Основные параметры конденсатора: Основные параметры конденсаторов

основные параметры прибора, как работает и от чего зависит большая ёмкость

В конструкциях подавляющего количества электроприборов присутствует электролитический конденсатор. Телевизоры, радио, аудиотехника, стиральные машины, кондиционеры, компьютеры, принтеры — вот далеко не полный перечень приборов, оснащённых таким конденсатором. Достаточно широкое применение прибор нашёл не только в бытовых устройствах, используемых в повседневной жизни, но также в промышленной, военной и строительной сфере.

• Особенности конструкции
• Стадии производства
• Основные характеристики
• Разновидности конденсаторов

Особенности конструкции

Широкий спектр применения электролитических конденсаторов обусловлен их высокими функциональными свойствами и простотой конструкции. При относительно небольших размерах они обладают достаточно большой ёмкостью. Система стандартного конденсатора из алюминия состоит из:

1. Двух бумажных лент. Для их изготовления используется особая конденсаторная бумага, пропитанная составом, проводящим электрический ток.
2. Двух алюминиевых полосок. Фольга для их производства обрабатывается специальным образом.

Все полоски скручены в единый рулон. Роль активного элемента выполняют выводы, соединённые с электродами и оснащённые уплотнителем. Вся конструкция заключена в имеющий форму цилиндра алюминиевый корпус. На основе этой системы производится несколько видов моделей:

• с выводами, расположенными в одном направлении;
• с повышенной механической прочностью крепления;
• для поверхностного монтажа.

Стадии производства

Все электролитические конденсаторы большой ёмкости изготавливаются в соответствии с выверенной технологией. Производственный процесс состоит из нескольких важных этапов:

1. Травление фольги. Таким термином принято обозначать процедуру увеличения эффективной площади поверхности.
   Увеличение площади становится возможным за счёт электрохимической коррозии либо химической эрозии. Пульсирующий ток в совокупности с определённой температурой и составом электролита меняет форму, размер фольги и число микроскопических каналов на её поверхности.
2. Образование оксидного слоя. Анодная фольга, прошедшая процедуру травления, подвергается окислению, т. е. на неё воздействуют раствором солей аммония, фосфорной или борной кислотой (в случае с высоковольтными конденсаторами). В некоторых случаях на катодной фольге тоже наращивают слой оксида алюминия Al2O3.
3. Нарезка. Из бумаги и прошедшей необходимую обработку фольги вырезают полоски заданной длины и ширины.
4. Присоединение выводов. С электродами их соединяют с помощью холодной или точечной сварки.
5. Пропитывание. Производится с целью заполнения электролитом пор конденсаторной бумаги. Перед этим электролитический конденсатор под давлением освобождается от влаги. В порах должен находиться определённый объём электролита. Его избыток удаляют, поместив элементы в центрифугу. Во избежание потери электролита внутрь устройства устанавливают резиновые уплотнители.

Заключительная стадия производства представляет собой сборку всех деталей в единый прибор, покрытый защитным корпусом из алюминия и изолирующей оболочкой. Ещё одним обязательным этапом является проверка на наличие повреждений оксидного слоя и его восстановление.

Основные характеристики

Устройство конденсатора легче всего представить в виде упрощённого описания. На нём можно увидеть основные параметры электролитических конденсаторов:

1. Ёмкость. Этот показатель находится в прямой зависимости от температуры. Падение температуры (до нулевого значения и ниже) приводит к тому, что вязкость электролитного состава (как и сопротивление в микроскопических порах фольги) увеличивается, приводя к уменьшению объёма. Увеличение температуры выше 20 градусов, наоборот, ведёт к расширению деталей и общей ёмкости прибора.
   Также величина этого показателя зависит от частоты. Частота и амплитуда переменного напряжения, поданного на прибор, помогают определить его ёмкость.
2. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Его размер и взаимосвязь с другими величинами определяется по формуле ESR=(tan δ)/(2*π*f* ESС). Угол δ образуется между вектором напряжения конкретного конденсатора и вектором напряжения на идеальной ёмкости. Tan δ представляет собой частное от деления активной мощности на реактивную мощность (при синусоидальной форме напряжения).
3. Полное сопротивление (импеданс) получается в результате суммарного действия ёмкости оксидного слоя, активного сопротивления бумажного сепаратора и электролита, ёмкости пропитанного электролитом сепаратора, индуктивности обмоток и выводов конденсатора.

