Конденсатор характеристики: Характеристики конденсаторов и каких типов они бывают

Содержание

Характеристики конденсаторов и каких типов они бывают

В прошлой статье было рассмотрено то, как работают конденсаторы и для чего они нужны. Сейчас Мы рассмотрим очень важные вопросы по подбору конденсаторов- их характеристики и типы. Помните, что очень важно подбирать подходящего типа конденсатор для определенных условий, от этого зависят их эффективность работы, долговечность и целесообразность их применения в каждой конкретной ситуации.

Характеристики конденсаторов

Основные характеристики конденсаторов наносятся на его корпусе, кроме того там указывается тип конденсатора, название фирмы изготовителя и дата выпуска.

  • Номинальная емкость конденсатора- самый важный параметр. Согласно ГОСТ 2.702 номинальная емкость в пределах  от 0 до 9 999 пФ указывается на схемах без указания единицы измерения в пикофарадах , а в пределах от 10 000 пФ до 9 999 мкФ — в микрофарадах с указанием единицы измерения буквами мк, а на самом конденсаторе- мкФ или uF.
  • После величины емкости указывается допускаемые отклонения от номинального значения.
  • Второй важный параметр- это величина номинального напряжения
    (5, 12, 50, 110, 220, 380, 660, 1 000 Вольт и т. п.). Рекомендую брать для работы в схеме всегда конденсатор с запасом по напряжению. И не в коем случае не берите с меньшим номинальным напряжением, а то произойдет пробой диэлектрика и выход из строя конденсатора.
  • Дополнительные характеристики не всегда наносятся. Это может быть рабочие температуры, рабочий ток переменный или постоянный и т. п.
  • Другие параметры. Конденсаторы могут быть однофазные и трехфазные, для внутренней  или наружной установки.

Основные характеристики Вы всегда найдете на корпусе конденсаторов.  На картинке сверху круглый конденсатор на 16мкф и 450 Вольт (АС означает переменное напряжение), а справа на 400 В и 10 uF =10 микрофарад.

Типы конденсаторов

Основная классификация конденсаторов проводится по типу используемого в нем диэлектрика, что определяет главные электротехнические характеристики конденсаторов: величину максимального напряжения, сопротивление изоляции, величину потерь, стабильность ёмкости и т. п.

Основные разновидности по виду диэлектрика:

  1. С жидким диэлектриком.
  2. Вакуумные, у которых обкладки  находятся в вакууме без диэлектрика.
  3. С газообразным диэлектриком.
  4. Электролитические и оксид-полупроводниковые конденсаторы. В качестве диэлектрика выступает оксидный слой металлического анода, а с другой электрод (катод)- это электролит, но в оксид-полупроводниковых- это полупроводниковый слой , нанесённый на оксидный слой с другой стороны. Данный тип конденсаторов обладает самой огромной удельной ёмкостью по сравнению с другими.
  5. Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком— пленочные, бумажные, метало-бумажные, а так же комбинированные — бумажно-плёночные и т. п.
  6. Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком— керамические,  стеклянные, слюдяные, из неорганических плёнок,  а так же комбинированные- стекло-керамические, стекло-эмалевые,  стекло-плёночные и др.

Различаются конденсаторы и по возможности изменения своей ёмкости:

  • Самые распространенные постоянные конденсаторы, обладающие постоянной емкостью на протяжении всего срока службы.
  • Переменные конденсаторы  применяются в радиоприемниках и не только. Они при работе аппаратуры обладают возможностью изменения ёмкости с использованием механического метода (реостат), либо изменения электрического напряжения (варикапы, вариконды) или температуры (термоконденсаторы).
  • Подстроечные конденсаторы используются для периодической или разовой подстройки или регулировки  ёмкостей  в  цепях схем, в которых необходимо незначительное изменение ёмкости для нормального функционирования устройств.

По назначению использования конденсаторы делятся на:

  • Низковольтные общего назначения, самый распространенный вид широко используемый в различных схемах.
  • Высоковольтные, используемые в цепях с высоким напряжением.
  • Пусковые, применяемые для запуска электродвигателей.
  • Импульсные, создающие импульс необходимый для работы фотовспышки, лазеров и т. п..
  • Помехоподавляющие и т. п.

Обозначение конденсаторов в схеме

  1. Обыкновенный самый распространенный  конденсатор обозначается на схеме как показано на рисунке под номером один.
  2. Электролитический обозначается как показано под № 2.
  3. Переменный изображен под номером 3.
  4. Подстроечный конденсатор- 4.

Как правильно подключить параллельно или последовательно конденсаторы Вы сможете прочитать в нашей следующей статье.

Характеристики конденсаторов ⋆ diodov.net

Ранее мы уже рассмотрели принцип работы и маркировку многих типов конденсаторов. Однако настоящий электронщик должен знать следующие характеристики конденсаторов: допустимое напряжение, классы точности, температурный коэффициент емкости и тангенс угла потерь. Понимание указанных характеристик позволяет сделать выбор и применить лучший из имеющихся накопителей, что благоприятно скажется в целом на работе электронного устройства.

Основные характеристики конденсаторов

Допустимое напряжение является очень важным параметром любого конденсатора и его нельзя превышать, иначе произойдет пробой диэлектрика и накопитель придет в непригодность. На корпусе указывается всегда величина максимального допустимого напряжения. Поэтому начинающих радиолюбителей такое обозначение вводит в заблуждения, поскольку в розетке напряжение 230 В, то казалось бы, что напряжения накопителя 300 В вполне достаточно. Однако это не так. Так как 230 В – это действующее напряжение, а диэлектрик может пробиться от мгновенного амплитудного значения, которое в 1,41 раза больше действующего и равно 230×1,41 = 324 В плюс допуск отклонения 10 % от номинального значения в сторону увеличения, нормированный ГОСТом, и того получим 324×0,1+324 = 356 В. Поэтому допустимое напряжение должно быть не ниже 360 В.

Стандартные значения емкости конденсаторов

Если взять любой радиоэлектронный прибор, например, резистор, диод, транзистор, стабилитрон и снять его характеристики либо измерить параметры высокоточным измерительным прибором, то они будут иметь некоторые отклонения от заявленных номинальных значений. Такое отклонение от указанных параметров вызвано технологическим процессом и нормируется производителем. Дело в том, что на изготовление любого устройства или его отдельного компонента влияет много факторов, которые невозможно учесть и скомпенсировать. Даже лист бумаги, формата А4, имеет некоторые отклонения от заданных размеров, но тем не менее это никак не сказывается на их применении.

Аналогично обстоят дела и с емкостью. Если измерить ее в нескольких накопителей одинакового номинала, то можно заметить небольшую разницу. Эта разница строго нормирована и называется допустимым отклонением емкости от номинального значения. Она измеряется в процентах, значения которых соответствуют классам точности.

В зависимости от класса точности и допустимого отклонения производятся стандартные значения емкости, то есть стандартные номиналы конденсаторов. Емкость в приведенной ниже таблице исчисляется пикофарадоми. Любое значение из таблицы может быть умножено на 0,1 или 1 или 10 и т.д.

Температурный коэффициент емкости

Протекание электрического тока через любой радиоэлектронный элемент вызывает его нагрев, ввиду неизбежного наличия сопротивления. Чем больше ток и выше сопротивление, тем интенсивнее нагревается прибор. Такое явление в большинстве случаев является вредным и может привести к изменению параметров схемы, а соответственно и нарушить режим работы всего устройства. Поэтому нагрев радиоэлектронных элементов всегда учитывается при проектировании изделия. Характеристики конденсаторов также склонны изменятся с изменением температуры и с этим обязательно нужно считаться. Для этого введен

температурный коэффициент емкости, сокращенно ТКЕ.

ТКЕ показывает, насколько отклоняется емкость конденсатора от номинального значения с ростом температуры. Номинальное значение емкости накопителя приводится для температуры окружающей среды +20 С.

Рост температуры может вызвать как рост емкости, так и ее уменьшение. В зависимости от этого различают конденсаторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом емкости.

Следует знать, чем меньше значение ТКЕ, тем более стабильными характеристиками обладает конденсатор. Особое внимание уделяют ТКЕ разработчик измерительного оборудования высокого класса точности, где критичны значительные отклонения характеристик любого радиоэлектронного элемента.

Тангенс угла потерь

Потери, неизбежно возникающие при работе конденсатора, главным образом определяются свойствами диэлектрика, расположенного между обкладками накопителя, и характеризуются тангенсом угла потерь tg δ. Производители стремятся снизить значение угла tg δ и за счет этого улучшить характеристики конденсаторов. Поэтому наибольшее применение получила специальная керамика, обладающая минимальным тангенсом угла потерь. Обратной величиной тангенса угла потерь конденсатора является добротность, равная QC=1/tgδ. Конденсаторы высокого качества обладают добротностью свыше тысячи единиц.

Еще статьи по данной теме

Емкость, Электрический конденсатор. Виды Характеристики, применение

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про электрический конденсатор, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое электрический конденсатор,конденсатор,конденсаторы,переменный конденсатор,подстроечный конденсатор,суперконденсатор,ионистр,применение конденсаторов , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

электрический конденсатор

Конденсатор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определенным или переменным значением емкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Конденсатор является пассивным электронным компонентом. В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок (см. рис.). Практически применяемые конденсаторы имеют много слоев диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свернутые в цилиндр или параллелепипед со скругленными четырьмя ребрами (из-за намотки).

Конденсатор является пассивным однопортовым элементом

  • Сопротивление: конститутивное отношение определяется как .
  • Емкость: конститутивное отношение определяется как .
  • Индуктивность : конститутивное отношение определяется как .
  • Memristance(не включен): конститутивное отношение определяется как .

где произвольная функция от двух переменных.

Онлайн демонстрация и симуляция работы электрический конденсатор:

Открыть на весь экран

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Слева — конденсаторы для поверхностного монтажа; справа — конденсаторы для объемного монтажа; сверху — керамические; снизу — электролитические. На танталовых конденсаторах (слева) полоской обозначен «+», на алюминиевых (справа) маркируют «-».

SMD-конденсатор на плате, макрофотография

Различные конденсаторы для объемного монтажа

Содержание

  • 1 История
  • 2 Свойства конденсатора
  • 3 Обозначение конденсаторов на схемах
  • 4 Характеристики конденсаторов
    • 4.1 Основные параметры
      • 4.1.1 Ёмкость
      • 4.1.2 Удельная емкость
      • 4.1.3 Плотность энергии
      • 4.1.4 Номинальное напряжение
      • 4.1.5 Полярность
      • 4.1.6 Опасность разрушения (взрыва)
    • 4.2 Паразитные параметры
      • 4.2.1 Электрическое сопротивление изоляции диэлектрика конденсатора, поверхностные утечки Rd и саморазряд
      • 4.2.2 Эквивалентное последовательное сопротивление — Rs
      • 4.2.3 Эквивалентная последовательная индуктивность — Li
      • 4.2.4 Тангенс угла диэлектрических потерь
      • 4.2.5 Температурный коэффициент емкости (ТКЕ)
      • 4.2.6 Диэлектрическая абсорбция
      • 4.2.7 Паразитный пьезоэффект
      • 4.2.8 Самовосстановление
  • 5 Классификация конденсаторов
  • 6 Сравнение конденсаторов постоянной емкости
  • 7 применение конденсаторов и их работа
  • 8 Маркировка конденсаторов
    • 8.1 Маркировка советских и российских конденсаторов
      • 8.1.1 Старая система обозначений
      • 8.1.2 Новая система обозначений

История

В 1745 году в Лейдене немецкий каноник Эвальд Юрген фон Клейст и независимо от него голландский физик Питер ван Мушенбрукизобрели конструкцию-прототип электрического конденсатора — «лейденскую банку» . Первые конденсаторы, состоящие из двух проводников разделенных непроводником (диэлектриком), упоминаемые обычно как конденсатор Эпинуса или электрический лист, были созданы еще раньше .

Свойства конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.

В методе гидравлических аналогийконденсатор - это гибкая мембрана, вставленная в трубу. Анимация демонстрирует мембрану, которая растягивается и сокращается под действием потока воды, что аналогично заряду и разряду конденсатора под действием электрического тока.

С точки зрения метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

,

,где j — мнимая единица, ω — циклическая частота (рад/с) протекающего синусоидального тока, f — частота в Гц, C — емкость конденсатора (фарад). Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: . Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый емкостью C, собственной индуктивностью LCи сопротивлением потерь Rn.

Резонансная частота конденсатора равна

При f > fp конденсатор в цепи переменного тока ведет себя как катушка индуктивности . Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fp, на которых его сопротивление носит емкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной.

Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора:

где U — напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор, а q - электрический заряд.

Обозначение конденсаторов на схемах

В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74

либо международному стандарту IEEE 315—1975:

Обозначение
по ГОСТ 2.728-74
Описание
Конденсатор постоянной емкости
Поляризованный (полярный) конденсатор
подстроечный конденсатор переменной емкости
Варикап

На электрических принципиальных схемах номинальная емкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 1·106 пФ = 1·10−6 Ф) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах (1 нФ = 1·10−9 Ф). При емкости не более 0,01 мкФ, емкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала емкости в других единицах указывают единицу измерения. Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала емкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мкФ x 10 В». Для переменных конденсаторовуказывают диапазон изменения емкости, например так: «10 — 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными емкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, то есть на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

Так как ионистр ( суперконденсатор ) фактически является конденсатором, то на схемах он отображается точно также как конденсатор

Характеристики конденсаторов

Основные параметры

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его емкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной емкости, в то время как реальная емкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная емкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению емкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения емкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с емкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположена на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где — диэлектрическая проницаемость среды, заполняющая пространство между пластинами (в вакууме равна единице), —электрическая постоянная, численно равная 8,854187817·10−12 Ф/м. Эта формула справедлива, лишь когда d намного меньше линейных размеров пластин.

Для получения больших емкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

или

Онлайн демонстрация и симуляция работы электрический конденсатор:

Открыть на весь экран

Если у всех параллельно соединенных конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделенный на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счет разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга. Общая емкость батареи последовательносоединенных конденсаторов равна

или

Онлайн демонстрация и симуляция работы электрический конденсатор:

Открыть на весь экран

Эта емкость всегда меньше минимальной емкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробояконденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединенных последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная емкость

Конденсаторы также характеризуются удельной емкостью — отношением емкости к объему (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной емкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS B4345 с емкостью 12 000 мкФ, максимально допустимым напряжением 450 В и массой 1,9 кг плотность энергии при максимальном напряжении составляет 639 Дж/кг или 845 Дж/л. Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным ее высвобождением, например, в пушке Гаусса.

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловойскорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.

Полярность

Современные конденсаторы, разрушившиеся без взрыва благодаря специальной разрывающейся конструкции верхней крышки . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Разрушение возможно из-за нарушения режима эксплуатации (температуры, напряжения, полярности) или старения. Конденсаторы с разорванной крышкой практически неработоспособны и требуют замены, а если она просто вздувшаяся, но еще не разорвана, то, скорее всего, скоро он выйдет из строя или сильно изменятся параметры, что сделает его использование невозможным. В одно время был период времени который назывался конденсаторной чумой, т к чень ьрльшое количесво конденсаторов и часто выходило из строя изза исползования некачественного электролита.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Опасность разрушения (взрыва)

Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространенное явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). В современных компьютерах перегрев конденсаторов — также очень частая причина выхода их из строя, когда они стоят рядом с источниками повышенного тепловыделения (радиаторы охлаждения).

Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой емкости устанавливают вышибной предохранительный клапан или выполняют надсечку корпуса (часто ее можно заметить в виде креста или в форме букв X, K или Т на торце цилиндрического корпуса, иногда, на больших конденсаторах, она покрыта пластиком). При повышении внутреннего давления вышибается пробка клапана или корпус разрушается по насечке, пары электролита выходят в виде едкого газа и, даже, брызг жидкости. При этом разрушение корпуса конденсатора происходит без взрыва, разбрасывания обкладок и сепаратора.

Взорвавшийся электролитический конденсатор на печатной плате жидкокристаллического монитора. Видны волокна бумажного сепаратора обкладок и развернувшиеся фольговые алюминиевые обкладки.

Старые электролитические конденсаторы выпускались в герметичных корпусах и в конструкции их корпусов не предусматривалась взрывобезопасность. Скорость разлета осколков при взрыве корпуса устаревших конденсаторов может быть достаточно большой, чтобы травмировать человека.

В отличие от электролитических, взрывоопасность оксиднополупроводниковых (танталовых) конденсаторов связана с тем, что такой конденсатор фактически представляет собой взрывчатую смесь: в качестве горючего служит тантал, а в качестве окислителя — двуокись марганца, и оба этих компонента в конструкции конденсатора перемешаны в виде тонкого порошка. При пробое конденсатора или при его случайной переполюсовке выделившееся при протекании тока тепло инициирует реакцию между данными компонентами, протекающую в виде сильной вспышки с хлопком, что сопровождается разбрасыванием искр и осколков корпуса. Сила такого взрыва довольно велика, особенно у крупных конденсаторов, и способна повредить не только соседние радиоэлементы, но и плату. При тесном расположении нескольких конденсаторов возможен прожог корпусов соседних конденсаторов, что приводит к одновременному взрыву всей группы.

Паразитные параметры

Реальные конденсаторы, помимо емкости, обладают также собственными последовательным и параллельным сопротивлением ииндуктивностью. С достаточной для практики точностью, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить как показано на рисунке, где все двухполюсники подразумеваются идеальными.

Эквивалентная схема реального конденсатора и некоторые формулы.
C0 — собственная емкость конденсатора;
Rd — сопротивление изоляции конденсатора;
Rs — эквивалентное последовательное сопротивление;
Li — эквивалентная последовательная индуктивность.

Электрическое сопротивление изоляции диэлектрика конденсатора, поверхностные утечки Rd и саморазряд

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением Rd = U / Iут, где U — напряжение, приложенное к конденсатору, Iут — ток утечки.

Из-за тока утечки, протекающего через слой диэлектрика между обкладками и по поверхности диэлектрика, предварительно заряженный конденсатор с течением времени теряет заряд (саморазряд конденсатора). Часто, в спецификациях на конденсаторы, сопротивление утечки определяют через постоянную времени T саморазряда конденсатора, которая численно равна произведению емкости на сопротивление утечки:

T — это время, за которое начальное напряжение на конденсаторе, неподключенном ко внешней цепи уменьшится в e раз.

