочей температуры, указанный на упаковке. При превышении этого температурного предела изоляция вокруг диэлектрика начинает разрушаться, что может привести к потере электролита и току утечки.

Вот краткое сравнение трех популярных типов конденсаторов на основе их максимальной рабочей температуры.

Тип конденсатора	Максимальная рабочая температура
Алюминиевые электролитические конденсаторы	85°C до 150°C
Пленочные конденсаторы	макс. 110°С
Многослойные керамические конденсаторы	от 85°C до 200°C

Таким образом, всегда необходимо выбирать конденсатор, который может безопасно работать при максимальной рабочей температуре приложения.

Эффективное последовательное сопротивление

Для инженеров всегда было неожиданностью узнать, что эквивалентная схема конденсатора включает эффективное последовательное сопротивление (ESR) и эффективную последовательную индуктивность (ESL), как показано ниже. Внутреннее сопротивление связано с материалами, конструкцией и производственным процессом.

Значение ESR меняется при изменении частоты, как переменный конденсатор. На низкой частоте значение ESR очень велико и уменьшается с увеличением частоты. Он также меняется с изменением температуры.

Математическое выражение выглядит следующим образом:

Здесь Xc представляет емкостное реактивное сопротивление, включая ESR и ESL. Значение обратно пропорционально частоте работы. Термины F и C представляют собой частоту и емкость соответственно.

Это означает, что на высокой частоте конденсатор предлагает самый простой путь для протекания тока. Таким образом, конденсаторы с низким значением ESR всегда предпочтительнее. Крайне важно проверить техническое описание, чтобы определить наилучшую комбинацию температуры и частоты для работы конденсатора при низком возможном значении ESR.

Обычно ESR электролитических конденсаторов самое высокое, тогда как у пленочных конденсаторов самое низкое.

Примечание. Конденсатор с одинаковым номиналом, но от двух разных производителей, может иметь два разных значения ESR для всех одинаковых условий.

Резонанс

При прохождении через конденсатор мощность сигнала всегда снижается. Это известно как вносимые потери. В идеальном конденсаторе она увеличивается с увеличением частоты. Однако в реальном конденсаторе потери увеличиваются до тех пор, пока конденсатор не достигнет частоты собственного резонанса (частоты, при которой импеданс становится равным нулю), а затем уменьшаются.

При этом эта концепция используется для уменьшения шумового сигнала конденсатора до тех пор, пока он не достигнет собственной резонансной частоты. Вот почему в высокочастотном диапазоне необходимо использовать конденсаторы с высокой частотой собственного резонанса (или низким значением ESL) для более эффективного подавления шума.

Коэффициент рассеяния

Теперь, когда мы знаем, что конденсаторы имеют внутреннее сопротивление, логично наблюдать некоторую потерю мощности при подаче переменного напряжения. Эта скорость потерь известна как коэффициент рассеяния.

Математическое выражение выглядит следующим образом:

Здесь DF представляет коэффициент рассеяния.

Если вы возьмете техпаспорт любого конденсатора, то заметите, что при определенной температуре и частоте работы конденсатор имеет разные значения DF на разных ступенях номинального напряжения. Проконсультируйтесь с вашим CM, чтобы помочь вам выбрать лучший конденсатор для вашего приложения с наименьшим возможным DF.

Смещение постоянного тока

Номинальная емкость, указанная в техническом описании конденсатора, соответствует идеальным условиям без источника постоянного тока. Однако, если вы рассматриваете керамический конденсатор с высокой диэлектрической проницаемостью, в сценариях практического применения небольшой источник постоянного тока может изменить значение емкости. Это называется смещение постоянного тока. В таком случае у вас есть три варианта:

1. Выберите высокое значение емкости
2. Используйте физически больший размер упаковки
3. Переключиться на другой тип

Допуск

Значение допуска представляет минимальное и максимальное отклонение конденсатора от его номинального значения. Конденсатор емкостью 1000 мкФ с допустимым значением ±15% может быть разрешен для приложений 985 мкФ – 1015 мкФ. Для чувствительных приложений, таких как элементы времени, предпочтительны конденсаторы с низким допуском. Тем не менее, конденсаторы связи имеют широкий допуск, позволяющий с легкостью воспроизводить даже самые низкие частоты.

Поляризация

Поляризованные конденсаторы (P-C) используются при напряжении определенной полярности. Отрицательный вывод имеет отрицательный символ на поверхности конденсатора и имеет меньшую крышку, чем положительный вывод. Алюминиевые электролитические конденсаторы представляют собой полярные конденсаторы и поставляются с двумя крышками разной длины.

С другой стороны, неполярные конденсаторы (N-P-C) могут быть подключены к схеме любым способом. Керамические конденсаторы, пленочные конденсаторы и конденсаторы с электролитом неполярны.

P-C предлагает большое значение емкости в крошечном корпусе. Кроме того, они стоят значительно меньше, чем N-P-C, при той же емкости и номинальных напряжениях. Однако P-C имеет большой ток утечки и не может работать на более высоких частотах, как N-P-C. В то время как P-C находит свое основное применение в цепях постоянного тока, N-P-C можно использовать как в переменного, так и в постоянном токе, низких или высоких частотах.

В таблице ниже представлены типы конденсаторов и области их применения.

Типы	Характеристики	Приложения
Керамика	Силовые конденсаторы Высокая точность Неполяризованный	Резонансные схемы в передатчиках Двигатель постоянного тока для снижения шума
Электролит	Широкий допуск Высокая емкость Высокое СОЭ Поляризованный	Цепь фильтрации ИИП Фильтры нижних частот
Тантал	Высокий допуск Малый ток утечки Низкое максимальное рабочее напряжение Хорошая стабильность поляризованный	СМПС Схемы выборки и хранения Военное применение
Пленка	Хорошая стабильность Низкая индуктивность Длительный срок хранения неполяризованный	Сдвиг фаз Коррекция коэффициента мощности АЦП Разъединители
Серебряная слюда	Малая емкость Высокая стабильность Высокое напряжение неполяризованный	Радиочастотные цепи Осцилляторы

Размер конденсатора

Конденсаторы для поверхностного монтажа предлагают недорогие конденсаторы с большим отношением емкости к занимаемой площади и минимальным эффектом паразитной индуктивности, что идеально подходит для проектирования высокочастотных или высокоскоростных цепей. Однако, когда речь идет о надежности в суровых условиях, лучше всего подходят сквозные конденсаторы. Поскольку они впаяны глубоко в слои платы, механическое соединение прочнее, чем у SMD-аналогов.

Существует четыре широко используемых сквозных конденсатора:

1. Пленочные конденсаторы
2. Керамический конденсатор
3. Алюминиевый электролитический конденсатор
4. Алюминиево-полимерный конденсатор

Среди всех четырех пленочный конденсатор имеет наибольшую площадь основания (длина 2,5 см), а керамический конденсатор — наименьшую (длина <5 мм). Электролитический конденсатор уже и длиннее, а полимерный короче и толще.

Электролитические конденсаторы со сквозным отверстием широко используются в аэрокосмической и военной технике. Они также лучше всего подходят для прототипирования и тестирования.

При выборе подходящего конденсатора вам также может понадобиться искать его посадочные места на печатной плате, схематические символы, проверенные модели САПР и многое другое.