Еще одна важная характеристика — это показатель тока, пропущенного через диэлектрический слой оксида на положительном электроде. Если конденсатор долгое время не получал напряжения, величина тока утечки будет высокой. Это свидетельствует о разрушении слоя оксида алюминия.

Разновидности конденсаторов

Неотъемлемой составляющей прибора и залогом его эффективной работы является наличие электролита между пластинами. В зависимости от того, какой состав выполняет эту функцию, конденсаторы бывают:

• сухие;
• жидкостные;
• оксидно-металлические;
• оксидно-полупроводниковые.

Отличительная особенность оксидно-полупроводниковых устройств заключается в том, что роль катода в них выполняет полупроводник, нанесённый непосредственно на оксид алюминия. Анод может быть изготовлен как из алюминия, так и из тантала, ниобия или спечённого порошка.

Наличие катода и анода свидетельствует о том, что электролитический конденсатор относится к разряду полярных приборов. Его работа возможна при прохождении тока только в одну сторону. Для работы в электрических цепях с синусоидным током были разработаны неполярные электролиты. В ходе их производства используются дополнительные элементы, значительно увеличивающие размеры и цену готовых устройств.

Отдельной разновидностью устройства, обеспечивающего протекание электрохимических процессов, считается ионистор. Его принцип действия основывается на соприкосновении электролита с обкладкой, в результате чего образуется двойной электрический слой. Подобная конструкция позволяет использовать ионистор не только по его прямому назначению, но и как химический источник электроэнергии.

Набранная за короткое время ёмкость ионистора может сохраняться долго. При напряжении около десяти вольт ёмкость может доходить до нескольких фарад. При оптимально подобранном сочетании напряжения и температурного режима его рабочий ресурс может достичь 40 тысяч часов. Однако колебание заданных изначально характеристик спровоцирует снижение срока службы в несколько десятков раз (до 500 часов).

Область использования ионисторов широка.

Их задействуют для резервирования разных источников питания. Они успешно применяются в солнечных батареях, радиоаппаратуре для автомобилей и «умных домах».

определение, основные понятия и примеры решений

Содержание:

• Плоские конденсаторы
• Конденсатор сферического типа
• Конденсатор цилиндрического типа
• Расчёт емкостных батарей, соединений конденсаторов

Определение 1

Конденсатором называют любые два проводника, разделённые диэлектрическим слоем. Такие проводники должны обладать зарядами одинаковыми по величине, но противоположными по знаку. 

Возникающее электрическое поле будет полностью расположено внутри, между проводниками. По этой причине на электрическую ёмкость конденсатора не влияет его внешнее окружение. А на разность потенциалов между пластинами не влияет величина заряда.

Выражение для электроёмкости выглядит так:

$ C=\frac{q}{\phi_1-\phi_2} = \frac{q}{U} $

Величины $ {\phi_1-\phi_2=U}$ определяют разность потенциалов, которая также носит название «напряжение» и обозначается «U». Как следует из определения, ёмкость — положительная величина.  Её размер определяется габаритами пластин конденсатора, их взаимным расположением, типом диэлектрика. Форма пластин, конструкция конденсатора создаются таким образом, чтобы максимально снизить влияние на внутреннее поле со стороны любых внешних сил или полей. Электрическое поле конденсатора начинается на обкладке с зарядом «+» и заканчивается на обкладке со знаком «-». Ёмкость конденсаторов измеряют так же, как и ёмкость проводников, в международной системе СИ для этого используют Фарады (Ф). Один Фарад — ёмкость конденсатора, где при заряде 1 Кельвин, разность потенциалов 1 Вольт.

Существуют три основных типа конденсаторов: плоские, сферические, цилиндрические. Вычислить ёмкость можно, если найти напряжение на обкладках и определить величину заряда.  