Хорошие конденсаторы с полимерными и керамическими диэлектриками имеют постоянные времени саморазряда достигающие многих сотен тысяч часов.

Эквивалентное последовательное сопротивление — Rs

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС (англ. ESR), внутреннее сопротивление) обусловлено, главным образом, электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также учитывает потери в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор, вследствиеповерхностного эффекта.

В большинстве практических случаев этим параметром можно пренебречь, но, иногда (напр., в случае использованияэлектролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания), достаточно малое его значение существенно для надежности и устойчивости работы устройства. В электролитических конденсаторах, где один из электродов являетсяэлектролитом, этот параметр при эксплуатации со временем деградирует, вследствие испарения растворителя из жидкого электролита и изменения его химического состава, вызванного взаимодействием с металлическими обкладками, что происходит относительно быстро в низкокачественных изделиях (см. Capacitor plague (англ.)).

Некоторые схемы (например, стабилизаторы напряжения) критичны к диапазону изменения ЭПС конденсаторов в своих цепях. Это связано с тем, что при проектировании таких устройств инженеры учитывают этот параметр в фазочастотной характеристике (ФЧХ) обратной связи стабилизатора. Существенное изменение со временем ЭПС примененных конденсаторов изменяет ФЧХ, что может привести к снижению запаса устойчивости контуров авторегулирования, и, даже, к самовозбуждению.

Существуют специальные приборы (ESR-метр (англ.)) для измерения этого достаточно важного параметра конденсатора, по которому можно часто определить пригодность его дальнейшего использования в определенных целях. Этот параметр, кроме собственно емкости (емкость — это основной параметр) — часто имеет решающее значение в исследовании состояния старого конденсатора и принятия решения, стоит ли использовать его в определенной схеме, или он прогнозируемо выйдет за пределы допустимых отклонений.

Эквивалентная последовательная индуктивность — Li

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. Результатом этой распределенной паразитной индуктивности является превращение конденсатора в колебательный контур с характерной собственной частотой резонанса. Эта частота может быть измерена и обычно указывается в параметрах конденсатора либо в явном виде либо в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.

Тангенс угла диэлектрических потерь

Тангенс угла диэлектрических потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол где δ — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности креактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты. Величина, обратная tg δ, называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (кельвин). ТКЕ определяется так:

.

где — изменение емкости, вызванное изменением температуры на .
Таким образом, изменение емкости от температуры (при не слишком больших изменениях температуры) выражается линейной функцией:

,

где — изменение температуры в °C или К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение емкости, — емкость при нормальных условиях. TKE применяется для характеристики конденсаторов с практически линейной зависимостью емкости от температуры. Однако ТКЕ указывается в спецификациях не для всех типов конденсаторов.

Для конденсаторов, имеющих существенно нелинейную зависимость емкости от температуры и для конденсаторов с большими изменениями емкости от воздействия температуры окружающей среды в спецификациях нормируются относительное изменение емкости в рабочем диапазоне температур или в виде графика зависимости емкости от температуры.

Диэлектрическая абсорбция

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путем подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение на обкладках снова появится как если бы мы разрядили конденсатор не до нуля. Это явление получило название диэлектрическая абсорбция (диэлектрическое поглощение). Конденсатор ведет себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательныхRC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора.

Подобный эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков. В электролитических конденсаторах он особенно ярок и является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. У конденсаторов с твердым диэлектриком (например, керамических и слюдяных) эффект связан с остаточной поляризацией диэлектрика. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилени т. п.

Эффект зависит от времени зарядки конденсатора, времени закорочения, иногда от температуры. Количественное значение абсорбции принято характеризоватькоэффициентом абсорбции, который определяется в стандартных условиях.

Особое внимание в связи с эффектом следует уделять измерительным цепям постоянного тока: прецизионным интегрирующим усилителям, устройствам выборки-хранения, некоторым схемам на переключаемых конденсаторах.

Паразитный пьезоэффект

Многие керамические материалы, используемые в качестве диэлектрика в конденсаторах (например, титанат бария, обладающий очень высокой диэлектрической проницаемостью в не слишком сильных электрических полях) проявляют пьезоэффект — способность генерировать напряжение на обкладках при механических деформациях. Это характерно для конденсаторов с пьезоэлектрическими диэлектриками. Пьезоэффект ведет к возникновению электрических помех, в устройствах, где использованы такие конденсаторы при воздействии акустического шума или вибрации на конденсатор. Это нежелательное явление иногда называют («микрофонным эффектом»).

Также, подобные диэлектрики проявляют и обратный пьезоэффект — при работе в цепи переменного напряжения происходит знакопеременная деформация диэлектрика, генерирующая акустические колебания, порождающие дополнительные электрические потери в конденсаторе.

Самовосстановление

Конденсаторы с металлизированным электродом (бумажный и пленочный диэлектрик) обладают важным свойством самовосстановления (англ. self-healing, cleaning) электрической прочности после пробоя диэлектрика. Механизм самовосстановления заключается в отгорании металлизации электрода после локального пробоя диэлектрика посредством микродугового электрического разряда.

Классификация конденсаторов

Существует три типа конденсаторов, основным среди них является электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Эта классическая модель конденсатора имеет очень маленькую емкость и в основном используется в радиоэлектронике. Емкость конденсатора измеряется в фарадах и для электростатического колеблется в диапазоне пикофарад (пФ).

Следующий тип конденсатора - электролитический, он обеспечивает более высокую емкость в сравнении электростатическим и оценивается в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше пикофарада. Сепаратор в таких конденсаторах влажного типа. Как и в электрических батареях, конденсаторы имеют разные полюса, которые необходимо соблюдать при использовании.

Третий тип – это суперконденсатор, его емкость оценивается в фарадах и в тысячи раз больше емкости электролитического. Суперконденсатор используется для хранения энергии, подвергающейся частым циклам заряда/разряда при высоких значениях силы тока и короткой длительности.

Суперконденсатор(ионистр), также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора тем, что имеет очень большую емкость. Конденсатор хранит энергию с помощью статического заряда, в противовес электрохимическим реакциям батареи. Применение дифференциального напряжения на положительную и отрицательную пластины заряжает конденсат

Слюдяной герметичный конденсатор в металлостеклянном корпусе типа «СГМ» для навесного монтажа

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность емкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

  • Конденсаторы вакуумные (между обкладками находится вакуум).
  • Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
  • Конденсаторы с жидким диэлектриком.
  • Конденсаторы с твердым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклопленочные),слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических пленок.
  • Конденсаторы с твердым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, пленочные, комбинированные — бумажнопленочные, тонкослойные из органических синтетических пленок.
  • Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего большой удельной емкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесенный непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спеченного порошка. Время наработки на отказ типичнного электролитического конденсатора 3000-5000 часов при максимально допустимой температуре, качественные конденсаторы имеют время наработки на отказ не менее 8000 часов при температуре 105°С . Рабочая температура — основной фактор, влияющий на продолжительность срока службы конденсатора. Если нагрев конденсатора незначителен из-за потерь в диэлектрике, обкладках и выводах, (например, при использовании его во времязадающих цепях при небольших токах или в качестве разделительных), можно принять, что интенсивность отказов снижается вдвое при снижении рабочей температуры на каждые 10 °C вплоть до +25 °C. При работе конденсаторов в импульсных сильноточных цепях (например, в импульсных источниках питания) такая упрощенная оценка надежности конденсаторов некорректна и расчет надежности более сложен.
  • Твердотельные конденсаторы — вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник . Время наработки на отказ ~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС меньше чем у жидко-электролитических и слабо зависит от температуры. Не взрываются.

Керамический подстроечный конденсатор

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей емкости:

  • Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей емкости (кроме как в течение срока службы).
  • Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение емкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление емкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура.
  • Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, емкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение емкости.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Также различают конденсаторы по форме обкладок: плоские, цилиндрические, сферические и другие.

Сравнение конденсаторов постоянной емкости

Тип конденсатора Используемый диэлектрик Особенности/применения Недостатки

Конденсаторы с твердым органическим диэлектриком

бумажные конденсаторы
Масляные конденсаторы переменного тока Промасленная бумага В основном разрабатывались для обеспечения очень больших емкостей для промышленного применения в цепях переменного тока, выдерживая при этом большие токи и высокие пиковые напряжения частотой силовой питающей сети. В их задачи входит пуск и работа электрических моторов переменного тока, разделение фаз, коррекция коэффициента мощности, стабилизация напряжения, работа с контрольным оборудованием и т. д. Ограничены низкой рабочей частотой, поскольку на высоких частотах имеют высокие диэлектрические потери.
Масляные конденсаторы постоянного тока Бумага или ее комбинация с ПЭТ Разработаны для работы при постоянном токе для фильтрации, удвоения напряжения, предотвращения образования дуги, как проходные и разделительные конденсаторы При наличии пульсаций требуют уменьшения рабочего напряжения согласно предоставленным производителем графикам. Обладают бо́льшими размерами в сравнении с аналогами с полимерными диэлектриками.
Бумажные конденсаторы Бумага/пропитанная бумага Пропитанная бумага широко использовалась в старых конденсаторах. В качестве пропитки использовался воск, масло или эпоксидная смола. Некоторые подобные конденсаторы до сих пор применяются для работы при высоком напряжении, но в большинстве случаев теперь вместо них используют пленочные конденсаторы. Большой размер. Большаягигроскопичность, из-за чего они поглощают влагу из воздуха даже при наличии пластикового корпуса и пропитки. Поглощенная влага ухудшает их характеристики, повышая диэлектрические потери и понижая сопротивление изоляции.
Металлизированные бумажные конденсаторы Бумага Меньший размер, чем у бумажно-фольговых конденсаторов Подходят только для слаботочных применений. Вместо них стали широко применяться металлизированные пленочные конденсаторы.
Энергонакопительные конденсаторы Конденсаторная крафт-бумага, пропитаннаякасторовым маслом или схожей жидкостью с высокой диэлектрической постоянной, и пластинки из фольги Разработаны для работы в импульсном режиме с высоким током разряда. Лучше переносят изменение полярности напряжения чем многие полимерные диэлектрики. Обычно применяются в импульсных лазерах,генераторах Маркса, для импульсной сварки, при электромагнитной формовке и иных задачах, требующих использования импульсов большой мощности. Имеют большой размер и вес. Их энергоемкость значительно меньше чем у конденсаторов использующих полимерные диэлектрики. . Не способны к самолечению. Отказ подобного конденсатора может быть катастрофичным из-за большого объема накопленной энергии.
пленочные конденсаторы
Полиэтилентерефталатныеконденсаторы Полиэтилентерефталатная пленка Меньше чем бумажные или полипропиленовые конденсаторы со схожими характеристиками. Могут использовать полоски фольги, металлизированную пленку или их комбинации. ПЭТ конденсаторы почти полностью заменили бумажные для задач, где требуется работа с прямым (постоянным) током. Имеют рабочие напряжения вплоть до 60000 вольт при постоянном токе, а рабочую температуру до 125 °C. Обладают невысокой гигроскопичностью. Температурная стабильность ниже чем у бумажных. Могут применяться при низкочастотном переменном токе, но непригодны при высокочастотном из-за чрезмерного нагрева диэлектрика.
Полиамидные конденсаторы Полиамид Рабочая температура до 200 °C. Высокое сопротивление изоляции, хорошая стабильность, малый тангенс угла потерь. Большие размеры и высокая цена.
Каптоновые конденсаторы Полиимидная пленка марки Каптон Аналогичны ПЭТ, но обладают значительно более высокой рабочей температурой (вплоть до 250 °C). Дороже ПЭТ. Температурная стабильность ниже чем у бумажных конденсаторов. Также могут применяться только при низкочастотном переменном токе, так как при высоких частотах происходит сильный нагрев диэлектрика.
Поликарбонатные конденсаторы Поликарбонат Имеют лучшее сопротивление изоляции, тангенс угла потерь и диэлектрическую адсорбцию в сравнении с полистирольными конденсаторами. Обладают лучшей влагостойкостью. Температурный коэффициент примерно ±80 ppm. Выдерживают полное рабочее напряжение на всем температурном диапазоне (от −55 °C до 125 °C) Максимальная рабочая температура ограничена на уровне 125 °C.
Полисульфоновые конденсаторы Полисульфон Аналогичны поликарбонатным. Могут выдерживать полное номинальное напряжение на сравнительно высоких температурах. Поглощение влаги около 0,2 %, что ограничивает их стабильность. Малая доступность и высокая стоимость.
Полипропиленовые конденсаторы Полипропилен Чрезвычайно низкий тангенс угла потерь, более высокая диэлектрическая прочность, чем у поликарбонатных и ПЭТ конденсаторов. Низкая гигроскопичность и высокое сопротивление изоляции. Могут использовать полоски фольги, металлизированную пленку или их комбинации. Пленка совместима с технологией самолечения, повышающей надежность. Могут работать на высоких частотах, в том числе при большой мощности, например, для индукционного нагрева (часто вместе с водяным охлаждением), благодаря очень низким диэлектрическим потерям. При более высоких емкостях и рабочем напряжении, например от 1 до 100 мкФ и напряжением до 440 вольт переменного тока, могут применяться как пусковые для работы с некоторыми типами однофазных электрических моторов. Более чувствительны к повреждениям от кратковременных перенапряжений или переполюсовке чем пропитанные маслом бумажные конденсаторы.
Полистирольные конденсаторы Полистирол Отличные пленочные высокочастотные конденсаторы общего применения. Имеют отличную стабильность, высокую влагостойкость и малый отрицательный температурный коэффициент, позволяющий использовать их для компенсации положительного температурного коэффициента других компонентов. Идеальны для маломощных высокочастотных и прецизионных аналоговых задач. Максимальная рабочая температура ограничена +85 °C. Сравнительно большие по размеру.
Фторопластовые конденсаторы Политетрафторэтилен Отличные пленочные высокочастотные конденсаторы общего применения. Очень низкие диэлектрические потери. Рабочая температура до 250 °C, огромное сопротивление изоляции, хорошая стабильность. Используются в критичных задачах. Большой размер из-за низкой диэлектрической постоянной, более высокая цена в сравнении с другими конденсаторами.
Металлизированные полиэтилентерефталатные и поликарбонатные конденсаторы ПЭТ или Поликарбонат Надежные и значительно меньшие по размеру. Тонкая металлизация может использоваться для придания им свойства самовосстановления. Тонкая металлизация ограничивает максимальный ток.

Конденсаторы с твердым неорганическим диэлектриком

Многоуровневые пластинчатые слюдяные конденсаторы Слюда Преимущества данных конденсаторов основаны на том, что их диэлектрик инертен. Он не изменяется со временем ни физически, ни химически, а также имеет хорошую температурную стабильность. Обладают очень высокой стойкостью к коронным разрядам. Без правильной герметизации подвержены влиянию влажности, что ухудшает их параметры. Высокая цена из-за редкости и высокого качества диэлектрика, а также ручной сборки.
Металлизированные или серебряные слюдяные конденсаторы Слюда Те же преимущества, в дополнение обладают большей устойчивостью к влаге. Более высокая цена.
Стеклянные конденсаторы Стекло Аналогичны слюдяным. Стабильность и частотные характеристики лучше, чем у слюдяных. Очень надежные, очень стабильные, стойкие к радиации. Высокая цена.
Температурно-компенсированные керамические конденсаторы Смесь сложных соединений титанатов Дешевые, миниатюрные, обладают превосходными высокочастотными характеристиками и хорошей надежностью. Предсказуемое линейное изменение емкости относительно температуры. Имеются изделия, выдерживающие до 15000 вольт Изменение емкости при различном приложенном напряжении, частоте, подвержены старению.
Керамические конденсаторы с высокой диэлектрической постоянной Диэлектрики, основанные на титанате бария Миниатюрнее температурно-компенсированных конденсаторов из-за большей диэлектрической постоянной. Доступны для напряжений вплоть до 50000 вольт. Обладают меньшей температурной стабильностью, емкость значительно изменяется при различном приложенном напряжении.

Конденсаторы с оксидным диэлектриком

Алюминиевые электролитические конденсаторы Оксид алюминия Огромное отношение емкости к объему, недорогие, полярные. В основном применяются как сглаживающие и питающие конденсаторы в источниках питания. Наработка на отказ конденсатора с максимально допустимой рабочей температурой 105 °C при расчете составляет до 50000 часов при температуре 75 °C Высокие токи утечки, большое внутреннее сопротивление и индуктивность ограничивают возможность использования их на высоких частотах. Имеют низкую температурную стабильность и плохие отклонения параметров. Могут взорваться при превышении допустимых параметров и/или перегреве, при приложении обратного напряжения. Максимальное напряжение около 500 вольт.
Танталовые конденсаторы Оксид тантала Большое отношение емкости к объему, малый размер, хорошая стабильность, большой диапазон рабочих температур. Широко используются в миниатюрном оборудовании и компьютерах. Доступны как в полярном, так и неполярном исполнении. Твердотельные танталовые конденсаторы имеют намного лучшие характеристики по сравнению с имеющими жидкий электролит. Дороже алюминиевых электролитических конденсаторов. Максимальное напряжение ограничено планкой около 50 вольт. Взрываются при превышении допустимого тока, напряжения или скорости нарастания напряжения, а также при подаче напряжения неправильной полярности.
Твердотельные конденсаторы Оксид алюминия, оксидтантала Вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник. Время наработки на отказ ~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС меньше чем у жидко-электролитических и слабо зависит от температуры. Не взрываются. Дороже обычных. При 105°С срок службы как у обычных электролитических. Рабочие напряжения до 35 В.

Конденсаторы с двойным электрическим слоем

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы) Тонкий слой электролита иактивированный уголь Огромная емкость относительно объема, маленький размер, низкоеэквивалентное последовательное сопротивление. Доступны номиналы в сотни и даже тысячи фарад. Это сравнительно новая технология. Обычно используются для временного питания оборудования при замене батарей. Могут заряжаться и разряжаться бо́льшими токами, чем батареи, что делает их ценными для гибридных автомобилей. Полярные, имеют низкое номинальное напряжение (вольт на конденсаторную ячейку). Группы ячеек соединяются последовательно для повышения общего рабочего напряжения. Относительно высокая стоимость.
Литий-ионные конденсаторы Ион лития Литий-ионные конденсаторы обладают большей энергоемкостью, сравнимой с батареями, безопаснее в сравнении с литий-ионными батареями, в которых начинается бурная химическая реакция при высокой температуре. По сравнению с ионисторами они имеют большее выходное напряжение. Удельная мощность у них сравнимa, но плотность энергии у Li-ion конденсаторов гораздо выше. Новая технология.

Конденсаторы вакуумные

Вакуумные конденсаторы Вакуумные конденсаторы используют стеклянные или керамические колбы с концентрическими цилиндрическими электродами. Чрезвычайно малые потери. Используются для мощных высоковольтных радиочастотных задач, таких как индукционный нагрев, где даже малые потери приводят к чрезмерному нагреву самого конденсатора. При ограниченном токе искры могут обладать самовосстановлением. Очень высокая цена, хрупкость, большой размер, низкая емкость.

12 пФ, 20 кВ вакуумный конденсатор постоянной емкости.

Два 8 мкФ, 525 В бумажных электролитических конденсатора в радио 1930х годов.

Применение конденсаторов и их работа

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

  • Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.
  • Во вторичных источниках электропитания конденсаторы применяются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.
  • При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках,электромагнитных ускорителях, импульсных лазерах с оптической накачкой, генераторах Маркса, (ГИН; ГИТ), генераторах Кокрофта-Уолтона и т. п.
  • Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти (см.DRAM, Устройство выборки и хранения).
  • Конденсатор может использоваться как двухполюсник, обладающий реактивным сопротивлением, для ограничения силы переменного тока в электрической цепи (см. Балласт).
  • Процесс заряда и разряда конденсатора через резистор (см. RC-цепь) или генератор тока занимает определенное время, что позволяет использовать конденсатор в времязадающих цепях, к которым не предъявляются высокие требования временной и температурной стабильности (в схемах генераторов одиночных и повторяющихся импульсов, реле времени и т. п.).
  • В электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.
  • Конденсаторы способны накапливать большой заряд и создавать большую напряженность на обкладках, которая используется для различных целей, например, для ускорения заряженных частиц или для создания кратковременных мощных электрических разрядов (см. генератор Ван де Граафа).
  • Измерительный преобразователь (ИП) малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на емкости конденсатора.
  • ИП влажности воздуха, древесины (изменение состава диэлектрика приводит к изменению емкости).
  • В схемах РЗиА конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы АПВ использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.
  • Измерителя уровня жидкости. Непроводящая жидкость заполняет пространство между обкладками конденсатора, и емкость конденсатора меняется в зависимости от уровня.
  • Фазосдвигающего конденсатора. Такой конденсатор необходим для пуска, а в некоторых случаях и работы однофазных асинхронных двигателей. Также он может применяться для пуска и работы трехфазных асинхронных двигателей при питании от однофазного напряжения.
  • Аккумуляторов электрической энергии (см. Ионистор). В этом случае на обкладках конденсатора должно быть достаточно постоянное значения напряжения и тока разряда. При этом сам разряд должен быть значительным по времени. В настоящее время идут опытные разработки электромобилей и гибридов с применением конденсаторов. Также существуют некоторые модели трамваев, в которых конденсаторы применяются для питания тяговых электродвигателей при движении по обесточенным участкам.

Маркировка конденсаторов

Маркировка советских и российских конденсаторов

Существуют две системы обозначения советских/российских конденсаторов: буквенная (старая) и цифровая (новая).

Старая система обозначений

Буквенная система распространяется на конденсаторы, разработанные до 1960 года. В этой системе первая буква К означает конденсатор, вторая — тип диэлектрика (Б — бумажный, С — слюдяной, К — керамический, Э — электролитический и так далее...), третья — конструктивные особенности (герметичность исполнения или условия эксплуатации). Для упрощения системы обозначений часто первую букву К пропускают, оставляя вторую и последующие .

Новая система обозначений

В соответствии с новой (цифровой) системой маркировки конденсаторы делятся на группы по виду диэлектрика, назначению и варианту исполнения . Согласно этой системе, первая буква «К» означает «конденсатор», дальше следует цифра, обозначающая вид диэлектрика, и буква, указывающая, в каких цепях может использоваться конденсатор; после нее стоит номер разработки или буква, указывающая вариант конструкции .

См. также

  • резистор , переменный резистор , подстроечный резистор , варистор ,
  • мемристор , пизастор , четвёртый пассивный элемент электротехники ,
  • катушка индуктивности , индуктивность , виды индуктивностей , характеристики индуктивности ,
  • резистивно емкостная цепь , разделительный конденсатор , развязывающий конденсатор , сглаживающий конденсатор ,
  • Электрический импеданс
  • Вариконд
  • Твердотельный конденсатор
  • Ионистор
  • Переходный процесс
  • Схемы на переключаемых конденсаторах
  • Метод Печини

Статью про электрический конденсатор я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое электрический конденсатор,конденсатор,конденсаторы,переменный конденсатор,подстроечный конденсатор,суперконденсатор,ионистр,применение конденсаторов и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Принцип работы конденсатора и его технические характеристики

С тех пор, как фон Клейст – не военачальник, священник – решил ухватить рукой банку (бутылку), заполненную водой, с опущенным туда электродом, прошло немало времени. Конструкций конденсаторов сегодня великое множество. Бессильны обещать рассмотреть 100%, дадим понятие о принципах работы конденсатора, технических характеристиках. Надеемся, обзор выйдет удачным.

Осторожно, работает конденсатор: история лейденской банки

Проще начать статическим зарядом. Отмечено учеными, проводник способен накапливать поверхностью электричество. Плотность распределения одинакова по площади. Ключевое отличие металлов от диэлектриков, накапливающих заряд. Обживая кусок железа, носители тока стремятся занять крайнее положение, отталкиваясь взаимно. В результате скапливаются равномерно по поверхности.

На принципе созданы генераторы, способные копить заряд потенциалом единицы миллионов вольт. При прикосновении к токонесущей части человек попросту испепелится. Аналогично действуют конденсаторы. Сформированы проводниками, площадь которых сильно увеличена. Достигается различными методами. В электролитических конденсаторах алюминиевая фольга скатывается рулоном. Небольшой цилиндр содержит метры металлической ленты.

Разновидности конденсаторов

Поясним работу. Когда на металлической (проводящей поверхности) появляется заряд, начинается поверхностное распределение. В 1745 году священник-юрист Эвальд Юрген фон Клейст обнаружил: удерживая в руках банку с водой, запасает внутри электричество. Ладонь служит проводящей обкладкой, объем жидкости (по внешней поверхности) – другой. Стекло выступает диэлектрическим барьером. При опускании в воду электрода носители стремятся занять крайнее положение, бороздя поверхность. Через стекло поле действует на ладонь, ответно начинаются схожие процессы (заряд притягивает носители противоположного знака).

Позже емкость догадались обернуть фольгой, получилась лейденская банка – первый дееспособный конденсатор на Земле, изобретенный человеком. Произошло, когда Питер ван Мушенбрук впечатлился силой полученного в процессе опыта ударом электричества. Стало понятно: опыты небезопасны, руку следует заменить. Ученые писал: второй раз избегает испытывать судьбу ради королевства Франции. Датчанин Даниэль Гралат стал первым догадавшимся соединить лейденские банки параллельно, обеспечивая более высокую емкость системе. Напоминает современный свинцовый аккумулятор задумкой.

Смешно, подобные устройства использовались вплоть до 1900 года, входящая в обиход радиосвязь вынудила искать новые пути решения проблемы, использовались сравнительно высокие частоты электрических сигналов. В результате появились первые бумажные конденсаторы, маслянистое полотно отделяло друг от друга две обкладки свернутой цилиндром фольги. Постепенно с развитием производства в качестве изоляторов стали применяться иные материалы:

  1. Керамика;
  2. Слюда;
  3. Бумага.

Истинный прорыв в конструировании конденсаторов произошел, когда люди догадались диэлектрик заменить слоем оксида окисленной поверхности металла. Сказанное касается электролитических конденсаторов. Один цилиндр фольги покрыт оксидом. Чаще сегодня используется травление (намеренное окисление материала действием агрессивных сред), если требования технических характеристик велики, применяется анодирование. Позволяя получить гладкую поверхность, плотно прилегающую к электроду противоположного знака.

Обкладками выступают оксидированная фольга и бумага, пропитанная электролитом. Разделены тончайшим слоем оксида, позволяя получить потрясающие емкости, единицы-десятки микрофарад сравнительно малого объема. Технические характеристики конденсаторов просто потрясающие. Второй рулон алюминиевой фольги послужит простым проводником электричества, считается одним контактом. Оксид характеризуется удивительным свойством – проводит ток в одном направлении. При подключении электролитического конденсатора неправильной стороной происходит взрыв (разрушение диэлектрика, закипание электролита, образование пара, разрыв корпуса).

Отказываясь служить диэлектриком, разделяющий слой становится проводником. Из-за резкого повышения температуры области начинается лавинообразная реакция меж металлом и электролитом, конденсатор взбухает. Видели многие радиолюбители, избегаем рассказывать, процессе мало веселого предоставит внимательному зрителю.

Зачем конденсатору диэлектрик

Было замечено: если поместить меж пластинами конденсатора изолирующий материал, емкость возрастает. Долго ломали головы ученые мужи, было раскрыто понятие диэлектрической проницаемости. Оказывается, согласно теореме Гаусса можно связать с емкостью конденсатора напряженность поля обкладок. Получается, изолятор обеспечивает накопление зарядов металлами, собирая поверхностью носители противоположного знака. Полагаем, читатели догадались: те создают поле, направленное навстречу исходному, вызывая ослабление, повышающее вместимость конструкции.

Диэлектрик конденсатора

Таблицы показывают: бумага, керамика выглядят не лучшими материалами. Значения серной кислоты достигают 150 единиц, почти на два порядка выше. Причем в чистом виде вещество признано изолятором. Вероятно, настанет день, когда принцип действия конденсатора будет реализован не раствором, а серной кислотой. Известные свинцовые аккумуляторы по-другому запасают энергию (реакция). Рассмотренные варианты не единственные, распространены шире.

Глобально конденсаторы поделим двумя семействами:

  1. Электролитические (полярные).
  2. Неполярные.

Рассказывали обустройство первых. Разница ограничивается материалом обкладок. Оксид титана снабжен диэлектрической проницаемостью близкой сотне. Понятно, материал предпочтительней для создания высококлассных изделий. Стоимость кусается. Титанат бария демонстрирует диэлектрическую проницаемость повыше. Практически любой конденсатор сформирован обкладками. Диэлектрик добавляет емкости изделию. Чаще лучшие модели конденсаторов содержат ценные металлы: палладий, платину.

Маркировка, технические характеристики конденсаторов

Маркировка конденсаторов содержит параметр максимально допустимого рабочего напряжения. Обозначение приводится согласно ГОСТ 25486, затем уточнения достигают отраслевых стандартов. Например, номинал проставляется согласно ГОСТ 28364. Отдельного стандарта по электролитическим конденсаторам найти практически невозможно. Однако авторы сделали, читателям предлагаем проштудировать ГОСТ 27550. На корпусе любые виды конденсаторов содержат маркировку:

Маркировка корпуса

  • Логотип изготовителя.
  • Тип конденсатора.

Сложно сказать определенно, большинство электролитических конденсаторов снабжены маркировкой-литерой К, несколькими цифрами, часто разделенными дефисом. Следуя логике, найдем в интернете соответствующий стандарт либо другие материалы.

  • По правилам ГОСТ 28364, номинал состоит из 3-5 символов, присутствует буква.

П означает приставку пико, н – нано, мк – микро. Если номинал дополнен дробной частью, занимает последнее место, вослед литере. Емкостной ряд (неполный) значений приводится ГОСТ 28364 на примерах. Выполняются нормы этого стандарта практически? Не для электролитических конденсаторов. Вызвано, по-видимому, большими номиналами. Запросто на К50-6 встретите надпись наподобие 2000 мкФ. Согласно ГОСТ 28364, должно выглядеть наподобие 2м0. Для электролитических конденсаторов применяется ГОСТ 11076. Наряду с кодированными обозначениями (ГОСТ 28364) допускается традиционная запись (2000 мкФ). Видите, назначение конденсаторов часто определяет способ маркировки. Электролитические часто выступают составной частью фильтров цепи питания. Здесь нужен больший номинал, функциональность сильно отличается принципа действия конденсаторов разделительных ветвей цепей переменного тока.

  • Если по былым нормам рабочее напряжение маркировкой конденсатора ставилось на первое место, в современных моделях наоборот. Обозначение выражено вольтами.

Обозначения электролитического конденсатора

Подразумевается рабочее напряжение, не пробивное. Конденсаторные установки легко сгорают, сожженные повышенными значениями. Тоньше слой диэлектрика, проще происходит пробой. Существует противоречие между дистанцией, разделяющей обкладки (меньше – выше номинал) и желанием повысить рабочее напряжение.

  • Допустимое отклонение емкости чаще замалчиваются.

Процесс старения выводит номинал за рабочие пределы. Можно сказать, что то, для чего нужен конденсатор, не изготовишь при помощи просроченных изделий. Однако радиолюбители делают по-своему. Прозванивают конденсатор, определяют новый номинал, заручившись помощью тестера, пользуются.

  • Литера В стоит для конденсаторов всеклиматического исполнения.
  • Перед зарядкой конденсатора попробуйте понять, полярный ли (электролитический).

Изделие способно взорваться. Разумеется, полярный конденсатор нельзя включать в цепь переменного тока. Единого типа маркировки не предусмотрено, оговаривается бумаги: требования могут быть указаны отраслевыми техническими условиями. Например, знаки плюса/минуса. На импортных изделиях отрицательный полюс помечается светлой полосой темного корпуса.

  • Обозначение довершается датой выпуска (месяц, год), ценой.

Понятно, последнее при современных экономических условиях неактуально.

Обратите внимание, конденсатор способен долго хранить заряд. Чревато опасностью получить удар током. Любой ремонтник, работающий с радиоаппаратурой, знает: началу ремонта импульсного блока питания предшествует процесс разрядки конденсатора. Чаще делается при помощи запрещенной стандартами лампочки, вкрученной в патрон. Два оголенных провода замыкают на токонесущие части цепи, импульс на короткое время зажигает спираль. Кстати, конструкцию часто вставляют взамен предохранителей, чтобы понять, по-прежнему ли ток велик в цепи (означает наличие неисправности, вызывает необходимость дальнейшей диагностики).

Выявление неисправности конденсатора требует сноровки, при наличии специфических знаний осуществимо. Нужно иметь на руках простейший мультиметр. Уже рассказывали, как проверить конденсатор при помощи тестера, направляем читателей на соответствующий обзор, сами с позволения почтенной публики спешим откланяться.

Конденсатор. Принцип работы, основные характеристики.

Конденсатор — распространенный двухполюсный электронный компонент, главным свойством которого является способность накапливать электрический заряд и «отпускать» его обратно. Процесс накопления заряда называется зарядкой, а процесс его потери – разрядкой.

Выпускаются конденсаторы самых разных типов и конструкций. Наиболее распространены в электронике и любительской радиотехнике следующие виды:

  • Керамические конденсаторы
  • Танталовые конденсаторы
  • Электролитические конденсаторы
  • Конденсаторы переменной емкости

При включении в цепь электролитических конденсаторов необходимо соблюдать полярность. Отрицательный контакт, обычно, короче положительного и дополнительно может обозначаться соответствующими пометками на корпусе. Для керамических конденсаторов полярность подключения не имеет значения.

В простейшем виде конденсатор состоит их двух металлических пластин, называемых обкладками, которые разделены слоем диэлектрика.

При включении конденсатора в цепь с источником тока, под воздействием электрического поля на одной обкладке накапливается положительный заряд, а на другой – отрицательный. Это будет происходить до тех пор, пока на обкладках не накопится максимально возможное количество заряда. Оно определяется важной характеристикой конденсатора — емкостью. Емкость конденсатора определяется количеством заряда, которое он может накопить при заданном напряжении:

Формула емкости.

C — емкость конденсатора, q — заряд, U — напряжение.

Емкость зависит от таких физических характеристик, как, например, площадь обкладок, расстояние между ними и диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Единицей измерения емкости конденсаторов в международной системе единиц (СИ) является Фарад (Ф).

Чем больше ёмкость, тем больший заряд может удерживать конденсатор при заданном напряжении, и тем меньше скорость его зарядки и разрядки.

Основные параметры конденсаторов:

  • Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками. Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до тысяч микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.
  • Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.
  • Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита.
  • Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.
  • Полярность. Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

  • Конденсаторы вакуумные (между обкладками находится вакуум).
  • Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
  • Конденсаторы с жидким диэлектриком.
  • Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
  • Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
  • Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов, прежде всего, большой удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка. Время наработки на отказ типичного электролитического конденсатора 3000-5000 часов при максимально допустимой температуре, качественные конденсаторы имеют время наработки на отказ не менее 8000 часов при температуре 105°С. Рабочая температура — основной фактор, влияющий на продолжительность срока службы конденсатора. Если нагрев конденсатора незначителен из-за потерь в диэлектрике, обкладках и выводах, (например, при использовании его во времязадающих цепях при небольших токах или в качестве разделительных), можно принять, что интенсивность отказов снижается вдвое при снижении рабочей температуры на каждые 10 °C вплоть до +25 °C. Твердотельные конденсаторы — вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник. Время наработки на отказ ~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС меньше чем у жидко-электролитических и слабо зависит от температуры. Не взрываются.

Последовательное соединение конденсаторов.

При последовательном соединении конденсаторов уменьшается общая емкость и увеличивается общее напряжение конденсаторов. Общая емкость при последовательном соединении конденсаторов будет вычисляться по формуле:

Общее напряжение будет равняться сумме напряжений всех конденсаторов.

Например: мы имеем три конденсатора по 30 мкФ x 100 В каждый. При их последовательном соединении общий конденсатор будет иметь следующие данные: 10 мкФ x 300 В.

Параллельное соединение конденсаторов.