Плоские конденсаторы

Определение 2

Плоский конденсатор — элемент состоящий из двух или нескольких плоских пластин, расположенных друг напротив друга, имеющих одинаковый по величине, но разный по знаку заряд. Чтобы не возникало воздушного разряда, пластины разделяют слоем диэлектрика.

Для вычисления ёмкости плоского конденсатора используется выражение: 

$C=\frac{\epsilon\epsilon_0 S}{d}$. 

Здесь S — площадь пластин, чем она больше, тем выше ёмкость. Величина зазора между пластинами — d. Чем меньше d, тем больше ёмкость. Диэлектрическая проницаемость — ε. Она также оказывает значительное влияние на величину ёмкости.

Пример 1

Возьмём конденсатор состоящий из двух пластин, между которыми воздух, и определим его ёмкость. Затем поместим между пластинами диэлектрик, параметр ε которого выше, чем у воздуха. Измерения показывают, что ёмкость конденсатора увеличивается существенно, прямо пропорционально повышению диэлектрической проницаемости.

Чаще всего, при создании плоских конденсаторов делают не две пластины, а «пакет» обкладок в несколько слоёв. Электрическая ёмкость такого элемента, имеющего n слоёв, вычисляется с учётом толщины каждого i-го слоя $d_i$, а также диэлектрической проницаемости каждого слоя $ε_i$.

Конденсатор сферического типа

Определение 3

Сферический конденсатор отличается формой обкладок, у него они представляют собой сферы. И внешняя, и внутренняя — обе оболочки выполнены в виде сфер.

В отличии от плоского конденсатора, в сферическом площадь поверхности разнозаряженных пластин отличается. И формула для вычисления ёмкости элемента изменится: 

$ C = 4\pi\epsilon\epsilon_0\frac{R_1 R_2}{R_2-R_1} $, 

где $ R_1 $ и $ R_2 $ являются радиусами обкладок. 

Конденсатор цилиндрического типа

Отдельная формула используется для вычисления параметров конденсатора цилиндрической формы:

$ C = 2\pi\epsilon\epsilon_0 \frac{l}{ln{\frac{R_2}{R_1}}} $.

В уравнении использованы следующие параметры: l — высота, $R_1 и R_2$ – радиусы пластин. Конденсатор цилиндрического вида выполнен в виде вложенных друг в друга соосных цилиндрических пластин. Они выполнены из проводящего материала, а между ними находится диэлектрик.

Определение 4

Параметр, характеризующий конденсаторы — пробивное напряжение. 4 \frac{В}{м}$

Методы маркировки основных параметров конденсатора, прямая маркировка, цифровая маркировка, цветовая маркировка

Существует три способа маркировки основных параметров конденсатора: прямая маркировка , цифровая маркировка и цветовая маркировка.

1. Прямая маркировка

Электролитический конденсатор или неполярный конденсатор большого объема: номинальная емкость, номинальное напряжение и допуск по емкости.

Неполярный конденсатор малого объема: номинальная емкость, номинальное напряжение и допуск по емкости.

Единица измерения емкости: мкФ, нФ, пФ

Например: 1p2 означает 1,2 пФ

1n означает 1000 пФ

10n означает 0,01 мкФ

2u2 означает 2,2 мкФ

Простой метод (не примечание единицы измерения емкости): 9999≥значащее число≥1, единица измерения емкости — пФ, значащее число <1, единица измерения емкости — мкФ.

Например: 1,2,10,100,1000,3300,6800… единица емкости равна пФ

0,1,0,22,0,47,0,022/0,047…единица измерения емкости мкФ

Допустимое отклонение емкости:

Обычные конденсаторы: ± 5% (Ⅰ, J), ± 10% (Ⅱ, K), ± 20% (Ⅲ, M)

Прецизионные конденсаторы: ±2%(G), ±1%(F), ±0,5%(D), ±0,25%(C), ±0,1%(B), ±0,05%(W)

Номинальное напряжение : 6,3 В, 10 В, 16 В, 25 В, 32 В, 50 В, 63 В, 100 В, 160 В, 250 В, 400 В, 450 В, 50 0В, 630В, 1000В, 1200В, 1500В, 1600В, 1800В, 2000В…

2. Цифровая метка

Каллиграфия цифровой метки, как правило, представляет собой трехмерное цифровое изображение емкости конденсатора с единицей измерения в пФ. Первые две цифры — значащие цифры конденсатора, третья цифра — множитель, но когда третий множитель равен 9 , это означает x10 ^-1 .