При параллельном соединении общая емкость конденсаторов складывается, а допустимое напряжение всего набора будет равно напряжению конденсатора, имеющего самое низкое значение допустимого напряжения из всего набора.

Например: мы имеем три конденсатора 30 мкФ x 100 В, соединённые параллельно. Параметры всего набора конденсаторов в этом случае будут следующие: 90 мкФ x 100 В.

Соединение более двух конденсаторов последовательно редко встречается в реальных схемах. Хотя для увеличения общего напряжения такой набор может встретиться в высоковольтных источниках питания. А вот в низковольтных источниках довольно часто встречается параллельное соединение нескольких конденсаторов для сглаживания пульсаций после выпрямления при больших токах потребления.

Обратите внимание, формулы вычисления емкости последовательного и параллельного соединения конденсаторов в точности обратны формулам вычисления сопротивления при последовательном и параллельном соединении резисторов.

Понравилась статья? Не забудь поделиться с друзьями в соц. сетях. А также подписаться на наш канал на YouTube, вступить в группу Вконтакте, в группу на Facebook.

До встречи в следующем уроке. Спасибо за внимание!

Технологии начинаются с простого!

Понравилась статья? Поделитесь ею с друзьями:

Частотные характеристики конденсаторов. Импеданс и ESR

   Частотные характеристики конденсаторов являются важными параметрами, которые необходимы для разработки схем. Понимание частотных характеристик конденсатора позволит вам определить, например, какие шумы может подавлять конденсатор или какие флуктуации напряжения цепи питания он может контролировать. Эта статья описывает два типа частотных характеристик: |Z| (импеданс или полное сопротивление) и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора).

   Импеданс Z идеального конденсатора определяется формулой 1, где ω - угловая частота, а C - емкость конденсатора.

Рисунок 1. Идеальный конденсатор

(1)


   Из формулы 1 видно, что с увеличением частоты импеданс конденсатора уменьшается. Это показано на рисунке 1. В идеальном конденсаторе нет потерь и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) равно нулю.

Рисунок 2. Частотная характеристика идеального конденсатора

   В реальном конденсаторе (рис. 3) существует некоторое сопротивление (ESR), вызванное диэлектрическими потерями, потерями на сопротивлении обкладок конденсатора и потерями связанные с сопротивлением утечки, а также паразитная индуктивность (ESL) выводов и обкладок конденсатора. В результате частотная характеристика импеданса принимает V образную форму (или U образную в зависимости от типа конденсатора), как показано на рисунке 4.Также на рисунке показана частотная характеристика ESR.

Рисунок 3. Реальный конденсатор

Рисунок 4. Пример частотной характеристики реального конденсатора

   Причина, по которой графики |Z| и ESR имеют такой вид как на рисунке 4, можно объяснить следующим образом.

Низкочастотная область

   |Z| в этой области уменьшается обратно пропорционально частоте, как и в идеальном конденсаторе. Значение ESR определяется диэлектрическими потерями в конденсаторе.

Область резонанса

   При повышении частоты ESR, в результате паразитной индуктивности, сопротивления электродов и других факторов, вызывает отклонение |Z| от идеальной характеристики (красная пунктирная линия) и достигает минимального значения. Частота, на которой |Z| достигает минимума, называется собственной резонансной частотой и на этой частоте |Z| = ESR. После превышения собственной частоты резонанса, характеристика элемента меняется с емкостной на индуктивную и |Z| начинает повышаться. Область ниже собственной резонансной частоты называется емкостной областью, а область выше - индуктивной.
   В области резонанса к диэлектрическим потерям добавляются потери на электродах.

Высокочастотная область

   При дальнейшем увеличении частоты характеристика |Z| определяется паразитной индуктивностью конденсатора. В высокочастотной области |Z| увеличивается пропорционально частоте, согласно формуле 2. Что касается ESR, в этой области начинают проявляться скин-эффект , эффект близости и другие.


(2)


   Итак, мы рассмотрели частотную характеристику реального конденсатора. Здесь важно запомнить, что c повышением частоты ESR и ESL уже нельзя игнорировать. Поскольку существуют большое количество приложений, в которых конденсаторы используются на высоких частотах, ESR и ESL становятся важными параметрами, характеризующими конденсатор помимо значения его емкости.

   Паразитные составляющие реальных конденсаторов имеют различное значение в зависимости от их типа. Давайте посмотрим на частотные характеристики разных конденсаторов. На рисунке 5 показаны графики |Z| и ESR для конденсаторов емкостью 10 мкФ. Все конденсаторы, кроме пленочных, планарные (SMD).

Рисунок 5. Частотные характеристики конденсаторов разных типов.

   Для всех типов конденсаторов |Z| ведет себя одинаково до частоты 1 кГц. После 1 кГц импеданс увеличивается сильнее в алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторах, чем в монолитных керамических и пленочных конденсаторах.
   Это происходит из-за того, что алюминиевые и танталовые конденсаторы имеют высокое удельное сопротивление электролита и большое ESR. В пленочных и монолитных керамических конденсаторах используются металлические материалы для электродов и, следовательно, они обладают очень маленьким ESR.
   Монолитные керамические конденсаторы и пленочные показывают примерно одинаковые характеристики до точки собственного резонанса, но у монолитных керамических конденсаторов резонансная частота выше, а |Z| в индуктивной области ниже.
   Эти результаты показывают, что импеданс монолитных керамических конденсаторов SMD типа в широком диапазоне частот имеет небольшое значение. Это делает их наиболее подходящими для высокочастотных приложений.

   Существует также несколько типов монолитных керамических конденсаторов, изготовленных из различных материалов и имеющих различную форму. Давайте посмотрим, как эти факторы влияют на частотные характеристики.

ESR

   ESR в емкостной области зависит от диэлектрических потерь, вызванных материалом диэлектрика. 2-й класс диэлектрических материалов на основе сегнетоэлектриков имеет высокую диэлектрическую постоянную и, как правило, высокое ESR. 1-ый класс материалов - температурно-компенсированные материалы на основе параэлектриков - имеют низкие диэлектрические потери и низкое ESR.
На высоких частотах в области резонанса и индуктивной области, в дополнение к сопротивлению материала электродов, их форме и количеству слоев, ESR зависит от скин-эффекта и эффекта близости. Электроды часто делают из Ni, но для дешевых конденсаторов иногда применяют Cu, который тоже имеет низкое сопротивление.

ESL

   ESL монолитных керамических конденсаторов сильно зависит от внутренней структуры электродов. Если размеры внутренних электродов задаются длиной, шириной и толщиной, то индуктивность ESL может быть определена математически. Значение ESL уменьшается, когда электроды конденсатора короче, шире и тоньше.
   На рисунке 6 показана связь между номинальной емкостью и резонансной частотой различных типов монолитных керамических конденсаторов. Вы можете видеть, что при уменьшении размеров конденсатора собственная резонансная частота увеличивается, а ESL уменьшается для одинаковых значений емкости. Это означает, что небольшие конденсаторы короткой длины лучше подходят для высокочастотных приложений.


Рисунок 6.


   На рисунке 7 показан обратный LW конденсатор с короткой длиной L и большой шириной W. Из частотных характеристик, показанных на рисунке 8, можно увидеть, что LW конденсатор имеет меньший импеданс и лучшие характеристики, чем обычный конденсатор такой же емкости. С помощью LW конденсаторов можно достичь тех же характеристик, как у обычных конденсаторов, но меньшим числом компонентов. Уменьшение числа компонентов, позволяет сократить расходы и уменьшить монтажное пространство. 


Рисунок 7. Внешний вид обратного LW конденсатора.

Рисунок 8. |Z| и ESR обратного LW конденсатора и конденсатора общего назначения


По материалам фирмы Murata. 

Вольный перевод ChipEnable.Ru

ud_use

 

Почему мы применяем конденсаторы с твердым электролитом?

Электропроводный полимер, используемый в конденсаторах с твердым электролитом, обеспечивает их превосходные рабочие характеристики:

 
 
Низкие потери на высоких частотах - снижение температуры системной платы  
Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) означает меньшее тепловыделение. Конденсаторы с твердым электролитом имеют значительно более низкий импеданс на высоких частотах. Благодаря низкому импедансу конденсаторы с твердым электролитом имеют более стабильные характеристики и выделяют меньше тепла, чем обычные электролитические конденсаторы.
 
Сглаживание больших пульсирующих токов - более стабильная работа системной платы  
Способность к эффективному сглаживанию больших пульсирующих токов имеет определяющее значение при построении схем подачи питания в системных платах. Конденсаторы с твердым электролитом обладают лучшей способностью к накоплению и отдаче энергии и благодаря этому обеспечивают значительно большую стабильность работы системной платы по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами.
 
Продолжительный срок службы - безотказность системной платы  
Конденсаторы с твердым электролитом служат значительно дольше, чем обычные электролитические конденсаторы, особенно при низких рабочих температурах. Как видно из приведенной ниже таблицы, при температуре 65°C средний срок службы конденсаторов с твердым электролитом более чем в 6 раз превышает срок службы обычных электролитических конденсаторов. Фактически это означает, что конденсатор с твердым электролитом будет работать около 23 лет, в то время как обычный электролитический конденсатор выйдет из строя уже через три года. Очевидно, что конденсаторы с твердым электролитом имеют здесь большое преимущество перед обычными электролитическими конденсаторами.
 

Temp°C

Working Hours

Solid Capacitors

Electrolytic Capacitors

95°C

6,324 Hrs

4,000 Hrs

85°C

20,000 Hrs

8,000 Hrs

75°C

63,245 Hrs

16,000 Hrs

65°C

200,000 Hrs

32,000 Hrs

 
Способность к работе при высоких температурах - повышение надежности системной платы  
Емкость конденсаторов с твердым электролитом остается постоянной даже при резких изменениях температуры, т.е. они обладают более постоянной емкостью, и на их рабочие характеристики значительно меньшее влияние оказывают изменения температуры. Как видно из приведенного ниже графика, даже при очень высоких температурах конденсаторы с твердым электролитом демонстрируют относительно стабильное значение емкости, особенно по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами.
 
 
Исключение риска взрыва конденсаторов - повышение стабильности работы в условиях разгона  
Вспучивание конденсаторов и утечка из них электролита в течение многих лет были большой проблемой для пользователей компьютеров. Эти недостатки конденсаторов значительно снижали производительность компьютера, а иногда даже приводили к повреждению системной платы и выходу ее из строя. Поскольку конденсатор с твердым электролитом не содержит жидких компонентов, в нем нечему вытекать или взрываться. Кроме того, способность работать при очень высоких температурах и общая надежность делают такие конденсаторы значительно более подходящими для работы в экстремальных условиях.
 
Сравнение конденсаторов с твердым электролитом и обычных электролитических конденсаторов  
 
  Хорошо    Нормально    Плохо
 
Краткая характеристика конденсаторов с твердым электролитом  
 
Низкое эквивалентное последовательное сопротивление
  Идеальная частотная характеристика импеданса
Идеальны для применения в качестве развязывающих конденсаторов, предназначенных для удаления шумов различных типов (пульсаций, пиков, цифровых, статических, звуковых и т.п.).
Способность сглаживать пульсирующие токи большой амплитуды
Идеальны для использования в миниатюрных приборах, например, в качестве сглаживающих конденсаторов в импульсных источниках питания.
Способность к быстрому разряду
Идеальны для использования в качестве буферных конденсаторов в цепях, потребляющих большие пиковые токи.
Эквивалентное последовательное сопротивление мало зависит от температуры
  Можно использовать в оборудовании, работающем при низкой температуре (0°C или ниже)
Большой срок службы
  Срок службы при рабочей температуре 85°C составляет 20 тыс. часов (3 года). Идеальны для применения в устройствах, предназначенных для длительной эксплуатации.
 
Конденсатор

: характеристики и применение | MTI Instruments

Конденсаторы часто определяются их многочисленными характеристиками. Эти характеристики в конечном итоге определяют конкретное применение конденсаторов, температуру, диапазон емкости и номинальное напряжение. Огромное количество характеристик конденсатора вызывает недоумение. Кроме того, может быть очень сложно интерпретировать и понять информацию, напечатанную на корпусе конденсатора.

Конденсаторы бывают различных типов или семейств, и каждая из этих групп имеет свою собственную систему идентификации и характеристики.Некоторые из этих систем легко интерпретировать. Однако другие системы изобилуют символами, буквами и цветами, понимание которых может быть затруднительным.

Определение характеристик конденсатора обычно означает выяснение того, к какому семейству он принадлежит. Семейства конденсаторов включают:

  • Пластик
  • Керамика
  • Пленка
  • Электролитический

После того, как вы определили семейство, к которому принадлежит конденсатор, становится намного проще определить его характеристики.

Что касается конденсаторов, их может быть больше, чем кажется на первый взгляд. Например, то, что два конденсатора имеют одинаковое значение емкости, не означает, что они имеют одинаковое номинальное напряжение. Эта информация жизненно важна, потому что, если используется неправильный конденсатор (например, конденсатор с меньшим номинальным напряжением, используемый вместо конденсатора с более высоким номинальным напряжением), то конденсатор может быть поврежден и даже разрушен.

Характеристики конденсатора можно найти в технических паспортах, предоставленных производителем.Давайте рассмотрим несколько наиболее важных характеристик:

1) Рабочее напряжение, (WV)

Это важная характеристика конденсатора, которая дает определение максимального непрерывного напряжения (переменного или постоянного тока), которое может быть приложено к конденсатору без конденсатор выходит из строя. В большинстве случаев вы можете найти рабочее напряжение, напечатанное на боковой стороне корпуса конденсатора, отображающее его рабочее напряжение постоянного тока.

Поскольку переменное напряжение конденсатора ссылается на r.m.svalue, а не пиковое или максимальное значение (которое на 1,414 больше), значения напряжения переменного и постоянного тока обычно не совпадают для любого типа конденсатора.

Отказ может произойти, если какое-либо напряжение постоянного тока превышает рабочее. Отказ также может произойти, если имеет место чрезмерная пульсация переменного тока. В этом случае вполне естественно, что конденсатор будет иметь увеличенный срок службы, если он будет работать в пределах своего номинального напряжения в прохладной окружающей среде.

Общие рабочие напряжения постоянного тока включают:

  • 10V
  • 16V
  • 25V
  • 35V
  • 50V
  • 63V
  • 100V
  • 160V
  • 250V
  • 400V
  • 1000V

Вы можете найти каждый из эти напряжения нанесены непосредственно на корпус конденсатора.

2) Ток утечки

Диэлектрики, используемые в конденсаторах, которые служат для разделения проводящих пластин, не являются идеальными изоляторами. Из-за этого небольшой ток или «утечка» протекает через диэлектрик под влиянием мощных электрических полей, которые накапливаются из-за заряда пластин при приложении постоянного напряжения питания.

Этот небольшой поток постоянного тока называется током утечки. По сути, ток утечки возникает, когда электроны проходят через диэлектрическую среду (обычно по краям).В конце концов, ток утечки полностью разрядит конденсатор, если напряжение питания исключить из уравнения.

В случае небольшой утечки, характерной для фольговых или пленочных конденсаторов, ток утечки называется «сопротивлением изоляции» (Rp), которое выражается как сопротивление высокой величины. Термин «ток утечки» обычно используется только тогда, когда поток электронов очень велик.

Ток утечки конденсатора - один из важнейших параметров цепей связи источника питания и усилителя.С учетом вышесказанного, лучшим выбором для систем хранения являются тефлон, полистирол, полипропилен и другие типы пластиковых конденсаторов.

С другой стороны, алюминиевые, танталовые и другие типы конденсаторов электролитического типа могут работать с очень высокими емкостями. Однако они подвержены высоким токам утечки. Из-за этого они не подходят для приложений связи или хранения. В заключение, ток утечки для алюминиевых электролитов будет увеличиваться при повышении температуры.

3) Допуск, (±%)

Допуск конденсатора выражается положительным или отрицательным значением. Они представляют собой пикофарады (± пФ), которые указывают на конденсаторы с низкими значениями (обычно менее 100 пФ) или в процентах (±%) для конденсаторов с более высокими значениями (обычно выше 100 пФ).

По сути, значение допуска - это полная степень отклонения емкости от номинального значения. В большинстве случаев уровень допуска может составлять от -20% до + 80%.Номинальные характеристики конденсаторов определяются тем, насколько они близки к фактическим значениям по сравнению с номинальной номинальной емкостью. Буквы и цветные полосы используются для обозначения фактического допуска. Обычные уровни допусков для конденсаторов составляют около 5% - 10%. Тем не менее, некоторые конденсаторы из пластика имеют рейтинг не более ± 1%.

4) Рабочая температура, (T)

Из-за изменений диэлектрических свойств колебания температуры будут иметь прямое влияние на значение емкости.Если окружающая температура становится слишком высокой или слишком низкой, значение емкости цепи может работать неправильно. Как правило, большинство конденсаторов хорошо работают при температуре от -30 ° C до + 125 ° C. Номинальное напряжение при рабочей температуре для пластиковых конденсаторов не более + 70oC.

Электролитические конденсаторы и алюминиевые электролитические конденсаторы подвержены деформации при высоких температурах из-за утечки и внутреннего давления. Кроме того, электролитические конденсаторы нельзя использовать при температурах ниже -10 ° C, потому что электролитный гель замерзнет.

5) Температурный коэффициент, (TC)

Температурный коэффициент конденсатора определяется максимальным изменением его емкости в определенном температурном диапазоне. Как правило, температурный коэффициент конденсатора определяется линейным образом в миллионных долях на градус Цельсия (PPM / oC). Его также можно определить как процентное изменение в определенном диапазоне температур.

Конденсаторы класса 2 имеют нелинейную природу. В результате их значения увеличиваются с повышением температуры, что дает им температурный коэффициент, который выражается как положительное значение "P.«В отличие от конденсаторов класса 2, некоторые конденсаторы фактически уменьшают свое значение при повышении температуры. В результате температурный коэффициент в этом случае будет выражен как отрицательное« N ».

Некоторые конденсаторы не изменяют свое значение. и будут оставаться постоянными в определенном диапазоне температур. Эти конденсаторы имеют нулевой температурный коэффициент и обозначаются как "NPO". Эти типы конденсаторов считаются классом 1.