Например: 101 означает 10X10 ¹ = 100 пФ.

102 означает 10X10 ² = 1000 пФ

103 означает 10X10 ³ = 0,01 мкФ

104 означает 10X10 ⁴ = 0,1 мкФ

223 означает 22X10 ³ = 0,22 мкФ

474 означает 47X10 ⁴ = 0,47 мкФ

159 означает 15X10 ^-1 = 1,5 пФ

3.Цветной знак

Отметьте конденсатор цветным кольцом или цветной точкой, чтобы указать емкость и допуск емкости.

Метод маркировки четырехцветным кольцом: первое и второе кольцо представляют эффективное значение, третье кольцо представляет собой множитель, а четвертое кольцо представляет собой допуск (обычный конденсатор).

Метод пятицветной маркировки колец: первое, второе и третье кольца представляют эффективное значение, четвертое кольцо представляет собой множитель, а пятое кольцо представляет допуск (прецизионный конденсатор).

Например: коричневый, черный, оранжевый, золотой означают, что емкость конденсатора составляет 0,01 мкФ, а допуск составляет ± 5%.

коричневый, черный, черный, красный, коричневый означают, что емкость конденсатора составляет 0,01 мкФ, а допуск составляет ± 1%.

Значение цветных колец (Примечание: содержимое четырех колец указано в скобках)

Цвет кольца	Первая цифра	Вторая цифра	Третья цифра (множитель)	Множитель (Толерантность)	Толерантность
коричневый	1	1	1(10 1 )	10 1	±1%
красный	2	2	2(10 2 )	10 2	±2%
апельсин	3	3	3(10 3 )	10 3	—
желтый	4	4	4(10 4 )	10 4	—
зеленый	5	5	5(10 5 )	10 5	±0,5%
синий	6	6	6(10 6 )	10 6	±0,25%
фиолетовый	7	7	7(10 7 )	10 7	±0,1%
серый	8	8	8(10 8 )	10 8	—
белый	9	9	9(10 9 )	10 9	(-20%~+50%)
черный	0	0	0(10 0 )	10 0	—
золото	—	—	(10 -1 )	(±5%)	—
серебристый	—	—	(10 -2 )	(±10%)	—
бесцветный	—	—	—	(±20%)	—

MLCC класса II – более подробная классификация или более конкретные параметры по умолчанию?

Полный документ pdf скачать

Некоторые «стандартные» параметры, предоставленные производителями, не относятся к MLCC класса II . Для этих устройств разработчик должен выполнить дополнительные расчеты и испытания, чтобы выбрать и проверить MLCC класса II для приложения с заданными требованиями. Изменение основного параметра (емкости) из-за условий использования настолько велико, что он ведет себя скорее как преобразователь, чем как конденсатор. В некоторых нормальных условиях использования значение емкости падает даже ниже 30 % от ее номинального значения. Может ли быть так, что наименьшее и наибольшее значение емкости (в пределах номинальных условий использования) являются более важными параметрами?

Не пора ли сменить парадигму?

Доклад был представлен Иосифом Борча, Vitesco Technologies, Сибиу, Румыния, на конференции 3 ^rd  PCNS 7-10 ^th , сентябрь 2021 г., Милан, Италия, под номером 3.4.

ОГРАНИЧЕНИЯ И ПРИМЕНИМОСТЬ

Автор данного материала не претендует на то, что информация, изложенная в данном материале, является исключительно достоверной, а также на то, что ее можно или нужно обобщать.
Целью этого материала является представление аспектов получения точного значение для наихудшего случая MLCC класса II и предложить подход, который принесет улучшения.