В то время как подавляющее большинство конденсаторов теряют свою емкость, когда они становятся слишком горячий, существует исключение для конденсаторов температурной компенсации.Эти типы конденсаторов могут работать при температурах от P1000 до N5000 (от +1000 ppm / oC до -5000 ppm / oC).

Очень хорошо можно подключить конденсатор с положительным температурным коэффициентом параллельно конденсатору с отрицательным температурным коэффициентом. Когда это происходит, два противоположных эффекта в конечном итоге нейтрализуют друг друга. Конденсаторы с температурным коэффициентом приложения также могут использоваться для нейтрализации влияния других компонентов, расположенных в цепи, таких как резистор или катушка индуктивности.

6) Номинальная емкость (C)

Когда дело доходит до важности, номинальное значение емкости C конденсатора всегда будет занимать первое место среди характеристик конденсатора. Это значение можно измерить тремя способами:

  • Микрофарады (мкФ)
  • Пикофарады (мкФ)
  • Нано-Фарады (мкФ)

Эти значения напечатаны буквами непосредственно на корпусе конденсатора. , числа и цветные полосы.

7) Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)

Эквивалентное последовательное сопротивление AKA ESR - это импеданс конденсатора по переменному току, когда он используется на более высоких частотах.Он включает сопротивление постоянному току выводов клемм, сопротивление диэлектрического материала, сопротивление пластины конденсатора и сопротивление постоянному току соединений с диэлектриком; все они измеряются при определенной температуре и частоте.

Эквивалентное последовательное сопротивление определяет потери энергии «эквивалентного» последовательного сопротивления конденсатора. Таким образом, он должен определять общие тепловые потери I2R конденсатора. Это особенно актуально, когда задействованы силовые и коммутационные цепи.

Конденсаторы с высоким ESR менее способны пропускать ток к пластинам и от них во внешнюю цепь. Это связано с более длительной постоянной времени заряда / разряда RC. ESR электролитических конденсаторов будет постепенно увеличиваться со временем, поскольку электролит внутри начинает высыхать. При использовании в качестве фильтра рекомендуется использовать конденсатор с низким значением ESR.

8) Поляризация

Конденсатор Поляризация относится к конденсаторам электролитического типа (в основном алюминиевым электролитическим конденсаторам) в отношении их электрического соединения.Подавляющее большинство электролитических конденсаторов поляризованы, а это означает, что напряжение на выводах конденсатора должно иметь правильную полярность (положительный к положительному, отрицательный к отрицательному).

Неправильная поляризация может привести к разрушению оксидного слоя внутри конденсатора, что в конечном итоге приведет к протеканию через устройство больших токов. В результате конденсатор, скорее всего, выйдет из строя.

Большинство электролитических конденсаторов имеют отрицательную клемму, отмеченную стрелкой, полосой, черной полосой или шевронами.Они установлены для предотвращения возможных неправильных подключений к источнику постоянного тока.

Некоторые из более крупных электролитических конденсаторов с металлическим корпусом подключаются к отрицательной клемме. Это можно сделать, потому что металлический корпус изолирован электродами. Имейте в виду, что при использовании алюминиевых электролитов в сглаживающих цепях источника питания будьте осторожны, не позволяя пульсации переменного напряжения и сумме пикового постоянного напряжения превращаться в «обратное напряжение».

Вывод

Имейте в виду, что конденсаторы с небольшой емкостью (менее 0.01 мкФ) обычно не представляют опасности для людей. Однако, если емкость конденсатора превышает 0,01 мкФ, вас ждет шок! Все конденсаторы способны накапливать электрические заряды, которые принимают форму напряжения даже при отсутствии тока в цепи.

Как правило, никогда не прикасайтесь к выводам конденсаторов с большими номиналами, если отключено напряжение питания. Некоторые конденсаторы могут накапливать смертельные заряды напряжения. Если вы не уверены в состоянии большого конденсатора, с которым пытаетесь обращаться, всегда обращайтесь за помощью к эксперту.

Показанное изображение Кредит: Clker-Free-Vector-Images / Pixabay
В сообщении Изображение 1 Кредит: Elcap [CC0], из Wikimedia Commons
В сообщении Изображение 2 Кредит: Элкап [CC0], из Wikimedia Commons
В сообщении Изображение 3 Предоставлено: Stack Exchange
In Post Image 4 Кредит: Sakurambo [Public domain], из Wikimedia Commons In Post Image 2
In Post Image 5 Кредит: Jwratner1 в английской Википедии. [CC0], через Wikimedia Commons

Общие сведения о типах и характеристиках конденсаторов

Конденсаторы - это устройства хранения энергии, которые необходимы как для аналоговых, так и для цифровых электронных схем.Они используются для синхронизации, для создания и формирования формы сигналов, блокировки постоянного тока и связи сигналов переменного тока, фильтрации и сглаживания и, конечно же, для хранения энергии. В связи с широким спектром использования появилось множество типов конденсаторов с использованием различных материалов пластин, изолирующих диэлектриков и физических форм. Каждый из этих типов конденсаторов предназначен для определенного диапазона приложений. Большое разнообразие вариантов означает, что может потребоваться время, чтобы перебрать их все, чтобы найти оптимальный выбор для конструкции с точки зрения рабочих характеристик, надежности, срока службы, стабильности и стоимости.

Знание характеристик каждого типа конденсатора необходимо для того, чтобы правильно подобрать конденсатор для предполагаемого применения схемы. Эти знания должны охватывать электрические, физические и экономические характеристики конденсаторов.

В этой статье будут описаны различные типы конденсаторов, их характеристики и ключевые критерии их выбора. Примеры от Murata Electronics, KEMET, Cornell Dubilier Electronics, Panasonic Electronics Corporation и AVX Corporation будут использоваться для иллюстрации основных различий и атрибутов.

Что такое конденсатор?

Конденсатор - это электронное устройство, которое накапливает энергию во внутреннем электрическом поле. Это основной пассивный электронный компонент вместе с резисторами и индукторами. Все конденсаторы состоят из одной и той же базовой структуры - двух проводящих пластин, разделенных изолятором, называемым диэлектриком, который можно поляризовать с помощью электрического поля (рис. 1). Емкость пропорциональна площади пластины A и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами d.

Рис. 1. Основной конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных непроводящим диэлектриком, который накапливает энергию в виде поляризованных областей в электрическом поле между двумя пластинами. (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Первым конденсатором был лейденский сосуд, разработанный в 1745 году. Он представлял собой стеклянный сосуд, покрытый металлической фольгой на внутренней и внешней поверхностях, и первоначально использовался для хранения статических электрических зарядов. Бенджамин Франклин использовал один, чтобы доказать, что молния - это электричество, что стало одним из первых зарегистрированных приложений.

Емкость основного конденсатора с параллельными пластинами можно рассчитать по уравнению 1:

.

Уравнение 1

Где:

C - емкость в фарадах

A - площадь пластины в квадратных метрах

d - расстояние между пластинами в метрах

ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала

ε равно относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, ε r , умноженной на диэлектрическую проницаемость вакуума, ε 0 .Относительная диэлектрическая проницаемость ε r, часто называется диэлектрической проницаемостью k.

Согласно уравнению 1, емкость прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости и площади пластины и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Для увеличения емкости можно увеличить площадь пластин и уменьшить расстояние между пластинами. Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, а все диэлектрики имеют относительную диэлектрическую проницаемость больше 1, введение диэлектрика также увеличит емкость конденсатора.Конденсаторы обычно называют по типу используемого диэлектрического материала (Таблица 1).

Таблица 1: Характеристики распространенных типов конденсаторов, отсортированные по диэлектрическому материалу. (Источник таблицы: Digi-Key Electronics)

Некоторые примечания к записям столбца:

  • Относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость конденсатора влияет на максимальное значение емкости, достижимое для данной площади пластины и толщины диэлектрика.
  • Диэлектрическая прочность - это оценка сопротивления диэлектрика пробою под напряжением в зависимости от его толщины.
  • Минимально достижимая толщина диэлектрика влияет на максимальную емкость, которая может быть реализована, а также на напряжение пробоя конденсатора.

Конструкция конденсатора

Конденсаторы

доступны в различных физических конфигурациях монтажа, включая осевой, радиальный и поверхностный (рисунок 2).

Рис. 2. Конденсаторный монтаж или типы конфигурации включают осевой, радиальный и поверхностный. В настоящее время очень широко используется поверхностный монтаж.(Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Осевая конструкция основана на чередовании слоев металлической фольги и диэлектрика или диэлектрика, металлизированного с обеих сторон, свернутого в цилиндрическую форму. Соединения с токопроводящими пластинами могут осуществляться через вставленный язычок или круглую токопроводящую заглушку.

Радиальный тип обычно состоит из чередующихся металлических и диэлектрических слоев. Слои металла перекрываются на концах. Радиальная и осевая конфигурации предназначены для сквозного монтажа.

Конденсаторы

для поверхностного монтажа также используют чередующиеся проводящие и диэлектрические слои. Металлические слои на каждом конце соединены крышкой припоя для поверхностного монтажа.

Конденсаторная схема модели

Схема конденсатора включает в себя все три пассивных элемента схемы (рисунок 3).

Рисунок 3: Модель цепи конденсатора состоит из емкостного, индуктивного и резистивного элементов. (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Модель цепи конденсатора состоит из последовательного резистивного элемента, представляющего омическое сопротивление проводящих элементов вместе с диэлектрическим сопротивлением.Это называется эквивалентным или эффективным последовательным сопротивлением (ESR).

Диэлектрические эффекты возникают при подаче на конденсатор сигналов переменного тока. Напряжение переменного тока вызывает изменение поляризации диэлектрика в каждом цикле, вызывая внутренний нагрев. Диэлектрический нагрев зависит от материала и измеряется как коэффициент рассеяния диэлектрика. Коэффициент рассеяния (DF) является функцией емкости конденсатора и ESR и может быть рассчитан с помощью уравнения 2:

.

Уравнение 2

Где:

X C - емкостное реактивное сопротивление в Ом (Ом)

ESR - эквивалентное последовательное сопротивление (в Ом)

Коэффициент рассеяния зависит от частоты из-за члена емкостного реактивного сопротивления и является безразмерным, часто выражается в процентах.Более низкий коэффициент рассеяния приводит к меньшему нагреву и, следовательно, меньшим потерям.

Есть последовательный индуктивный элемент, называемый эффективной или эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL). Это представляет собой индуктивность выводов и проводящего пути. Последовательная индуктивность и емкость вызывают последовательный резонанс. Ниже последовательной резонансной частоты устройство в основном проявляет емкостное поведение, а выше - более индуктивное. Эта последовательная индуктивность может быть проблематичной во многих высокочастотных приложениях.Поставщики минимизируют индуктивность за счет использования многослойной конструкции, показанной в конфигурациях компонентов для радиального и поверхностного монтажа.

Параллельное сопротивление представляет собой сопротивление изоляции диэлектрика. Значения различных компонентов модели зависят от конфигурации конденсатора и материалов, выбранных для его конструкции.

Конденсаторы керамические

В этих конденсаторах используется керамический диэлектрик. Есть два класса керамических конденсаторов: класс 1 и класс 2.Класс 1 основан на параэлектрической керамике, такой как диоксид титана. Керамические конденсаторы этого класса обладают высоким уровнем стабильности, хорошим температурным коэффициентом емкости и низкими потерями. Из-за присущей им точности они используются в генераторах, фильтрах и других радиочастотных приложениях.

В керамических конденсаторах

класса 2 используется керамический диэлектрик на основе сегнетоэлектрических материалов, таких как титанат бария. Из-за высокой диэлектрической проницаемости этих материалов керамические конденсаторы класса 2 имеют более высокую емкость на единицу объема, но имеют меньшую точность и стабильность, чем конденсаторы класса 1.Они используются для байпаса и связи, где абсолютное значение емкости не критично.

GCM1885C2A101JA16 компании

Murata Electronics представляет собой пример керамического конденсатора (рис. 4). Конденсатор класса 1100 пикофарад (пФ) имеет допуск 5%, рассчитан на 100 В и поставляется в конфигурации для поверхностного монтажа. Этот конденсатор предназначен для использования в автомобилях с температурным диапазоном от -55 ° до + 125 ° C.

Рис. 4. GCM1885C2A101JA16 - это керамический конденсатор для поверхностного монтажа класса 1, 100 пФ, допуск 5% и номинальное напряжение 100 В.(Источник изображения: Murata Electronics)

Пленочные конденсаторы

В пленочных конденсаторах

в качестве диэлектрика используется тонкая пластиковая пленка. Электропроводящие пластины могут быть выполнены либо в виде слоев фольги, либо в виде двух тонких слоев металлизации, по одному с каждой стороны пластиковой пленки. Пластик, используемый для диэлектрика, определяет характеристики конденсаторов. Пленочные конденсаторы бывают разных видов:

Полипропилен (ПП): Они обладают особенно хорошей переносимостью и стабильностью с низкими значениями ESR и ESL, а также высокими характеристиками пробоя высокого напряжения.Из-за температурных ограничений диэлектрика они доступны только в виде выводов. Конденсаторы PP находят применение в схемах, где встречается высокая мощность или высокое напряжение, например, в импульсных источниках питания, схемах балласта, схемах высокочастотного разряда, а также в аудиосистемах, где их низкие значения ESR и ESL ценятся для обеспечения целостности сигнала.

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) : Эти конденсаторы, также называемые полиэфирными или майларовыми конденсаторами, являются наиболее объемно эффективными из пленочных конденсаторов из-за их более высокой диэлектрической проницаемости.Обычно они применяются как устройства с радиальным выводом. Они используются для емкостных приложений общего назначения.

Полифениленсульфид (PPS): Эти конденсаторы производятся только как металлизированные пленочные устройства. Они обладают особенно хорошей температурной стабильностью и поэтому применяются в схемах, требующих хорошей стабильности частоты.

Примером пленочного конденсатора PPS является ECH-U1h201JX5 от Panasonic Electronics Corporation. Устройство на 100 пФ имеет допуск 5%, рассчитано на 50 вольт и поставляется в конфигурации для поверхностного монтажа.Он имеет диапазон рабочих температур от -55 ° до 125 ° C и предназначен для общего применения в электронике.

Полиэтиленнафталат (PEN): Как и конденсаторы PPS, они доступны только в исполнении с металлизированной пленкой. Они устойчивы к высоким температурам и доступны в конфигурации для поверхностного монтажа. Приложения сосредоточены на тех, где требуются характеристики при высоких температурах и высоком напряжении.

Конденсаторы из политетрафторэтилена (ПТФЭ) или тефлона известны своей устойчивостью к высоким температурам и высокому напряжению.Выпускаются как в металлизированной, так и в фольгированной конструкции. Конденсаторы из ПТФЭ в основном находят применение, требующее воздействия высоких температур.

Конденсаторы электролитические

Электролитические конденсаторы отличаются высокими значениями емкости и высоким объемным КПД. Это достигается за счет использования жидкого электролита в качестве одной из его пластин. Алюминиевый электролитический конденсатор состоит из четырех отдельных слоев: катода из алюминиевой фольги; бумажный сепаратор, пропитанный электролитом; алюминиевый анод, который был химически обработан с образованием очень тонкого слоя оксида алюминия; и, наконец, еще один разделитель бумаги.Затем эту сборку раскатывают и помещают в герметичную металлическую банку.

Электролитические конденсаторы - это поляризованные устройства постоянного тока (DC), что означает, что приложенное напряжение должно подаваться на указанные положительные и отрицательные клеммы. Неправильное подключение электролитического конденсатора может привести к взрывному отказу, хотя корпуса имеют мембраны сброса давления для управления реакцией и сведения к минимуму возможности повреждения.

Основными преимуществами электролитического конденсатора являются высокие значения емкости, малые размеры и относительно невысокая стоимость.Значения емкости имеют широкий диапазон допусков и относительно высокие токи утечки. Чаще всего электролитические конденсаторы используются в качестве фильтрующих конденсаторов как в линейных, так и в импульсных источниках питания (рис. 5).

Рисунок 5: Примеры электролитических конденсаторов; все они имеют емкость 10 микрофарад (мкФ). (Источник изображения: Kemet и AVX Corp.)

Ссылаясь на рисунок 5 слева направо, ESK106M063AC3FA от Kemet представляет собой алюминиевый электролитический конденсатор с радиальными выводами, 10 мкФ, 20%, 63 В.Он может работать при температуре до 85 ° C и имеет срок службы 2000 часов. Он предназначен для электролитических применений общего назначения, включая операции фильтрации, развязки и байпаса.

Альтернативой алюминиевому электролитическому конденсатору является алюминиевый полимерный конденсатор, который заменяет жидкий электролит твердым полимерным электролитом. Полимерный алюминиевый конденсатор имеет более низкое ESR, чем алюминиевый электролитический, и более длительный срок службы. Как и все электролитические конденсаторы, они поляризованы и находят применение в источниках питания в качестве фильтрующих и развязывающих конденсаторов.

Kemet A758BG106M1EDAE070 - это алюминиево-полимерный конденсатор 10 мкФ, 25 В, радиально свинцовый, с более длительным сроком службы и большей стабильностью в широком диапазоне температур. Он предназначен для промышленного и коммерческого применения, например, для зарядных устройств мобильных телефонов и медицинской электроники.

Танталовые конденсаторы - еще одна форма электролитических конденсаторов. В этом случае на танталовой фольге химически образуется слой оксида тантала. Их объемный КПД лучше, чем у алюминиевых электролитов, но максимальные уровни напряжения обычно ниже.Танталовые конденсаторы имеют более низкое ESR и более высокую термостойкость, чем алюминиевые электролиты, что означает, что они лучше выдерживают процесс пайки.

Kemet T350E106K016AT представляет собой радиальный свинцовый танталовый конденсатор на 10 мкФ, 10%, 16 В. Он предлагает преимущества небольшого размера, низкой утечки и низкого коэффициента рассеяния для приложений фильтрации, байпаса, связи по переменному току и синхронизации.

Последний тип электролитических конденсаторов - электролитический из оксида ниобия. Разработанный во время нехватки тантала, ниобиевый электролитический конденсатор заменяет тантал на ниобий и пятиокись ниобия в качестве электролита.Благодаря более высокой диэлектрической проницаемости он обеспечивает меньший размер корпуса на единицу емкости.

Примером электролита на основе оксида ниобия является NOJB106M010RWJ от AVX Corp. Это конденсатор 10 мкФ, 20%, 10 В в конфигурации для поверхностного монтажа. Как и танталовый электролит, он используется для фильтрации, байпаса и связи по переменному току.

Слюдяные конденсаторы

Конденсаторы

слюдяные (в основном серебряные слюды) характеризуются жестким допуском емкости (± 1%), низким температурным коэффициентом емкости (обычно 50 ppm / ° C), исключительно низким коэффициентом рассеяния и малым изменением емкости в зависимости от приложенного напряжения.Жесткие допуски и высокая стабильность делают их подходящими для ВЧ-цепей. Слюдяной диэлектрик посеребрен с обеих сторон для обеспечения проводящих поверхностей. Слюда - это стабильный минерал, который не взаимодействует с большинством обычных электронных загрязнений.

MC12FD101J-F компании Cornell Dubilier Electronics представляет собой слюдяной конденсатор 100 пФ, 5%, 500 В в конфигурации для поверхностного монтажа (рис. 6). Он используется в радиочастотных приложениях, таких как МРТ, мобильные радиостанции, усилители мощности и генераторы. Они рассчитаны на работу в диапазоне температур от -55 ° до 125 ° C.

Рис. 6. Cornell Dubilier Electronics MC12FD101J-F - слюдяной конденсатор для поверхностного монтажа, предназначенный для высокочастотных приложений. (Источник изображения: Cornell Dubilier Electronics)

Заключение

Конденсаторы - важный компонент в конструкции электроники. За прошедшие годы был разработан широкий спектр типов устройств с различными характеристиками, которые делают некоторые конденсаторные технологии особенно подходящими для конкретных приложений. Для проектировщиков получение хороших практических знаний о различных типах, конфигурациях и спецификациях является стоящим усилием, чтобы обеспечить оптимальный выбор для данного приложения.

Заявление об ограничении ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Характеристики конденсатора, температурный коэффициент, допуск

Введение

Конденсатор имеет большое количество спецификаций и характеристик. Наблюдая за информацией, напечатанной на корпусе конденсатора, мы можем очень хорошо понять характеристики конденсатора.Но некоторые конденсаторы имеют на корпусе цвета или числовые коды, из-за чего сложно разобраться в характеристиках. Каждый тип или семейство конденсаторов имеет свой набор характеристик и систему идентификации. Характеристики некоторых конденсаторов легко понять, а в других используются вводящие в заблуждение символы, буквы и цвета.

Чтобы легко понять характеристики конкретного конденсатора, сначала определите семейство конденсаторов, будь то керамическое, пластиковое, пленочное или электролитическое, и по нему легко определить характеристики.Несмотря на то, что конденсаторы имеют одинаковое значение емкости, они могут иметь разное рабочее напряжение. Если вы используете конденсатор с низким рабочим напряжением вместо конденсатора с высоким рабочим напряжением, то повышенное напряжение может повредить конденсатор низкого напряжения, даже если оба конденсатора имеют одинаковую емкость.

Мы уже знаем, что электролитический конденсатор имеет полярность, поэтому при подключении электролитического конденсатора в цепи положительный вывод должен подключаться к положительному соединению, а отрицательный вывод конденсатора - к отрицательному, иначе конденсатор может повредиться.Поэтому всегда лучше заменить поврежденный или старый конденсатор в цепи новым с такими же характеристиками. На рисунке ниже показаны характеристики конденсатора.

Рисунок 1. Характеристики конденсатора

Конденсатор имеет набор характеристик. Все эти характеристики можно найти в технических паспортах, предоставляемых производителями конденсаторов. Теперь обсудим некоторые из них.

Номинальная емкость (C)

Одной из наиболее важных характеристик конденсатора является номинальная емкость (C) конденсатора.Это номинальное значение емкости обычно измеряется в пикофарадах (пФ), нанофарадах (нФ) или микрофарадах (мкФ), и это значение указывается цветами, числами или буквами на корпусе конденсатора. Это номинальное значение емкости, которое напечатано на стороне корпуса конденсатора, не обязательно должно равняться его фактическому значению.

Номинальное значение емкости может изменяться в зависимости от рабочих температур и частоты цепи. Эти номинальные значения составляют всего один пикофарад (1 пФ) для керамических конденсаторов меньшего размера и один фарад (1 Ф) для электролитических конденсаторов.Все конденсаторы имеют допуски от -20% до + 80%.

Рабочее напряжение (WV)

Рабочее напряжение - еще одна важная характеристика всех характеристик конденсатора. Максимальное напряжение, которое подается на конденсатор без сбоев в течение его срока службы, называется рабочим напряжением (WV). Это рабочее напряжение выражается в единицах постоянного тока, а также печатается на корпусе конденсатора.

Обычно рабочее напряжение, которое напечатано на корпусе конденсатора, относится к его постоянному напряжению, но не к его напряжению переменного тока, потому что напряжение переменного тока выражается в среднеквадратичном значении.Таким образом, рабочее напряжение конденсатора должно быть больше, чем в 1,414 (Vm = Vrms x√2) раз от его фактического значения переменного тока, чтобы подать напряжение переменного тока на конденсатор. Это указанное рабочее напряжение постоянного тока конденсатора (WV-DC) действительно только в определенном диапазоне температур, например от -300 ° C до + 700 ° C. Если вы подаете постоянное или переменное напряжение, превышающее рабочее напряжение конденсатора, конденсатор может выйти из строя.

Рабочие напряжения, которые обычно указываются на корпусе конденсатора, составляют 10 В, 16 В, 25 В, 35 В, 50 В, 63 В, 100 В, 160 В, 250 В, 400 В, а также 1000 В.Все конденсаторы будут иметь более длительный срок службы, если они будут работать в пределах своих номинальных значений напряжения и в прохладной окружающей среде.

Допуск (±%)

Допуск - это допустимое относительное отклонение емкости от номинального значения, которое выражается в процентах. Как и для резисторов, допустимое значение для конденсатора также может быть положительным или отрицательным. Это значение допуска обычно измеряется либо в пикофарадах (+/- пФ) для конденсаторов малой емкости, которые меньше 100 пФ, либо в процентах (+ / -%) для конденсаторов большей емкости, которые больше 100 пФ.

Допуск конденсатора измерен при температуре + 20 ° C и действителен только на момент его поставки. Если конденсатор можно использовать после более длительного периода хранения, то значение допуска увеличится, но в соответствии со стандартными спецификациями это значение не будет превышать двойное значение, измеренное на момент его поставки. Допуски при поставке для конденсаторов с обмоткой обычно составляют +/- (1%, 2,5%, 5%, 10%, 20%). В общем случае отклонение значений допуска для конденсаторов составляет 5% или 10%, а для пластиковых конденсаторов оно составляет всего +/- 1%.

Ток утечки (LC)

Все диэлектрические материалы, которые используются в конденсаторах для разделения металлических пластин конденсаторов, не являются идеальными изоляторами. Они пропускают через него небольшой ток, например ток утечки. Этот эффект возникает из-за сильного электрического поля, которое формируется частицами заряда на пластинах конденсатора при приложении к нему напряжения питания (В).

Ток утечки конденсатора - это небольшая величина постоянного тока в наноамперах (нА).Это происходит из-за протекания электронов через диэлектрический материал или вокруг его краев, а также из-за его сверхурочной разрядки при отключении источника питания.

Ток утечки определяется как передача нежелательной энергии от одной цепи к другой. Еще одно определение: ток утечки - это ток, когда идеальный ток цепи равен нулю. Ток утечки конденсаторов является существенным фактором в цепях связи усилителей и цепях питания.

Ток утечки очень низкий в конденсаторах пленочного или фольгового типа и очень высок (5-20 мкА на мкФ) в конденсаторах электролитического (танталового и алюминиевого) типа, где значения их емкости также высоки.

Рабочая температура

Величина емкости конденсатора изменяется в зависимости от изменений температуры окружающей конденсатор. Поскольку изменение температуры приводит к изменению свойств диэлектрика. Рабочая температура - это температура конденсатора, который работает при номинальном напряжении. Общий диапазон рабочих температур для большинства конденсаторов составляет от -30 ° C до + 125 ° C. В конденсаторах пластикового типа это значение температуры не более + 700С.

Значение емкости конденсатора может измениться, если воздух или окружающая температура конденсатора слишком холодная или слишком горячая.Эти изменения температуры могут повлиять на фактическую работу схемы, а также повредить другие компоненты в этой схеме. Я думаю, что не так просто поддерживать стабильную температуру, чтобы избежать перегрева конденсаторов.

Жидкости внутри диэлектрика могут быть потеряны при испарении, особенно в электролитических конденсаторах (алюминиевых электролитических конденсаторах), когда они будут работать при высоких температурах (выше + 850 ° C), а также корпус конденсатора будет поврежден из-за тока утечки и внутренних давление.А также электролитические конденсаторы нельзя использовать при низких температурах, например, ниже -100 ° C.

Температурный коэффициент

Температурный коэффициент (TC) конденсатора описывает максимальное изменение значения емкости в заданном диапазоне температур. Обычно значение емкости, которое напечатано на корпусе конденсатора, измеряется с эталонной температурой 250 ° C, а также TC конденсатора, который упоминается в техническом описании, необходимо учитывать для приложений, которые работают при температуре ниже или выше этой.Обычно температурный коэффициент выражается в частях на миллион на градус Цельсия (PPM / 0C) или в процентах изменения в определенном диапазоне температур.

Некоторые конденсаторы являются линейными (конденсаторы класса 1), они очень устойчивы к температурам; такие конденсаторы имеют нулевой температурный коэффициент. Как правило, конденсаторы из слюды или полиэстера являются примерами конденсаторов класса 1. Спецификация TC для конденсаторов класса 1 всегда указывает изменение емкости в частях на миллион (PPM) на градус Цельсия.

Некоторые конденсаторы являются нелинейными (конденсаторы класса 2), температура этих конденсаторов нестабильна, как конденсаторы класса 1, и их значения емкости будут увеличиваться при увеличении значений температуры. Следовательно, конденсаторы дают положительный температурный коэффициент. Основным преимуществом конденсаторов класса 2 является их объемный КПД. Эти конденсаторы в основном используются в приложениях, где требуются высокие значения емкости, в то время как стабильность и коэффициент качества в зависимости от температуры не являются основными факторами, которые следует учитывать.Температурный коэффициент (TC) конденсаторов класса 2 выражается непосредственно в процентах. Одним из полезных применений температурного коэффициента конденсаторов является их использование для компенсации влияния температуры на другие компоненты в цепи, такие как резисторы или катушки индуктивности и т. Д.

Поляризация

Обычно поляризация конденсатора относится к конденсаторам электролитического типа. такие как конденсаторы алюминиевого и танталового типа. Большинство электролитических конденсаторов поляризованы, т. ) связь.

Оксидный слой внутри конденсатора может нарушиться из-за неправильной поляризации, что приведет к протеканию через устройство больших токов. Как уже упоминалось ранее, это может привести к повреждению конденсатора. Чтобы предотвратить неправильную поляризацию, на большинстве электролитических конденсаторов есть стрелки, черные полосы, полосы или шевроны на одной стороне корпуса для обозначения их отрицательных (-ve) выводов, как показано на рисунке ниже.

Поляризованные конденсаторы имеют большие токи утечки, если их напряжение питания инвертировано.Ток утечки в поляризованных конденсаторах искажает сигнал, перегревает конденсатор и, наконец, разрушает. Основная причина использования поляризованных конденсаторов - их меньшая стоимость, чем неполяризованные конденсаторы того же номинального напряжения и одинаковых значений емкости. Обычно поляризованные конденсаторы доступны в единицах микрофарад, таких как 1 мкФ, 10 мкФ и т. Д.

Рисунок 2. Поляризация конденсатора

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR)

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ) конденсатора определяется как импеданс конденсатора по переменному току, когда он используется на очень высоких частотах, а также с учетом диэлектрического сопротивления.Как сопротивление диэлектрика постоянному току, так и сопротивление пластины конденсатора измеряются при определенных температурах и частоте.

ESR действует как резистор, включенный последовательно с конденсатором. ESR конденсатора - это оценка его качества. Мы знаем, что теоретически идеальный конденсатор не имеет потерь, а также имеет нулевое значение ESR. Часто это сопротивление (ESR) вызывает сбои в конденсаторных цепях.

Влияние эквивалентного последовательного сопротивления

Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора в цепи влияет на производительность устройства.А также ESR может снизить напряжение питания конденсатора. ESR прямо противоположно сопротивлению изоляции конденсатора, которое в некоторых типах конденсаторов представлено как чистое сопротивление, подключенное параллельно конденсатору. Идеальный конденсатор имеет только свою емкость, а значение ESR очень мало (менее 0,1 Ом).

При увеличении толщины диэлектрика увеличивается ESR. Если площадь поверхности пластины увеличивается, значение ESR снижается. Чтобы рассчитать ESR конденсатора, нам потребуется нечто иное, чем стандартный измеритель конденсаторов, такой как измеритель ESR.Если конденсаторный измеритель представляет собой удобное устройство, он не обнаружит неисправности конденсатора, которые увеличивают значение ESR.

В неэлектролитическом конденсаторе или конденсаторе с твердым электролитом металлическое сопротивление выводов, электродов и потери в диэлектрике являются причиной ESR. Обычно значения ESR для керамических конденсаторов находятся в диапазоне от 0,01 до 0,1 Ом. Алюминиевые и танталовые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом имеют очень высокие значения ESR, например несколько Ом. Основная проблема с алюминиевыми электролитическими конденсаторами заключается в том, что компоненты схемы будут повреждены, если значения ESR конденсаторов, которые используются в этой цепи, увеличиваются с течением времени в процессе эксплуатации.

Обычно значения ESR для полимерных конденсаторов меньше, чем у электролитических (влажных) конденсаторов того же номинала. Таким образом, полимерные конденсаторы могут выдерживать более высокие токи пульсации. Конденсатор можно использовать в качестве фильтра, который имеет очень низкие значения ESR. Конденсаторы обладают способностью накапливать электрический заряд, даже если через них не течет зарядный ток. Конденсаторы, используемые в телевизорах, фотовспышках и конденсаторных батареях, обычно представляют собой конденсаторы электролитического типа.Согласно правилу большого пальца, нельзя прикасаться к выводам конденсаторов большой емкости после отключения источника питания.

Технические характеристики конденсаторов и их значение »Электроника Примечания

Понимание соответствующих спецификаций конденсаторов, параметров и характеристик, указанных в технических паспортах, необходимо для выбора правильного конденсатора для любой данной цепи.


Capacitor Tutorial:
Использование конденсатора Типы конденсаторов Электролитический конденсатор Керамический конденсатор Танталовый конденсатор Пленочные конденсаторы Серебряный слюдяной конденсатор Супер конденсатор Конденсатор SMD Технические характеристики и параметры Как купить конденсаторы - подсказки и подсказки Коды и маркировка конденсаторов Таблица преобразования


Спецификации и параметры или характеристики конденсатора должны быть известны и поняты, прежде чем будет сделан выбор в пользу конденсатора в данной цепи.

Электролитический конденсатор, керамический, пленочный, танталовый конденсатор и т. Д. Могут иметь значения емкости, которые можно приравнять, но некоторые из их других свойств могут различаться, что делает один тип более подходящим для конкретной схемы, чем другой.

Необходимы основные характеристики конденсатора, такие как номинал, допуск и рабочее напряжение, а также другие характеристики, включая самоиндукцию, ESR, диэлектрическое поглощение и другие. Хотя они не всегда могут быть важны в каждой цепи, необходимо знать и понимать, какие именно.

Хорошее понимание всех различных характеристик и параметров конденсаторов позволяет выбрать правильный конденсатор при выборе и покупке конденсаторов для электронных схем.

Основные характеристики конденсатора

Некоторые из основных характеристик и характеристик конденсаторов, которые необходимо учитывать при выборе и покупке конденсаторов, включают:

  • Значение емкости: Номинальная емкость, вероятно, является наиболее важной характеристикой конденсатора.Базовая единица емкости - Фарад, хотя большинство конденсаторов имеют значения значительно ниже Фарада - наиболее распространенными являются доли, указанные ниже:
    • микрофарад, мкФ, миллионная доля Фарада, 10 -6
    • наонофарад, нФ 1000-миллионная фарада, 10 -9
    • пикофарад, пФ на миллионную долю фарада, 10 -12
    Иногда конденсаторы можно маркировать двумя способами. Например, 100 нФ - это то же самое, что 0.1 мкФ. Это означает, что конденсаторы можно маркировать разными способами.

    Стоит отметить, что некоторые суперконденсаторы имеют очень высокие уровни емкости, которые фактически измеряются в фарадах.

    Номинальная емкость может также указываться на определенной частоте, поскольку емкость для некоторых типов конденсаторов, обычно электролитических, будет незначительно изменяться с частотой.

    Очевидно, что величина емкости будет определять импеданс, который она обеспечивает на разных частотах.Чем больше емкость, тем меньше сопротивление.

  • Допуск: Еще одним ключевым параметром конденсатора является допуск на его значение. В зависимости от конденсатора и его свойств он может быть очень точным или может иметь большой допуск на значение.

    Значение допуска - это степень, в которой фактическое значение емкости конденсатора может отличаться от заявленного или номинального значения, и оно часто выражается в процентах., Хотя для значений в несколько пикофарад оно может быть выражено как фактическое значение, т. Е. .е. 20 пФ ± 1 пФ и т. Д.

    Обычно допуск конденсатора выражается в виде процентного отклонения, выраженного как ± NN%. Значения ± 5% и ± 10% обычно используются для приложений связи и развязки. Для компонентов, используемых в приложениях, где требуются лучшие допуски, многие из них имеют допуски ± 1 и ± 2%, а иногда и лучше.

    Керамические конденсаторы, используемые для связи и развязки, обычно рассчитаны на значения ± 5% и ± 10%, хотя некоторые из керамических конденсаторов с более высокими характеристиками, особенно в форматах для поверхностного монтажа, доступны с лучшими керамическими диэлектриками и могут иметь допуски ± 1 и ± 2%.Конденсаторы с пластиковой пленкой традиционно имеют версии с жесткими допусками, хотя обычно они не доступны с корпусами для поверхностного монтажа.