В данном материале не рассматриваются аспекты, связанные с использованием MLCC класса II на высоких частотах. Некоторые аспекты, связанные с MLCC класса II (например, эффект смещения постоянного тока), выражены разными авторами с использованием разных терминов. Во избежание путаницы, пожалуйста, ознакомьтесь с пояснениями к сокращениям и терминам (после пункта 5 – Выводы), используемым в данном материале. В данном материале эти сокращения и термины выделены курсивом.

ВВЕДЕНИЕ Таблица 1: Кодовая система керамических конденсаторов класса II по стандарту EIA RS-198 для некоторых температурных диапазонов и собственного изменения емкости [2] конденсаторы [1]. Причиной этого является высокая объемная плотность емкости, диапазон рабочих температур и низкое ESR. MLCC класса II используются в основном там, где нет необходимости в стабильном значении емкости или высокой добротности.
В начале производства из-за более толстых керамических слоев (> 4 мкм) и меньшего электрического поля, приложенного к диэлектрику, преобладающее изменение емкости ( MLCC класса II ) было связано с температурой. Это отражено в наиболее часто используемых кодовых системах, в которых основное внимание при классификации уделяется изменению (емкости) и удобству использования (конденсаторов) в зависимости от температуры, как это показано в EIA RS-198, показанном в таблице 1.

снижение номинальных характеристик из-за смещения постоянного тока не рассматривался и не публиковался.

Стандартные параметры, относящиеся к наихудшему значению, которые обычно приводятся для MLCC класса II в листе технических характеристик, следующие: 022 ( значения емкости)

Значение для наихудшего случая MLCC класса II в основном оценивали на основе исходного допуска, изменений в зависимости от температуры и старения .

Со временем было получено больше знаний о различных материалах и рецептах, технологии позволили получить более мелкие детали, более высокую точность и лучший контроль производства. Это привело к большей номинальной емкости или более высоким значениям номинального напряжения для MLCC того же размера . Растущий спрос на MLCC класса II , а также ценовое давление заставили многих производителей задуматься об уменьшении размеров конденсаторов. Такой подход весьма заманчив, поскольку при том же количестве материалов (имеющих более высокую диэлектрическую проницаемость) и том же процессе значительно большее значение номинальной емкости MLCC могут быть изготовлены (при том же номинальном напряжении). На PCNS 2019 все присутствующие поставщики MLCC согласились с тем, что уменьшенные MLCC класса II имеют повышенное снижение номинальных характеристик из-за смещения постоянного тока.

Рис. 1: Зависимость потерь смещения емкости по постоянному току от размера корпуса [3]

Хотя это и не совсем стандартизированное поведение, снижение номинальных характеристик из-за смещения по постоянному току стало большим фактором глобального изменения значения емкости.

Факт снижение номинальных характеристик из-за смещения постоянного тока может сильно различаться даже для MLCC , имеющих одинаковую температурную характеристику, и от одного и того же производителя MLCC , что затрудняет стандартизацию этого параметра. Форма кривых даже не похожа. График может иметь преобладающую вогнутую или выпуклую форму. Величина снижения номинальных характеристик также может значительно различаться.

Как будто этого дополнительного фактора, влияющего на изменение, было недостаточно, эффект, вызванный самим смещением постоянного тока, значительно меняется во времени. Снижение номинальных значений смещения постоянного тока измеряется через 1 минуту после подачи напряжения на MLCC , но это не означает, что через 1 минуту снижение номинальных значений останется постоянным во времени. На самом деле, значение снижения номинала в 1 минуту может быть на довольно крутом участке характеристики. Обычно данные об этом изменении во времени смещения постоянного тока ( Старение смещения постоянного тока ) отсутствуют в листах спецификаций, хотя это реальный « наихудший случай » для эффекта смещения постоянного тока.

Рисунок 2: Старение емкости при смещении постоянного тока [4]

Для определения значения для наихудшего случая для MLCC класса II необходимо знать старение смещения постоянного тока . Один из вариантов — попросить производителя предоставить его.