    Электролитические конденсаторы часто имеют допуск от -20% до + 80%, поэтому они обычно не используются там, где важно точное значение.

  • Рабочее напряжение: Характеристика конденсатора рабочего напряжения определяет максимальное непрерывное напряжение, которое может быть приложено к конденсатору. Обычно это напечатано на корпусе и будет упомянуто в техническом описании.Напряжение обычно относится к самому большому напряжению постоянного тока, которое может быть приложено. Также имейте в виду, что когда конденсатор работает в цепи с формой волны переменного тока, наложенной на напряжение постоянного тока, то возникающие напряжения могут быть значительно выше значения постоянного тока в состоянии покоя.

    Для некоторых конденсаторов, используемых в приложениях переменного тока, может быть указано значение переменного тока. Имейте в виду, что это относится к среднеквадратичному напряжению, а не к пиковому значению, которое в √2 или 1,414 раза больше.

    Хотя некоторые конденсаторы могут выдерживать кратковременное пиковое напряжение, это может привести к непоправимому выходу из строя других, поэтому стоит остерегаться.В результате некоторые конденсаторы также могут иметь номинальные характеристики перенапряжения - как правило, эти конденсаторы могут использоваться для источников питания переменного тока, где возникают перенапряжения.

    Всегда рекомендуется использовать конденсаторы в пределах их номинального напряжения. Между фактическим напряжением, при котором работает конденсатор, и его номинальным рабочим напряжением существует связь. Чем больше маржа, тем выше надежность.

    Часто руководящие принципы коммерческого проектирования предусматривают, что конденсаторы не должны работать выше 50% от их номинальных значений, а руководящие принципы по проектированию высоконадежного военного оборудования следуют аналогичным рекомендациям.Работа с хорошей маржой обеспечивает высокий уровень надежности.

  • Диэлектрик: Диэлектрик - один из ключевых элементов, определяющих многие характеристики конденсатора. В результате конденсаторы часто называют их диэлектриками: электролитическими; тантал, керамика; пластиковая пленка; серебряная слюда; и тому подобное. Поскольку характеристики этих конденсаторов и доступные диапазоны емкости различаются, важно выбрать требуемый диэлектрик, внимательно изучив характеристики и общие характеристики конденсатора в техническом описании.

    Диэлектрик имеет тенденцию определять ряд аспектов работы конденсатора, и поэтому конденсаторы с разными типами диэлектрика, как правило, используются для разных приложений.

    • Алюминиевые электролитические конденсаторы: Большая емкость - обычно выше 1 мкФ, большой ток пульсаций, низкочастотная способность - обычно не используется выше 100 кГц или около того, утечка выше, чем у других типов.
    • Танталовые конденсаторы: Высокое значение в очень небольшом объеме - значения обычно выше 1 мкФ, более высокая частота, чем у алюминиевых электролитических, обычно низкое напряжение, очень нетерпимо к перенапряжению и обратному напряжению.
    • Керамические конденсаторы: Значения обычно ниже 1 мкФ, нормально работают при высокой частоте, малом токе утечки; Так как существует несколько видов керамического диэлектрика, проверьте свойства.
    Принимая во внимание различные характеристики, необходимо проверить, какой диэлектрик наиболее подходит для схемы и положение в схеме, где он будет использоваться.
  • Рабочая температура: Все конденсаторы имеют ограниченный диапазон рабочих температур, будь то керамические конденсаторы, электролитические конденсаторы, танталовые конденсаторы и т. Д.В этой спецификации подробно описаны пределы, в которых конденсатор будет работать удовлетворительно и в которых он рассчитан.

    Некоторые аспекты, ограничивающие рабочий диапазон конденсатора: напряжение - оно падает с увеличением температуры; ток пульсации - снова меньше с повышением температуры. Спецификация более низкой температуры может определяться рядом факторов. Один из них - это действие электролита в таких компонентах, как электролитические конденсаторы. Рабочая температура особенно важна для электролитических конденсаторов, поскольку их ожидаемый срок службы быстро падает с повышением температуры.

  • Температурный коэффициент: Конденсаторы, как и все компоненты, зависят от температуры. Степень относительно мала и не имеет значения в схемах, где значение не является критическим, но в других, где схема зависит от точного значения, например LC-осциллятор и т. д., температурный коэффициент может быть очень важным.

    Температурный коэффициент часто выражается как изменение в миллионных долях на градус Цельсия.

  • Сопротивление утечки / ток: Спецификация тока утечки или сопротивления утечки указывает величину тока, протекающего через конденсатор.Ток утечки возникает из-за того, что конденсаторы не являются идеальными изоляторами. Если конденсатор заряжается, а затем отсоединяется, он медленно теряет свой заряд. Также, когда он заряжен и непрерывно питается, через него будет течь ток.

    Как ток утечки, так и сопротивление утечки или изоляции указаны в технических характеристиках. Поскольку они связаны законом Ома, их легко перевести между ними. Обычно сопротивление изоляции используется там, где встречаются очень высокие значения сопротивления, а ток часто используется для больших конденсаторов и там, где есть большая утечка.Например: суперконденсаторы и алюминиевые электролитические конденсаторы обычно имеют указанные значения тока утечки, но для керамических конденсаторов или конденсаторов с пластиковой пленкой, где ток утечки незначителен, обычно указываются значения сопротивления.
    Где:
    C = ожидаемая емкость конденсатора
    R L = сопротивление утечки
    R ESR = эквивалентное последовательное сопротивление
    L ESR = эквивалентная последовательная индуктивность (самоиндукция)
    R DA = Диэлектрическое поглощение
    C DA = Диэлектрическое поглощение В эквивалентной схеме сопротивление утечки представлено сопротивлением R R L , которое появляется непосредственно на главном конденсаторе C

    Ток утечки и сопротивление могут иметь большое влияние на многие цепи.Например, в цепи высокого напряжения даже небольшой ток утечки может привести к заметному рассеиванию тепла. В других схемах ток утечки может привести к неправильной работе схемы - это может быть особенно заметно в схемах с высоким импедансом.

    Для конденсаторов, таких как алюминиевые электролитические конденсаторы, для которых указан ток утечки, эта спецификация включает напряжение и температуру. Очевидно, что из закона Ома влияет напряжение, но также увеличивается ток утечки с повышением температуры.

    Для других типов, для которых указано сопротивление утечки, оно указывается в МОм или как значение в Ом x 10 X . Сравнение характеристик утечки для разных типов конденсаторов Хотя существует несколько типов материализованных пленочных конденсаторов, полипропиленовый конденсатор из полипропилена имеет лучшие характеристики в диапазоне от 10 5 до 10 7 .

    Примечание: Очень высокое значение сопротивления утечки может означать, что если конденсатор используется в цепи высокого напряжения, то эти напряжения могут оставаться в течение некоторого времени после выключения устройства, если нет внешнего пути утечки.Будьте осторожны при работе с цепями, в которых присутствует высокое напряжение, так как остаточный заряд может присутствовать в течение некоторого времени после отключения.

  • ESR: Эквивалентное последовательное сопротивление или ESR является важной характеристикой во многих случаях. Это импеданс конденсатора по переменному току, который особенно важен на высоких частотах. Спецификация ESR включает сопротивление диэлектрического материала, сопротивление постоянному току выводов клемм, сопротивление постоянному току соединений с диэлектриком и сопротивление пластины конденсатора, измеренные на определенной частоте.
  • Собственная индуктивность: Конденсаторы - это не просто чистая емкость - они включают в себя различные другие паразитные элементы, помимо основной емкости. Самая важная особенность для высокочастотных / радиочастотных цепей - это собственная индуктивность.

    Обычно индуктивность в конденсаторах относительно мала - она ​​может быть в диапазоне 1–20 нГн, но фактическое значение будет очень зависеть от типа конденсатора и его конструкции. В результате небольшого значения индуктивности эффекты самоиндукции обычно наблюдаются только на высоких частотах.

  • Собственная резонансная частота: Собственная резонансная частота конденсатора возникает из резонансного контура, установленного между эквивалентной последовательной индуктивностью и емкостью конденсатора. Это часто указывается отдельно для конденсаторов, которые используются в ВЧ-приложениях - иногда может быть включен график отклика, поскольку может быть несколько резонансных частот.

    Кривая импеданса конденсатора, показывающая собственный резонанс На резонансной частоте Fr индуктивный и реактивный импедансы компенсируются, оставляя резистивные элементы цепи, т.е.е. СОЭ. Также помните, что выше резонансной частоты конденсатор будет казаться индуктивным. Резонансная частота обычно связана с радиочастотными цепями, и поэтому обычно могут быть указаны керамические конденсаторы.

  • Пульсации тока: Эта спецификация имеет большое значение для цепей, в которых протекают значительные уровни тока. Одно из основных приложений, где это важно, - в цепях питания, особенно в сглаживающих секциях источника питания.Необходимо определить максимальный ток пульсаций в цепи, а затем свериться с таблицей данных, чтобы убедиться, что спецификации тока пульсаций не превышены и, что еще лучше, имеется хороший запас.
    Электролитический конденсатор с выводами с маркировкой, включая максимальный ток Причина, по которой это важно, заключается в том, что высокие уровни пульсаций тока приводят к заметному уровню рассеивания тепла в конденсаторе. Если выделяемое тепло слишком велико, конденсатор может выйти из строя или его срок службы и надежность уменьшатся.

    Пульсации тока обычно связаны с электролитическими конденсаторами, поскольку они, как правило, используются в источниках питания, где наблюдаются более высокие уровни тока. Эта спецификация также применима к суперконденсаторам. Танталовые конденсаторы не любят значительного тока и могут взорваться, если от них ожидается слишком много.

Есть много параметров, которые влияют на общую производительность конденсатора. Выбор правильных конденсаторов для конкретной схемы зависит не только от фактического уровня емкости, но и от других факторов.Это будет зависеть от фактического используемого контура. Такие аспекты, как собственная индуктивность, будут очень важны для ВЧ-цепей, тогда как ток утечки может иметь значение в цепях с высоким импедансом и ток пульсаций в цепях питания.

Знание области применения и ее требований и их соответствие конденсатору с правильными характеристиками - ключ к выбору и покупке правильного конденсатора.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Типы конденсаторов и их характеристики - Analyze A Meter

Когда мы выходим на рынок для приобретения конденсаторов , мы немного запутались из-за наличия различных типов конденсаторов , различаются по своим характеристикам и имеют свои плюсы и минусы. Некоторые конденсаторы могут использоваться в высоковольтных приложениях, в то время как другие используются в приложениях с низким напряжением, некоторые имеют очень низкие скорости утечки, а некоторые - высокие скорости утечки и т. Д.Здесь мы приводим список различных типов конденсаторов , их характеристики, поведение и т. Д. Ознакомьтесь с ним.

В этой статье вы узнаете:

Типы конденсаторов

(i) Танталовый конденсатор

Материал диэлектрика: Пятиокись тантала

Тип: Поляризованный

945

30003 имеют очень высокий уровень емкости для своего объема и доступны как в выводах, так и в формате для поверхностного монтажа.
  • Номинальное напряжение танталовых конденсаторов варьируется от 2 В до более 500 В.
  • Он предпочтительнее, чем алюминиевые конденсаторы , потому что он меньше, легче и более стабилен и очень нетерпим к обратному смещению, иногда даже повреждается или взрывается, когда находится под нагрузкой.
  • Когда мы подвергаем этот конденсатор воздействию сильных пульсаций тока (сильных всплесков тока) или напряжений, превышающих рабочее напряжение, он повреждается из-за потенциально опасного режима отказа.
  • Всегда используйте эти конденсаторы в системах аналоговых сигналов, в которых отсутствуют сильные шумы, вызванные выбросами тока.
  • (ii) Керамические конденсаторы

    Материал диэлектрика: Керамика

    Тип: Неполяризованный

    Характеристики:

    • Эти конденсаторы состоят из таких материалов, как титановая кислота, барий диэлектрик и используется во многих приложениях от аудио до RF.
    • Обычно он изготавливается с очень маленькими значениями емкости, обычно от 1 нФ до 1 мкФ, хотя возможны значения до 100 мкФ.
    • Одним из самых известных конденсаторов является керамический NP0, который используется в качестве сверхстабильного или термокомпенсирующего конденсатора в крупных исследовательских лабораториях.
    • Они хорошо подходят для высокочастотных приложений, потому что они имеют низкую индуктивность и широко используются для многих приложений, таких как развязка и т. Д.
    • В этих конденсаторах используются следующие геометрические формы, такие как керамические трубчатые конденсаторы и конденсаторы барьерного слоя из-за их размера, паразитных эффектов или электрические свойства .

    (iii) Конденсатор из полистирола

    Материал диэлектрика: Полистирол

    Тип: Неполяризованный

    Характеристики:

    • Он имеет внутреннюю катушку, поэтому они не подходят для высоких -частотные приложения.
    • Обычно допускаются от 5% до 10%, но у высокоточных полистирольных конденсаторов допуск от 1% до 2%.
    • Он подходит для использования в соединительных устройствах и хранилищах, поскольку имеет высокое сопротивление изоляции.
    • Они имеют трубчатую форму и за счет добавления индуктивности ограничивают их частотную характеристику до нескольких сотен кГц.
    • Одним из его недостатков является то, что он постоянно меняет свое значение при воздействии температуры выше 70 ° C и не возвращается к своему прежнему значению при охлаждении.

    (iv) Серебро Слюда

    Диэлектрический материал: Слюда и оксиды серебра

    Тип: Неполяризованный

    Характеристики:

    • Он сделан путем нанесения тонкого слоя серебра на слюдяном диэлектрике и показывает допуск не более 1%.
    • Серебряные слюдяные конденсаторы очень стабильны во времени и имеют хороший температурный коэффициент, используемый в резонансных цепях и высокочастотных фильтрах.
    • В настоящее время он очень популярен, поскольку предлагает низкие потери, высокий уровень стабильности и точности.
    • Для мощных устройств, таких как радиопередатчики, по-прежнему незаменимы серебряные слюдяные конденсаторы.
    • Они также используются в цепях высокого напряжения из-за их хорошей изоляции.

    (v) Электролитический конденсатор

    Материал диэлектрика: Электролиты

    Тип: поляризованный

    Характеристики:

    • В нем используется электролит для достижения большей емкости, чем у конденсаторов других типов.Электролит - это жидкость или гель, содержащий высокую концентрацию ионов.
    • Он обеспечивает высокие значения емкости, обычно выше 1 мкФ, рабочее напряжение до нескольких сотен вольт постоянного тока и наиболее широко используется для низкочастотных приложений, таких как источники питания, развязка, аудиосвязь и т. Д.
    • Он действует как фильтр нижних частот и сглаживает вход и выход, если сигнал является сигналом постоянного тока.
    • Из-за мощности, рассеиваемой на паразитном внутреннем сопротивлении, называемом эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), он не будет работать с большой амплитудой и высокочастотными сигналами.
    • Он также используется в качестве фильтра в усилителях звука и снижает шумовые сигналы.

    (vi) Конденсатор полипропиленовый

    Материал диэлектрика: Полипропилен

    Тип: Неполяризованный

    Характеристики:

    • A Главной особенностью этого конденсатора является его высокое рабочее напряжение, т.е. до 3000 В и охватывает диапазон значений от 100 пФ до 10 мкФ.
    • Он также имеет высокое сопротивление изоляции, что делает его идеальным выбором для соединения, подавления шума, блокировки, обхода, соединения, фильтрации, синхронизации и обработки импульсов и приложений хранения.
    • Он имеет большие значения допуска около 1%, поэтому он довольно точно близок к своим номинальным значениям и не зависит от времени и напряжения, т.е. он очень мало изменяется при приложении времени и напряжения.
    • Они обладают стабильной емкостью на частотах ниже 100 кГц.

    (vii) Суперконденсатор

    Диэлектрический материал: Физический барьер из активированного угля

    Тип: Поляризованный

    Характеристики:

    • Суперконденсаторы используются для хранения и высвобождения энергии так же, как батареи и обычно имеют большую продолжительность жизни.
    • Он подходит для ряда случаев из-за высокого тока и большой емкости хранения.
    • Эти конденсаторы уникальной конструкции имеют очень высокую емкость в диапазоне фарад и для достижения более высоких диапазонов напряжения обычно устанавливаются последовательно с номиналом до 2,5 В.
    • Он в основном используется в качестве резервного аккумулятора памяти, т.е. он заряжается, когда система работает, а затем доставляет этот заряд в систему в случае отключения источника питания и помогает обеспечить бесперебойную работу вашей работы без каких-либо прерывание из-за перебоев в электроснабжении.
    • Для подачи энергии в условиях пикового потребления мощности он обычно используется в тандеме с дополнительным источником питания.
    • Он используется в электрических силовых передачах, системах рекуперативного торможения, накапливая рекуперированную во время торможения энергию и затем высвобождая ее для питания электродвигателя.

    Хотите узнать больше о конденсаторах, нажмите ниже:

    Конструкция и работа конденсаторов

    Символы и маркировка конденсаторов

    Надеюсь, вам всем понравилась эта статья.Для любых предложений, пожалуйста, оставьте комментарий ниже внутри поля. Мы всегда ценим ваши предложения.

    Характеристики конденсатора Развязка блока питания ударного действия

    Управление шумом, вызванное цифровыми схемами на стр. c. Сборка платы заслуживает внимания разработчиков источников питания и тех, кто решает проблемы цифровых, аналоговых и смешанных приложений, выходящие за рамки самого источника питания. Вы можете эффективно управлять внутренним шумом от цифрового переключения с помощью ряда схем.Моделирование SPICE, выполненное на модели логического элемента, оценивало способность схемы управлять шумом.

    Понимание неидеальных характеристик компонентов необходимо для эффективной развязки источника питания, особенно при уменьшении времени перехода цифрового фронта с увеличением полосы пропускания системы. Высокоскоростная цифровая коммутация подразумевает быструю передачу тока от источника питания к нагрузкам, образованным аналоговыми или цифровыми схемами.

    Переходы цифрового сигнала связаны с перемещением заряда через цифровые системы.Развязка источника питания подавляет нежелательные переходные процессы, которые в противном случае генерируются цифровыми коммутационными схемами на их соединениях с источниками постоянного тока. Это управление шумом обычно обеспечивается на уровне компонентов и системного уровня конструкции. Местные развязки должны быть основой развязки источника питания на системном уровне.