ОПЦИИ

Поскольку характеристика снижения емкости из-за смещения постоянного тока (и ее изменение во времени) зависит от рецепта, используемых материалов и знания технологии, измерения должны выполняться для каждый MLCC для каждого уровня напряжения и температуры. Для этого необходимо оборудование, время и количество персонала (особенно для старения смещения постоянного тока , где интервал измерения на одном уровне напряжения при комнатной температуре составляет около 24 часов). Чтобы иметь статистическую значимость, необходимо измерять значительное количество деталей из каждой произведенной партии. Это сложная задача для производителей и рост рыночной цены.

Некоторые производители работают над созданием средств моделирования, которые упростили бы процесс предоставления таких характеристик.

Можно было бы включить в листы спецификаций пределы значения емкости (наименьшее и наибольшее значение емкости). В случае MLCC типа X7R на 25 В эти параметры будут наименьшим и наибольшим значением емкости для всех температур от -55 до +125 °C в сочетании со всеми уровнями смещения постоянного тока от 0 до 25 В и в сочетании со всем интервал времени между пайкой и 1000 часов после пайки (если не учитывать влияние уровня смещения переменного тока). Этот тип подхода указан в IEC/EN 60384-9.. Наличие этих ограничений обеспечивает более безопасную конструкцию и упрощает выбор конденсаторов. Хотя это подразумевает большие усилия по характеристике, оно не предоставляет значение для наихудшего случая (для каждого конкретного условия), а только экстремальные значения. В разных (а иногда и в одних и тех же) приложениях один и тот же код производителя MLCC может использоваться в совершенно разных условиях (при разных максимальных уровнях напряжения, при разных максимальных температурах и т. д.). Если во всех ситуациях (для наихудшее значение ) будет использоваться наименьшее значение емкости (для всего диапазона температуры и напряжения), в большинстве случаев запас значения емкости будет преувеличен, что приведет к более высоким ценам и большим размерам .

ПРЕДЛОЖЕНИЕ

Предложение автора состоит в том, чтобы включить в листы спецификаций в качестве стандартной характеристики поведение при старении смещения постоянного тока (пункт 4 в таблице 2).

Таблица 2: Предлагаемые (в зависимости от наихудшего случая) параметры, которые должны быть стандартными параметрами для всех MLCC класса II (авторская разработка)

ВЫВОДЫ

Получение значения для наихудшего случая для MLCC класса II — непростая задача. Некоторые из представленных характеристик ( Снижение номинальных значений смещения постоянного тока , смещение постоянного тока через 24 часа для уровня напряжения, смещение переменного тока, графическая температурная характеристика) являются типичными, необязательными и необоснованными. В этой статье предлагается подход, позволяющий производителям предоставлять более убедительные данные.

Взаимозависимости этих параметров сложны, и их трудно предсказать с хорошей точностью. Поэтому некоторые производители не рекомендуют формулу или метод расчета остаточной емкости, а измеряют ее для каждого конкретного случая. Другие производители рекомендуют использовать накопительный метод.

Использование характеристики старения смещения постоянного тока (а не номинального значения емкости) в качестве эталона при оценке значения для наихудшего случая обеспечивает более точные результаты.
Если рынок не применяет предложенный подход, существует риск перепроектирования или неправильной работы.

СОКРАЩЕНИЯ И ТЕРМИНЫ

Все сокращения и термины, описанные в этой главе, выделены в этом документе курсивом.

Старение – Деградация (за декаду часов значения емкости), начинающаяся через 1000 часов после последнего (несмещенного) нагревания (выше точки Кюри). Не то же самое значение в случае старения смещения постоянного тока, где «старение» (уменьшение) значения емкости из-за смещения постоянного тока происходит в более коротком интервале (~ 24 часа при 25°C), как это видно на рис. Рисунок 3, и частично обратим при удалении или уменьшении смещения постоянного тока

Класс II MLCC – если в этом материале не указано иное, это относится к классу II, как определено в EIA RS-198

Старение при смещении постоянного тока значение емкости) из-за смещения постоянного тока (постоянный ток), приложенного при комнатной температуре и измеренного через 24 часа

Снижение номинальных характеристик смещения постоянного тока (или снижение номинальных характеристик из-за смещения постоянного тока) – если в этом материале не указано иное, означает влияние (на значение емкости) смещения постоянного тока (постоянного тока), применяемого при комнатной температуре и измеренного через 1 минуту.