    Развязка

    Целью развязки источника питания постоянного тока является создание пути с низким импедансом между точкой в ​​системе питания, где логический элемент потребляет ток, необходимый для работы, и своим локальным контактом заземления, формируя обратный путь для тока к источнику питания.

    Электрическая модель полезна для анализа схемотехники для контроля шума и других проблем. Моделирование моделей позволяет разработчикам наблюдать эффекты модификации схемы с преимуществом быстрого выполнения экспериментов, одновременно предоставляя разработчикам понимание ожидаемого поведения работающей системы [1,2] .

    Некоторые инженеры утверждают, что моделирование неточно и затрудняет проектирование. Результаты моделирования отражают усилия по разработке точных схемных моделей для элементов моделируемой схемы.Эти модели необходимо основывать на данных, извлеченных из реальных компонентов, и измерять их с помощью соответствующих электрических инструментов и методов. Мы рекомендуем моделирование и прототипы «критических схем» для проверки новых дизайнерских идей перед их внедрением в производство.

    SPICE и сопутствующие пакеты программного обеспечения могут помочь быстро выполнить большинство симуляций. Анализ, достигнутый с помощью этих программных пакетов, является повторяемым и показывает чувствительность поведения схемы по отношению к компонентам, значениям и расположению.

    Основы развязки

    Инвертирующий вентиль, совместимый с TTL, в семействе усовершенствованной КМОП-логики, 74ACT04, является основой исследования. Вы можете создать модель SPICE на основе подробного описания этого инвертора. На следующем этапе были изучены распространенные решения по развязке с использованием моделирования моделей во временной и частотной областях, чтобы продемонстрировать их влияние на шум переключения инвертора.

    Размещение конденсатора очень близко к клеммам питания и заземления ИС принимает радиочастотную энергию, генерируемую быстрыми изменениями тока, потребляемого источником питания во время переключения, а затем направляет ее в обратный путь заземления.Это предотвращает нарушение нормального режима работы схемы канальным шумом, передаваемым по линии электропередачи. Неконтролируемый шум источника питания оказывает большое влияние на цифровую систему. Эти проблемы включают интермодуляцию и перекрестные помехи.

    Реактивное сопротивление идеального конденсатора уменьшается с частотой. Изучение паспортов двух производителей указывает на пригодность конкретного конденсатора для данной проблемы развязки. Убедитесь, что скорость, с которой конденсатор может компенсировать изменения напряжения, связанные с переключениями, соизмерима с этими переходами.

    Компоненты

    Несколько компаний производят компоненты для развязки источников питания и контроля шума. Nichicon производит алюминиевые электролитические конденсаторы для сквозных отверстий и поверхностного монтажа (SMT) емкостью от нескольких до тысяч мкФ в своей серии PL [5] . Murata производит конденсаторы для микросхем SMT, которые можно моделировать как сети с сосредоточенными элементами или с матрицами S-параметров рассеяния. Библиотека S-параметров и импеданса конденсатора микросхемы Murata, доступ к которой вы можете получить с помощью программного пакета MCSIL, вызывает модель сосредоточенных элементов, используемую в некоторых симуляциях.Вы можете загрузить это программное обеспечение с веб-сайта Мураты [6] .

    Неидеальное поведение связано с эквивалентным последовательным сопротивлением и индуктивностью конденсатора (ESR и ESL). На эти параметры в основном влияет внутренняя структура конденсатора и необходимость вывести «пластины» (физические места, где хранится заряд) к проводам, где предусмотрены соединения. Температура окружающей среды и, в меньшей степени, влажность влияют на ESL, ESR и собственную емкость, т.е.е., количество полезной способности накопления заряда.

    Конденсаторы демонстрируют резонанс в какой-то момент при проверке качающейся частоты из-за индуктивности и сопротивления. Это частота, при которой общее реактивное сопротивление конденсатора «инвертируется» и становится индуктивным по своей природе, что является ожидаемым поведением противоположного типа. Работа конденсатора за пределами его собственной резонансной частоты бесполезна при развязке источника питания.

    Керамические конденсаторы для поверхностного монтажа - это небольшие компоненты с более тонкой структурой, чем у электролитических деталей.Диэлектрик сплошной, изготовлен из разных диэлектриков и температурных характеристик. Они имеют меньшие паразитные параметры корпуса и собственные резонансные частоты от 10 до 100 МГц.

    Важно основывать правильный выбор развязывающего конденсатора на ВЧ-энергии переключения, находящейся в частотном спектре относительно собственной резонансной частоты развязывающего конденсатора. Это также относится к ферритам, которые демонстрируют подобную инверсию реактивного сопротивления. Несколько параллельно соединенных конденсаторов с разными резонансными частотами обеспечивают хорошую развязку.Это может увеличить затраты на закупку, которые могут быть значительными при учете ИС на данной плате. В очень требовательных приложениях для управления шумом в диапазонах ОВЧ и УВЧ последовательно ферритовые ферриты объединяются в-или Т-схему с подходящими конденсаторами для достижения улучшенных характеристик развязки при несколько более высокой стоимости, чем одиночный конденсатор.

    Хорошая конструкция платы включает в себя резервные схемы заземления для подключения развязывающих сетей к критически важным узлам источника питания и заземления в местах, максимально приближенных к ИС.

    SPICE Моделирование простой схемы затвора

    Мы рассмотрели несколько различных схем развязки, используя метод моделирования SPICE. Рецензенты разработали модель отдельного инвертора 74ACT04 на основе упрощенной топологии переключатель-резистор и рассчитали типовые данные на основе теории, изложенной в [7] , а также рассмотрели эталонные модели межсоединений штырей [8 ] . Мы использовали анализ временной и частотной области в идентичных форматах, чтобы наблюдать эффекты использования разных компонентов развязки на одном и том же вентиле. Таблица 1 , на странице 24, перечисляет пять симуляций.

    Схема для decup0, показанная на Рис. 1 , на странице 24, показывает модель переключателя для инвертора. Эта модель состоит из двух переключателей с регулируемым напряжением S1, S2 и резисторов R1, R2. Индуктивность выводов корпуса для питания, выхода и заземления моделируется как сосредоточенные элементы L_PWR_PIN, L_OUT_PIN и L_GND_PIN. Предполагается, что линии передачи без потерь T1 и T2 100 Ом, 100 пс без потерь представляют собой дорожки, по которым проходит постоянный ток к затвору и от него.Если эта полоса, смоделированная секциями T1 и T2, будет проходить по материалу FR-4, она будет составлять около ½ дюйма. длинная, что дает длину провода источника питания в 1 дюйм, если имеется возврат на землю. Возбуждение представляет собой импульс пик-пик 3,2 В, время перехода 4,5 нс, работающий на частоте 20 МГц, а затвор питается от 5 В постоянного тока. Эта же модель используется во всех симуляциях. Затвор нагружен емкостью 50 пФ.

    Время нарастания и спада затвора было смоделировано и составило 2,93 нс и 1,55 нс, соответственно, при моделировании decup0.Измеренные характеристики обычно составляют 4,7 нс для времени нарастания и 2,9 нс для времени спада [9] . Вы можете уточнить модель, чтобы учесть это.

    Глядя на формы сигналов во временной области, обратите внимание, что на формы сигналов локальных входных и выходных импульсов накладывается переходный процесс переключения, показанный на Рис. 2 , на стр. 26. Этот переходный процесс также проявляется на контактах источника постоянного тока и местного заземления. затвора, как показано на Рис. 3 на странице 26. Эти последние две формы сигналов имеют противоположные фазы друг другу.Также существует периодическая импульсная синусоида с периодом 400 пс (на частоте 2,5 ГГц), которая намного слабее, чем индуктивные сбои, наблюдаемые в узлах CNODE и LOCALGND в моделируемой сети. Эти импульсные синусоиды появляются в виде толстых линий на графике Рис. 3 в трех временных интервалах: 12,5 - 37 нс, а затем повторяются через 50 и 100 нс. График БПФ для артефактов на выводах питания в Рис. 4 на странице 28 ясно показывает правильный член постоянного тока при 20. log 10 (5) ≈14 дБ и 2.Ответвление на 5 ГГц, примерно на 61 дБ ниже. Эта шпора указывает на то, что провода питания и заземления периодически, хотя и слабо, резонируют.

    Большие переходные процессы 1V pk-pk на местных выводах питания и заземления связаны с зарядом, включаемым и снимаемым с емкостной нагрузки 50 пФ через паразитную индуктивность выводов корпуса IC. Если вы посмотрите на ток нагрузки I (C1) вместе с напряжением в узле LOCALGND, как показано на Рис. 5 , вы увидите, что V (LOCALGND) является масштабированной производной тока.Это связано как V = -L di / dt из-за индуктивности заземляющего провода во время броска тока от источника питания к земле через TGATE, когда он включен. При включении переключателя BGATE возникает большой отрицательный всплеск.

    Вы можете вблизи рассмотреть артефакты БПФ на выводе питания для сигналов на выводе питания постоянного тока в Рис. 6 на частоте 500 МГц. Гармоники равномерно распределены при скорости передачи данных 20 МГц. Регистрируется максимум паразитных составляющих -24,4 дБ.

    Алюминий электролитический

    Nichicon смоделировал конденсатор в соответствии с частью даташита. Рис. 7 показывает, что собственный резонанс части 220 мкФ происходит примерно на частоте 25 кГц. Компонент не будет контролировать дискретную побочную энергию с интервалами 20 МГц в частотном спектре, потому что конденсатор становится индуктивным на частотах выше 20 МГц. Вы можете увидеть дополнительные искажения на передних фронтах выходного сигнала вместе с затухающим звоном передних фронтов. Переходные процессы на выводах питания и заземления немного отличаются от таковых при имитации управления «decup0» из-за ESL для этого конденсатора.Были смоделированы шпоры до -24,7 дБ. Несмотря на то, что этот компонент имеет большую емкость, его паразитные элементы работают против него для такого режима развязки - несмотря на емкость компонента.

    SMT 0,1 мкФ Конденсатор

    Саморезонанс в этом компоненте возникает на частоте 30 МГц ( Рис. 8 ), что указывает на то, что он будет иметь некоторые полезные эффекты развязки на этой частоте. Формы сигналов на входе и выходе неискажены, а размах напряжения на местной земле и выводах питания составляет всего 25 мВ.Спектр показывает максимум паразитного шума только -62 дБ, что на 38 дБ ниже, чем максимальный паразитный шум в имитации управления.

    SMT 82 пФ Конденсатор

    В следующем моделировании использовался конденсатор SMT 0805 82 пФ. У него более высокий собственный резонанс, чем у его родственника 0,1 мкФ, который возникает на частоте чуть ниже 600 МГц, как показано на Рис. 9 на странице 37. Конденсатор имеет значительное реактивное сопротивление ниже 600 МГц и также не подавляет шум. как конденсатор 0,1 мкФ в частотном спектре.На форме волны выходного напряжения на частоте около 100 МГц наблюдается звон из-за того, что местный источник питания и заземляющие узлы нарушены этим медленным переходным процессом, как вы можете видеть на Рис. 10 . БПФ DC-500 МГц сигнала вывода питания показывает, что уровень шума намного выше. Напряжение размаха шума на выводе местного питания составляет 1,06 В pk-pk, что является наихудшим зарегистрированным шумом на данный момент, как показано на Рис. 11 . Хотя этот конденсатор не подавляет шум в этом приложении, он оказывает положительное влияние на более высоких частотах.

    Топология фильтра LC

    Схема в Рис. 12 на странице 38 показывает, как блокирующее действие феррита в LC-фильтре дополняет одиночный конденсатор. Феррит имеет собственную резонансную частоту, которая составляет примерно 400 МГц. Вы можете увидеть частотную характеристику феррита на Рис. 13 , на странице 38. Конденсатор и ферритовые компоненты работают вместе, наряду с паразитной индуктивностью вывода, что дает хороший эффект в качестве Т-фильтра. Этот фильтр имеет два полюса и коэффициент затухания -40 дБ / дек, характеристику, которую вы можете увидеть на Рис.14 за пределами частоты прерывания 20 МГц. Формы выходных сигналов демонстрируют превосходный контроль шума, как показано на Рис. 15 .

    Практические вопросы

    Поскольку разные конденсаторы обладают лучшими характеристиками контроля шума на разных частотах, разработчики часто подключают разделительные конденсаторы разного номинала параллельно.

    Модель цифрового затвора упрощена. Возможно использование более сложных топологий, основанных на данных, извлеченных из схем транзисторов на основе ИС и их паразитных элементов.Хотя использованная модель была простой, ее было достаточно, чтобы показать, как быстрое переключение внутри одного затвора в ИС, подключенной к источнику питания, вызывает шум на линиях, по которым ток идет к затвору.

    Чувствительность различных устройств к температуре и допускам компонентов требует исследования. Во многих работах исследуется устойчивость проектных решений с использованием статистических мер против таких вариаций. (Одним из примеров является ссылка [11] .) Некоторые симуляторы поддерживают метод Монте-Карло как средство исследования влияния изменений компонентов на рабочие параметры.Стоит подумать об использовании модели линии передачи с потерями для линии электропередачи и возврата, особенно при прохождении более длинных каналов по сборке платы.

    Список литературы

    1. «Spice Practical Device Modeling», R. Kielkowski, McGraw-Hill 1995.

    2. «Spice Book», Андрей Владимиреску, J. Wiley & Sons Inc, 1994.

    3. «TopSpice ® Mixed» - Справочник по симулятору схемы режима, Ред. 5.8, Penzar Development Corporation 1999.

    4. «74AC04, 74ACT04 Hex Inverter», Fairchild Semiconductor, ред. Ноябрь 1999 г.

    5. «Алюминиевые электролитические конденсаторы с очень низким импедансом и высокой надежностью серии PL», ссылка на техническое описание Nichicon CAT.8100P.

    6. «Загрузка MCSIL» находится по адресу www.iijnet.or.jp/murata/products/english/designlib/mcsil.html.

    7. «Высокоскоростной цифровой дизайн - Справочник по черной магии», Х. Джонсон и М. Грэм, Прентис Холл, 1993.

    8. «Инновации в дизайне направлены на устранение повышенного логического шума CMOS», приложение Fairchild Semiconductor. Примечание AN-690, 1999.

    9. «Описание фактов и характеристики семейства», Fairchild Semiconductor MS010158 Ред., Январь 2000 г.

    10. «Проектирование радиочастотных схем» С. Боуик, Ньюнес, отпечаток 1997 г.

    11. «Дизайн допусков электронных схем », R. Spence, R. Singh ISBN 0-201-18242-4, Addison Wesley.

    Для получения дополнительной информации об этой статье, CIRCLE 332 на сервисной карте считывателя

    Емкостно-частотные характеристики, отображаемые SimSurfing, отличаются от номинальной емкости.Что является причиной этого?

    Считается, что это связано с различием в условиях измерения.

    В частотно-емкостных характеристиках (характеристиках C-f) многослойных керамических конденсаторов, которые можно проверить с помощью инструмента поддержки проектирования SimSurfing, отображаемая емкость может быть ниже номинальной емкости. Например, номинальная емкость GRM155B30J225KE95 составляет 2,2 мкФ, но характеристики C-f, показанные на рисунке 1, указывают на меньшее значение 1,68 мкФ.Это связано с тем, что измерительное напряжение, подаваемое на конденсаторы при измерении частотных характеристик, устанавливается на более низкое значение по сравнению с условиями измерения номинальной емкости.
    Причина, по которой характеристики C-f ниже номинальной емкости, объясняется ниже вместе с предысторией.


    Рисунок 1: Емкостные характеристики (GRM155B30J225KE95)

    Характеристики конденсаторов, требуемые при снижении напряжения привода ИС

    Напряжения привода ИС продолжают снижаться, чтобы поддерживать более высокую интеграцию ИС, более высокие рабочие частоты и снижение энергопотребления.Напряжение привода ИС, которое в начале 1990-х составляло 5,0 В, было постепенно снижено до 3,3 В, 2,5 В, 1,8 В, 1,5 В, 1,2 В и теперь 1,0 В.
    Допустимые колебания напряжения также уменьшились вместе с напряжением возбуждения ИС. Например, учитывая допуск точности ± 5%, колебания напряжения ± 0,25 В от 4,75 В до 5,25 В допускаются при 5,0 В, но колебания напряжения только ± 0,05 В допускаются при 1,0 В (рисунок 2).
    В ответ на эти жесткие требования к напряжению принимаются различные меры противодействия колебаниям напряжения, такие как использование источника питания точки нагрузки (POL) или использование многослойных керамических конденсаторов в качестве сглаживающих и развязывающих конденсаторов.В этих случаях к конденсатору прикладывается переменное напряжение (пульсации или колебания) в несколько десятков мВ или менее в напряжении возбуждения ИС, что делает рабочие характеристики в этих условиях важной характеристикой конденсатора.


    Рисунок 2: Напряжения привода ИС и допустимые диапазоны (допуск точности 5%)

    Частотные характеристики и условия измерения номинальной емкости

    Как описано ранее, напряжения возбуждения ИС становятся ниже, в результате чего многослойные керамические конденсаторы все чаще используются в условиях, когда приложено напряжение в несколько десятков мВ.Это означает, что для определения характеристик конденсатора необходимы данные, измеренные при низких напряжениях сигнала. Поэтому условия измерения для данных частотных характеристик, выпущенных SimSurfing, устанавливаются таким образом, чтобы измерительное напряжение, приложенное к конденсатору, составляло несколько десятков мВ или меньше.
    Многослойные керамические конденсаторы с высокой диэлектрической постоянной имеют характеристики зависимости от напряжения переменного тока, и многие из них имеют тенденцию к уменьшению емкости вместе с напряжением переменного тока.Следовательно, данные частотных характеристик являются результатом измерения при низких напряжениях сигнала, которые дают более низкие значения по сравнению с номинальной емкостью.
    На рисунке 3 показаны характеристики напряжения переменного тока GRM155B30J225KE95. Здесь значение емкости при 10 мВ среднеквадратичного переменного тока составляет 1,66 мкФ, что приблизительно соответствует частотно-емкостным характеристикам, показанным на рисунке 1.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *