Планарные конденсаторы: ключевые особенности и применение во встроенных компонентах — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое планарные конденсаторы. Как они устроены. Какие преимущества дает их использование. Где применяются планарные конденсаторы во встроенных компонентах. Какие материалы используются для их изготовления.

Содержание

Что представляют собой планарные конденсаторы

Планарные конденсаторы — это тип конденсаторов, которые формируются непосредственно в структуре печатной платы. Они состоят из двух близко расположенных проводящих слоев (обкладок), разделенных тонким диэлектриком. Планарная конструкция позволяет создавать конденсаторы с очень малой толщиной.

Основные особенности планарных конденсаторов:

Интегрированы в структуру многослойной печатной платы
Имеют очень малую толщину (микроны)
Обладают низкой индуктивностью
Позволяют получить большую емкость на единицу площади
Могут заменять дискретные конденсаторы для развязки питания

Принцип работы и конструкция планарных конденсаторов

Планарный конденсатор формируется двумя параллельными проводящими слоями в структуре печатной платы, между которыми находится тонкий слой диэлектрика. Емкость такого конденсатора определяется площадью перекрытия проводящих слоев, толщиной и свойствами диэлектрика.

Чем меньше толщина диэлектрика и больше его диэлектрическая проницаемость, тем выше удельная емкость конденсатора. Поэтому для планарных конденсаторов стремятся использовать максимально тонкие диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью.

Преимущества использования планарных конденсаторов

Интеграция планарных конденсаторов в структуру печатной платы дает ряд важных преимуществ:

Уменьшение габаритов устройства за счет отказа от дискретных компонентов
Снижение паразитной индуктивности цепей питания
Улучшение характеристик развязки питания на высоких частотах
Повышение надежности за счет исключения паяных соединений
Снижение себестоимости производства при массовом выпуске

Какие еще преимущества дает применение планарных конденсаторов? Они позволяют создавать более компактные и надежные электронные устройства с улучшенными высокочастотными характеристиками.

Области применения планарных конденсаторов

Планарные конденсаторы находят широкое применение в различных областях электроники:

Развязка цепей питания в высокочастотных устройствах
Фильтрация помех в источниках питания
Согласование импедансов в ВЧ и СВЧ схемах
Накопление энергии в импульсных схемах
Создание распределенных LC-фильтров
Компенсация паразитных емкостей печатных проводников

Особенно эффективно применение планарных конденсаторов в высокочастотных и сверхвысокочастотных устройствах, где критически важны малые паразитные параметры компонентов.

Материалы для изготовления планарных конденсаторов

Для создания планарных конденсаторов используются различные диэлектрические материалы:

Полиимидные пленки
Керамические материалы (BaTiO3)
Композитные полимеры с керамическим наполнителем
Оксиды и нитриды металлов
Специальные полимерные диэлектрики

Выбор конкретного материала зависит от требуемых характеристик конденсатора — емкости, рабочего напряжения, частотного диапазона, температурной стабильности и других параметров.

Особенности расчета планарных конденсаторов

При проектировании планарных конденсаторов необходимо учитывать ряд факторов:

Емкость пропорциональна площади перекрытия обкладок
Емкость обратно пропорциональна толщине диэлектрика
Необходимо учитывать диэлектрическую проницаемость материала
Важно оценивать паразитные параметры (ESR, ESL)

Следует учитывать температурные характеристики материалов

Какие еще особенности нужно учитывать при расчете планарных конденсаторов? Важно оценивать частотные свойства, максимальное рабочее напряжение, токи утечки и другие параметры, влияющие на работу устройства.

Технологии изготовления планарных конденсаторов

Существует несколько основных технологий создания планарных конденсаторов в структуре печатных плат:

Встраивание тонких диэлектрических слоев при прессовании многослойных плат
Нанесение диэлектрических паст методом трафаретной печати
Осаждение тонких диэлектрических пленок вакуумными методами
Формирование диэлектрического слоя анодированием металлической фольги
Использование специальных препрегов с высокой диэлектрической проницаемостью

Выбор конкретной технологии зависит от требуемых параметров конденсаторов и возможностей производства.

Ограничения и недостатки планарных конденсаторов

Несмотря на преимущества, у планарных конденсаторов есть и некоторые ограничения:

Сложность точного контроля емкости при производстве
Ограниченный диапазон доступных емкостей
Зависимость характеристик от свойств материалов платы
Сложность замены или ремонта при выходе из строя
Более высокая стоимость при малых объемах производства

Какие еще недостатки могут быть у планарных конденсаторов? Они более чувствительны к технологическим отклонениям при производстве и могут иметь больший разброс параметров по сравнению с дискретными компонентами.

Встроенные компоненты, часть 2 — Публикации А-Контракт

Распределенные (планарные) конденсаторы

Считается, что самое простое и наиболее распространенное решение – это заменить дискретные развязывающие конденсаторы поставки питания на плоские конденсаторы, использующие близко расположенные панели питания и заземления, разделенные тонким диэлектрическим слоем. Диэлектрик может быть слоем усиленным стеклом эпоксидного материала, тонким слоем не усиленного полимера или полимерным листовым материалом, заполненным керамическим порошком. Этот метод обеспечит достаточную емкость и низкую индуктивность. Диапазон емкости для плоских конденсаторов 1pF до 1mF, в зависимости от диэлектрической постоянной, толщины материала и площади.

Так как планарная емкость пропорциональна толщине диэлектрика между панелями питания и заземления, тонкие диэлектрики предпочтительнее. Это увеличиваем планарную емкость, одновременно снижая планарную распространенную индуктивность и сводит к минимуму толщину платы. Снижение планарной индуктивности также дает в результате уменьшение дорожки импеданса, при этом увеличивая эффективность дискретных емкостей. Общая емкость пары питания/заземления определяется эффективной общей площадью (площадью перекрытия) медных электродов. Эта площадь, умноженная на плотность емкости, представляет собой общую емкость.

Для моделирования планарной емкости рекомендуется следующая формула 1.

Например, если эффективная площадь электродов конденсатора составляет 1000 см2, а плотность емкости 700pF/cм2, то общая эффективная емкость будет 0.7μF. Если в разработке есть дополнительная пара панелей, то общая емкость может быть 1.4μF. Аналогичная логика используется для определения размера дискретных фильтрующих конденсаторов, построенных внутри распределительной панели.

Полиимидные (PI) пленочные конденсаторы

Значение PI распределительных планарных конденсаторов рассчитывается из PI площади и толщины. Полиимидные пленочные конденсаторы обычно используются чтобы снизить импеданс (из-за низкой индуктивности) части печатной платы в распределительной сети и удалить большинство, если не все, развязывающие конденсаторы со значением 0.1 μF или ниже.

Например, OAK-MITSUI представляет следующую формулу для оценки емкости распределительных планарных конденсаторов при использовании их PI пленочного диэлектрика:

Материал толщиной 12 μm имеет 140pF/cm2
Материал толщиной 16 μm имеет 230pF/cm2
Материал толщиной 24 μm имеет 310pF/cm2

Депозитные диэлектрические конденсаторы

Диэлектрические материалы поставляются в форме пасты, жидкости, порошка или предварительно осажденного паром листового материала. Эти материалы могут применяться внутри структуры слоя печатной платы, используя трафаретную печать, напыление или покрытие. Диэлектрик конденсатора требует двух проводящих панелей с использованием медной фольги ПП или другого проводящего материала, который применяется поверх диэлектрического элемента путем трафаретной печати или аддитивного покрытия. Например, метод трафаретной печати широко используется для нанесения полимерной толстой пленки (PTF) и наполненного керамикой полимерного диэлектрика (CFP) на протравленную медь, после чего печатается проводящий материал (наполненный серебром полимер) на диэлектрик для формирования второго окончания. Диапазон емкости для составов PTF и CFP составляет от 1pF до примерно 10pF.

Керамический толстопленочный диэлектрик

Множество разработок конденсаторов могут быть выполнены с использованием толстопленочной керамической (CTF) пасты на медной фольге. Диэлектрический материал наносится на тонкую предварительно подготовленную медную фольгу. Керамическая паста содержит порошок сегнетоэлектрик Ba/TiO (барий-титанат) и стеклянный порошок для упрощения трафаретной печати. Производитель утверждает, что одно-унцевая медная фольга предпочтительнее для обработки и для стабильности фольги во время процесса обжига. При подготовке к нанесению керамического покрытия предварительно печатается очень тонкий слой смеси меди и стеклянной пасты на медный листовой материал. Препринт действует как адгезивный усилитель для диэлектрического слоя. Препринт может быть применен на элемент, который немного больше, чем соответствующий диэлектрический слой или он может покрывать всю медную фольгу. Обжиг керамического материала завершается в азотной печи при приблизительно 900⁰С. Керамический диэлектрик может полностью покрывать медную фольгу, или его можно удалить, чтобы покрыть только выбранные зоны. Диапазон значения для CTF покрытой фольги составляет от 1pF до примерно 10nF, в зависимости от диэлектрической постоянной, толщины материала и площади.

Наполненные керамикой фото-диэлектрики

CFP материалы дали возможность создать структуру конденсаторов рядом с внешними слоями печатной платы. CFP встроенные конденсаторы, разработанные в Motorola Labs и Vantico AG, также основаны на барий-титановом составе с диэлектрической постоянной приблизительно 20, что ограничивает плотность емкости до нескольких nF/in2. Целью разработки было создание материала, который обеспечит плотность емкости от 10 до 30 F/mm2 и будет совместим со стандартными процессами производства печатных плат. (Замечание: Руководства по разработкам конденсаторов для печати и диэлектрической фольги есть в материалах производителей).

Сформированные индуктивные элементы

Сформированные индукторы представляют собой в основном петли тока, сконфигурированные для индукции магнитного поля для хранения и управления индуктивной энергией. Наиболее часто создаваемая в структуре платы конфигурация индуктора определяется как «спиральный индуктор». Итоговая индуктивность спирали определяется длиной проводника в спирали и количеством оборотов. Пространство между оборотами тоже критично, потому что пространство контролирует резонансную частоту индуктора. Более широкие промежутки обычно снижают емкость и повышают индуктивную частоту. Планарные спиральные индукторы в ПП могут использоваться как антенны или компоненты для формирования высокочастотных согласованных фильтров в системе RFID. Размеры индукторов зависят от нескольких параметров:

Ширина линии
Промежуток
Геометрия

Простые индукторные элементы могут быть интегрированы в электрическую дорожку печатной платы на единственной поверхности ПП, но более сложные индукторные устройства могут потребовать штабелированной конфигурации внутри многослойной платы. Например, однослойные медные спирали могут достигать только около 10nH, однако, многослойные спирали могут быть такой конфигурации до 30 nH.

Кроме того, использование ферромагнитного материала либо в качестве сердечника внутри петли, либо расположенного внизу или сэндвич спирали в многослойной печатной плате, может вероятно расширить значение индуктора до 100nH.

Сопротивление и индукция встроенного спирального индуктора может быть рассчитана с помощью руководства, приведенного в IPC-2316. Также в продаже есть много программных продуктов для разработки спиральных индукторов.

В качестве альтернативы формированию деталей компонентов многие компании размещают дискретные пассивные компоненты внутри слоев подложки. В следующих выпусках статьи («Встроенные компоненты, часть 3») я остановлюсь на выборе совместимых компонентов для встраивания, критериях площадок и методах прикрепления.

Верн Солберг (Vern Solberg) – независимый технический консультант, специализирующийся на поверхностном монтаже и разработке микроэлектроники, а также на производственных технологиях.

Источник: PCB Design Июнь 2017

Конденсаторы для «чайников» / Хабр

Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.

Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.

Начнём с простого

Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.

Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт. Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости ε_r использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.

Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора

С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.

Алюминиевые электролитические

Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.

На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.

У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.

Танталовые электролитические

Танталовый конденсатор поверхностного размещения

Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.

Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.

В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за тем, чтобы они не вышли из строя — бывает, что в таком случае они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.

Полимерные плёнки

Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ. У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.

Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.

Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.

Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.

Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.

В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.

Керамика

История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.

Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства. Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.

C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.

X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.

Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.

Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.

Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.

Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.

КОНДЕНСАТОРЫ

Здесь мы рассмотрим теоретические основы работы и историю изобретения конденсатора. Как известно, конденсатор — своеобразный двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

История создания. В 1745 году был создан первый конденсатор — «лейденская банка». Она представляла собой закупоренную наполненную водой стеклянную банку, оклеенную внутри и снаружи фольгой. Сквозь крышку в банку был воткнут металлический стержень. Лейденская банка позволяла накапливать и хранить сравнительно большие заряды, порядка микрокулона. Изобретение лейденской банки стимулировало изучение электричества, в частности скорости его распространения и электропроводящих свойств некоторых материалов. Выяснилось, что металлы и вода — лучшие проводники электричества. Благодаря Лейденской банке удалось впервые искусственным путем получить электрическую искру.

Однако при раскопках был найден глиняный сосуд неизвестного назначения, внутри которого стоял медный пустотелый цилиндр с железным стержнем, укрепленным по центру асфальтовой пробкой. Вскоре американский химический журнал опубликовал гипотезу о назначении загадочного сосуда. Авторы гипотезы, указывая, что на дне сосуда найдены остатки оливкового масла, считают, что он служил конденсатором, причем цилиндр и стержень были обкладками, а масло, налитое в сосуд,— диэлектриком. Конденсатор заряжали, многократно перенося заряд на стержень с какого-либо диэлектрика, натертого о шерсть или мех. Затем можно было получить от банки сильный разряд. Не здесь ли, пишет журнал, следует искать исток легенды о волшебной лампе Аладина? Помните, чтобы вызвать джинна, следовало применить странный способ — как следует потереть лампу. В сказках разных народов мира встречается множество волшебных предметов, но ни один из них не требует такого обращения.

Все становится понятным, если считать, что джинн — это поражавший воображение зрителей электрический разряд и что в сказке с некоторыми поэтическими вольностями описан способ зарядки лейденской банки. На вопрос, для чего могли служить такие конденсаторы, можно ответить: для зажигания священного огня в храме, для эффектной демонстрации перед верующими непонятной и невидимой силы, заключенной в волшебном сосуде. Не исключено и применение электрического разряда в более полезных целях. Еще древние римляне лечили радикулит »и некоторые другие заболевания, сажая больного на электрического ската. Но, насколько известно, никаких опытов, подтверждающих работоспособность такого конденсатора, проведено не было.

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.
— Конденсаторы используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..
— При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах с оптической накачкой.
— Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.
— В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.
— Как датчики малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора.
— Конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит.

На принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 1000000 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т.е. постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 – 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, т.е. на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость. 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 (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею, или C = C1 + C2 + … + Cn. Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади. При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы.

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения. Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя. 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.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком 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.

Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения. Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе. При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа, и давление спадает без взрыва и осколков.

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда. Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с тефлоновым диэлектриком. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием химических реакций между электролитом и обкладками.

По виду диэлектрика различают такие типы конденсаторов:
— Конденсаторы вакуумные — обкладки без диэлектрика находятся в вакууме.
— Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
— Конденсаторы с жидким диэлектриком.
— Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные, 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 своей огромной 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.

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 распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:
— Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости.
— Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением — варикапы. Применяются для перестройки частоты резонансного контура.
— Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

Процесс заряда конденсатора. При замыкании ключа 1 пластины конденсатора окажутся подключенными к батарее и на них появятся противоположные по знаку электрические заряды («+» и «—»). Произойдет заряд конденсатора и между его пластинами возникнет электрическое поле. При заряде конденсатора свободные электроны правой пластины переместятся по проводнику в направлении положительного полюса батареи и на этой пластине останется недостаточное количество электронов, в результате чего она приобретет, положительный заряд. Свободные электроны с отрицательного полюса батареи переместятся на левую пластину конденсатора и на ней появится избыток электронов — отрицательный заряд. Таким образом, в проводах, соединяющих пластины конденсатора с батареей, будет протекать электрический ток. Если между конденсатором и батареей не включено большое сопротивление, то время заряда конденсатора очень мало и ток в проводах протекает кратковременно. При заряде конденсатора энергия, сообщаемая батареей, переходит в энергию электрического поля, возникающего между пластинами конденсатора.

Процесс разряда конденсатора При замыкании ключа 2, пластины заряженного конденсатора окажутся соединенными между собой. При этом произойдет разряд конденсатора и исчезнет электрическое поле между его пластинами. При разряде конденсатора избыточные электроны с левой пластины переместятся по проводам к правой пластине, где их недостает; когда количество электронов на пластинах конденсатора станет одинаковым, процесс разряда закончится и ток в проводах исчезнет. Энергия электрического поля конденсатора при его разряде расходуется на работу, связанную с перемещением зарядов,— на создание электрического тока.
Время разряда конденсатора через провода, обладающие малым сопротивлением, также весьма мало. Конденсаторы большей ёмкости способны накопить столько энергии, что хватит на питание светодиода в течении нескольких минут.

Форум по конденсаторам

Форум по обсуждению материала КОНДЕНСАТОРЫ

08055C104KAT2A — Kyocera Avx — Многослойный керамический конденсатор, 0.1 мкФ, 50 В

Многослойные керамические конденсаторы AVX с EIA класса II и материалом диэлектрика X7R, являются термостабильными, керамическими, бескорпусными конденсаторами. Данный многослойный керамический конденсатор представляет собой монолитный блок из керамического материала с двумя планарными электродами на противоположных торцах керамического диэлектрика. Конденсаторы с диэлектриком X7R изменяются под воздействием электрических рабочих условий, таких как напряжение и частота. Конденсаторы с диэлектриком X7R охватывают широкий спектр промышленных применений, где изменения в емкости из-за приложенных напряжений являются приемлемыми.

Диапазон емкости от 100пФ до 100мкФ
Доступные размеры корпусов: EIA 0101, 0201, 0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 1812, 1825, 2220, 2225
Номинальное DC напряжение 4В, 6.3В, 10В, 16В, 25В, 50В, 100В, 200В, 500В
Допуск: ±5%, ±10% и ±20%
Доступны с FLEXITERM
золотыми
никелевыми (Ni) и лужеными (Sn) контактами
Срок службы 1000ч при 125˚C
Диапазон рабочей температуры от -55° до +125°C

Области применения

Промышленное, Управление Питанием, Потребительская Электроника, Переносные Устройства

Предупреждения

Market demand for this product has caused an extension in lead times, delivery dates may fluctuate

Нелинейный планарный конденсатор — PatentDB.ru

Нелинейный планарный конденсатор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

(i t) 438Î55

О ll и с,А, н и е изО Р;в, те»н,,и

Союз Советских

Ющналнстнчесннх

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 13,02.73 (21) 1882589/26-9 с присоединением заявки № (32) Пр и ар итет

Опубликовано 30.07.74. Бюллетень № 28

Дата опубликования описания 14.01.75 (51) М. Кл. Н Olg 7/62

Государственный комитет

Совета Министров СССР не данам изоеретений и отнрытий (53) УДК 621.319.42 (088.8) (72) Авторы изобретения

О. Г. Вендик, Г, Д. Лоос, Л. Т, Тер-Мартиросян и Ю, Ф. Янченко (71) Заявитель

Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им, В. И. Ульянова (Ленина) (54) НЕЛИНЕЙНЫЙ ЙЛАНАРНЫЙ КОНДЕНСАТОР

Предмет изобретения

Изобретение относится к радиотехнике, Известны нелинейные планарные конденсаторы, выполненные в виде расположенных на подложке, например, из сапфира сегнстоэлектрической пленки и электродов.

Цель изобретения вЂ” расширение частотного диапазона работы конденсатора.

Это достигается тем, что в предлагаемом конденсаторе подложка выполнепа из окиси бериллия; поверхность подложки спечена с упомянутой сегнетоэлектрической пленкой (например, титаната стронция) твердых растворов на основе титаната, цирконата бария или титанатов бария и стронция. На пленку нанесены электроды, например, методом термовакуумного испарения.

Экспериментально обнаружено, что окись бериллия химически не взаимодействует с вышеупомянутыми сегнетоэлектрическими пленками при температурах спекания последних. Кроме того, вследствие большой разницы температур размягчения окиси бериллия и спекания пленок диффузия со стороны подложки в пленку практически отсутс гвует.

Поэтому появляется вазможность испальзования вссьма тонких пленок и, следовательно, получения конденсаторов с малым тепловым сопротивлением.

Таким образом, предлагаемый конденсатор атл гчается материалом подложки и новым типом контакта подложки с сегнетоэлектрической пленкой. Это позволяет расширить час;,îòHüø диапазон работы конденсатора более чем на порядок, сделать более простой

10 техпалогию и применять его в активных интегральных СВЧ-схемах, в том числе и в активных интегральных СВЧ-устройствах бегущей волны.

Нелинейный план арный конденсатор, выполненный в виде расположенных на подлож20 кс сегнетоэлектрической пленки и электродов, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона работы конденсатора, подложка выполнена из окиси бериллия, поверхность которой спечена с упомяну25 тай сегнетоэлектрической пленкой,

Электроника НТБ — научно-технический журнал — Материалы тега

Электроника НТБ — научно-технический журнал — Материалы тега — конденсаторы Книги по электронике

Тег «конденсаторы»

Электроника НТБ #10/2019
Н. Брюхно, В. Громов, М. Котова, Ю. Севастьянов, В. Стрекалова, В. Пугачев
Дискретные конденсаторы на основе кремния Приведен анализ конструкций дискретных конденсаторов на основе кремния ведущих производителей. Рассмотрены планарные и 3D-конденсаторы и связь их параметров с конструктивно-технологическим исполнением. Приведены результаты АО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» по разработке и освоению планарных СВЧ- и 3D-конденсаторов. DOI: 10.22184/1992-4178.2019.191.10.56.60 Электроника НТБ #6/2016
А.Гасымов
Витебский завод радиодеталей «МОНОЛИТ» – передовые технологии и качество Основные направления деятельности ОАО «ВЗРД «МОНОЛИТ» – разработка и производство керамических конденсаторов, в том числе специального назначения; ограничителей перенапряжений нелинейных в полимерном корпусе; изоляторов полимерных стержневых; высоковольтных варисторов МВР и керамических помехоподавляющих фильтров. Электроника НТБ #5/2014
А.Дёмин
API TECHNOLOGIES: одна компания – множество решений В процессе разработки перед каждым инженером встает вопрос о выборе элементной базы. Как найти именно то, что нужно, среди предложений множества компаний? Простым решением может быть выбор производителя, выпускающего продукцию в широкой номенклатуре. Пример такой компании – API Technologies. В статье освещена ее деятельность в области ВЧ/СВЧ-устройств. Электроника НТБ #2/2012
М.Красильщиков, В.Смирнов, А.Шалаева
Влияние постоянного напряжения на параметры керамических конденсаторов. О чем не пишут в документации Результаты исследования влияния постоянного напряжения на параметры керамических помехоподавляющих проходных конденсаторов и фильтров нижних частот, проведенного разработчиками ОАО «НИИ «Гириконд».

Выбор пассивных компонентов для неизолированного импульсного источника питания

В статье приведен краткий обзор пленочных конденсаторов китайской фирмы BM, выпускаемых на основе полипропиленового диэлектрика. Особое внимание уделено индуктивным компонентам Pulse Electronics для импульсных источников питания, их разновидностям, видам потерь и методике оптимального подбора необходимого компонента.

Импульсный источник питания (Switch Mode Power Supply, SMPS) способен поддерживать постоянное заданное выходное напряжение(V_out) при изменяющемся входном напряжении (V_in), т. е. имеет регулируемый выход. Постоянное значение (V_out) задается при помощи корректировки частоты импульсов рабочего цикла. Дроссель и конденсатор в схеме SMPS поддерживают устойчивый выходной ток. Без использования дросселя ток в таких источниках будет изменяться до нулевых значений при сменах импульсов переключения схемы управления. Конденсатор в этой цепи является фильтром пульсаций тока и элементом накопления необходимой энергии для совместной работы с дросселем.

Конденсаторы

При выборе конденсаторов для импульсных преобразователей особое внимание уделяется показателям надежности, качеству и минимальным значениям паразитных потерь. При высоком постоянном напряжении основной причиной старения являются электрохимические процессы, возникающие в диэлектрике под действием постоянного поля и усиливающиеся с повышением температуры и влажности окружающей среды. При переменном напряжении и импульсных режимах основной причиной старения становятся ионизационные процессы, возникающие внутри диэлектрика или у краев обкладок, преимущественно в местах газовых включений. Напряжение электрического поля в диэлектрике конденсатора при его испытаниях выбирается с некоторым запасом.

Температура и влажность воздуха также являются важными факторами, влияющими на долговечность и сохранность конденсаторов. Длительное воздействие высокой температуры вызывает ускоренное старение диэлектрика, в результате чего характеристики конденсатора ухудшаются. Тепловое воздействие на конденсатор может быть периодически изменяющимся. Наряду с внешней температурой на пленочные конденсаторы в составе аппаратуры может дополнительно воздействовать теплота, выделяемая другими сильно нагревающимися при работе компонентами. В условиях повышенной влажности на электрические характеристики конденсаторов влияет как пленка воды, образующаяся на поверхности, так и внутреннее поглощение влаги диэлектриком. Проникновение влаги внутрь конденсатора снижает его сопротивление и электрическую прочность.

Пленочные конденсаторы как альтернатива электролитам

Пленочные конденсаторы имеют много преимуществ перед электролитами в промышленных преобразователях мощности, в электротранспорте и производственном оборудовании, хотя они и не являются их полной альтернативой ввиду различия по размерам. Среди этих преимуществ:

возможность выдерживать высокий среднеквадратичный ток до 1 Arms/мкФ;
возможность держать удвоенное избыточное номинальное прямое и обратное напряжение;
стойкость к высоким пиковым токам;
отсутствие кислотного загрязнения при утилизации;
продолжительное время хранения и эксплуатации (до 100 000 ч).

Основа металлизации — покрытие диэлектрической пленки очень тонкими металлическими слоями. В случае пробоя диэлектрика покрытие может улетучиваться и изолировать дефект. Это явление называется самовосстановлением или способностью самоблокировки внутренних дефектов. Современные диэлектрические пленки BM, используемые для конденсаторов постоянного тока, покрыты очень тонким металлическим слоем. В случае любого дефекта металл испаряется и изолирует его, эффективно восстанавливая конденсатор. После пробоя номинальная емкость пленочного конденсатора немного уменьшается (в пределах погрешности, указываемой производителем), но полного отказаи короткого замыкания нет. Эта особенность может значительно снизить текущие затраты на обслуживание и обеспечить более высокуюэффективность использования SMPS.

Рассмотрим далее различные схемы неизолированных импульсных преобразователейтока.

Повышающий преобразователь напряжения

Повышающий преобразователь (рис. 1) позволяет увеличивать напряжение (при понижении тока) от входа до выхода. Основное применение — преобразователи для электротранспорта, где напряжения одной батареи бывает недостаточно для поддержания 500 В на входемотора. Данный преобразователь позволяетиспользовать меньшее количество батарей,увеличивая доступное постоянное напряжение до требуемого уровня. В качестве элементафильтра в таком преобразователе можно применить пленочный конденсатор DC-LINK.

Конденсатор в данной цепи будет предотвращать пульсации, поступающие обратноот электродвигателя к источнику тока (аккумуляторной батарее), и сглаживать скачки напряжения шины. Для защиты полупроводников (тиристоров и IGBT-модулей) в повышающих преобразователях также могут использоваться демпферные версии пленочных конденсаторов.

Конденсаторы DC-LINK (рис. 2 и 3) имеют хорошие электрические характеристики, малые потери в диэлектрике, высокое значение сопротивления изоляции, низкую диэлектрическую абсорбцию и высокую диэлектрическую прочность (табл. 1). Они практически нечувствительны к повышенной влажности и имеют стабильность параметров при длительных сроках эксплуатации. Следует отметить также, что они имеют отрицательный температурный коэффициент (–200 ppm/°C). Минимальная требуемая емкость конденсатора вычисляется по формуле:

C = I_rms/U_r × 2π × ƒ.

Согласно данному выражению, соотношение расчетной емкости пленочного конденсатора и электролитического составляет 1:25 мкФ.

**Таблица 1.** Технические характеристики конденсаторов DC-LINK от BM
	DKMJ-P	DKMJ-C
Рабочее напряжение, В	450–1200	500–4000
Диапазон емкости, мкФ	1–120	20–5600
Отклонения емкости, %	±5, ±10, ±20	±5, ±10
Рабочая температура, °C	+85
Максимальная температура, °C	+105
Срок службы, ч	100 000
Показатель отказов	50 FIT

Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь (рис. 4) является одним из наиболее распространенных. Он используется в цепях, где выходное напряжение постоянного тока (на нагрузке) должно быть ниже входного напряжения постоянного тока. Вход постоянного тока может быть выведен от выпрямленного переменного тока или из любого источника постоянного тока. Простейший преобразователь состоит из диода, переключателя (обычно MOSFET) и одного индуктора для применения в однофазных цепях. Чтобы уменьшить пульсацию напряжения, в источник добавляется фильтр на основе конденсатора(фильтр на стороне нагрузки). В качестве фильтра нагрузки можно применить как электролитические, так и пленочные конденсаторы, в зависимости от предназначения преобразователя. Поскольку данные преобразователи часто являются источниками высокочастотных импульсных помех для общей сети 110–250 В, то на вход выпрямителя Vs таких источников устанавливают конденсаторы X2.

Для подавления импульсных помех BM разработана модель B43. Она является самой новой в серии конденсаторов X2 и призвана объединить в себе все достоинства конденсаторов данного типа, изготовленных с применением полипропиленового диэлектрика.

Серия B43 (рис. 5) соответствует требованиям стандарта IEC 60384-14 для конденсаторов X2. Диапазон емкости — 0,1–25 мкФ с интервалом рабочих напряжений 310–350 Vac. По результатам европейских тестов, конденсаторы BM имеют увеличенное значение начального напряжения частичного разряда (PDIV/ Corona) по сравнению с конденсаторами без внутреннего последовательного соединения. Основные характеристики устройств указаны в таблице 2. Металлизация электродов в активной зоне выполнена без использования цинка. В качестве наполнителя применяется новая высококачественная эпоксидная смола. После испытаний на устойчивость к влажности (при +85 °C) с относительной влажностью 85% со смещенным напряжением в течение 1000 ч, среднее значение ΔC/C составляет менее 5%.

**Таблица 2.** Технические характеристики конденсаторов серии B43 от BM
Рабочее напряжение	310 В AC 50/60 Гц	350 В AC 50/60 Гц
Постоянное напряжение, В DC	560	630
Емкость, мкФ	0,1–25	0,1–20
Отклонение емкости, %	±5, ±10, ±20
Рабочая температура, °C	–40…+110

Для производства конденсаторов X2 применяют два типа диэлектриков: полипропиленовую (PP) и полиэфирную пленку (PET). Их сравнительные характеристики приведены в таблице 3. PET обладает высокой диэлектрической прочностью, хорошими свойствами самовосстановления и температурной стабильностью. У PET положительный температурный коэффициент материала. PP обладает превосходными электрическими характеристиками, имеет очень низкие диэлектрические потери на высоких частотах, высокое сопротивление изоляции, низкое диэлектрическое поглощение и высокую диэлектрическую прочность. Кроме того, PP имеет отличную влагостойкость и очень хорошую долговременную стабильность параметров. Температурный коэффициент материала — отрицательный.

**Таблица 3.** Сравнительная таблица свойств материалов PP и PET для производства конденсаторов класса X2
	PET	PP
Диэлектрическая постоянная (при +25 °C/50 Гц)	3,2	2,2
DF при 1 кГц, tan δ, в %	0,5	0,02
Сопротивление изоляции, MОм×мкФ	25 000	100 000
Диэлектрическое поглощение, %	0,2	0,05
Дрейф емкости ΔC/C, %	1,5	0,5
Уровень поглощения влаги, %	0,4	0,01
Максимальная рабочая температура, °C	+125	+100
Температурный коэффициент, ppm/°C	+400, ±200	±200, ±100

Металлизированные пленочные конденсаторы BM соответствуют стандартам IEC61071.Это означает, что они могут обрабатывать несколько скачков напряжения в два раза выше номинального напряжения без значительного сокращения срока службы изделия. Следовательно, разработчику требуется только учет номинальных требований к напряжению при настройке схемы.

Универсальный преобразователь

Универсальный преобразователь (рис. 6) — это тип SMPS, который сочетает в себе принципы понижающего и повышающего преобразователей в одной схеме. В таких схемах величина выходного напряжения может быть больше или меньше входного напряжения. Выходное напряжение имеет противоположную полярность на входе. Один из возможныхнедостатков этого преобразователя, который усложняет схему возбуждения дросселя, заключается в том, что импульсный переключатель не имеет клеммы на землю.

Дроссели для импульсных преобразователей

Дроссель состоит из катушки проволоки, намотанной на ферромагнитный сердечник. Данная комбинация дает индуктивность (L), которая создает сопротивление, поэтому ток, протекающий через индуктор, не может мгновенно измениться. Скорость изменения тока через индуктор (dI/dT) определяется индуктивностью и напряжением, воздействующим на индуктор:

V = L×dI/dT.

Ферромагнитный материал сердечника позволяет сохранять энергию в дросселе. Когда напряжение падает и ток увеличивается, то эта накопленная энергия возвращается в цепь. Когда переключатель S закрыт, ток, текущий к нагрузке, увеличивается, а энергия сохраняется и накапливается в индукторе. Когда переключатель S разомкнут и выход отключен от входа, стабильный выходной ток поддерживается путем вытягивания энергии из катушки индуктивности. Поскольку индуктивность влияет на соотношение dI/dT, ее значение выбирается максимально близким для достижения желаемых пределов тока пульсации (I_ripple), обеспечивая постоянный выходной ток. Индуктор может удерживать только определенное количество энергии. После того как ферромагнитный ripple материал будет насыщен, индуктивность уменьшится, а пульсация тока возрастет. Пиковый ток для схемы (I_pk ) рассчитывается по следующей формуле:

I_pk = I_out + I_ripple/ 2,

При выборе индуктивности важно проверить, чтобы у применяемого компонента ток насыщения сердечника (I_sat) был больше, чем расчетный пиковый ток (I_pk).

Потери в дросселях

Потери в медной обмотке дросселя обусловлены эффективным током (I_rms), которому создается сопротивление (Rdc):

P_cu = R_dc × I_rms2.

В спецификациях на компонент обычно указывается заданный ток повышения температуры (Temperature Rise Current), эквивалентный значению постоянного тока, приводящего к повышению температуры на 40 °C от стандартных значений. Номинальный ток индуктора (Rated Current) — это ток, при котором температура компонента не будет расти более чем на 40 °C от стандартных значений.

Механизм потери тока в сердечнике — довольно сложный процесс. Изменяющийся ток в силовом индукторе создает изменяющуюся плотность потока (B AC), и сопротивление основного материала (феррита) имеет свойство противостоять этому потоку (B AC). Потери в сердечниках зависят от типа материала сердечника, размера, B AC и частоты переключения импульсной схемы (F).

Чем подробнее спецификация на выбираемый компонент (силовой дроссель), тем проще рассчитать рабочие характеристики материала и размеры сердечника. В техническом описании также может указываться ток повышения температуры, поэтому при превышении данного значения нужно будет помнить о том, что потери в сердечнике будут высоки, и индуктор достигнет указанного лимита температуры при более низком среднеквадратичном токе из-за дополнительного воздействия потерь мощности и повышения температуры обмотки.

Рассмотрим выбор дросселей Pulse для импульсного источника питания.

Для обеспечения требований к соотношению индуктивности и тока в преобразователяхсуществуют различные виды корпусов и типыобмоток дросселей (рис. 7).

Индуктивности на ферритовом сердечнике

Индуктивности серии PA (рис. 8) состоят из специальной медной проволоки, намотанной на ферритовый сердечник, при этом сердечник может быть как магнитно-экранирован, так и не экранирован. Неэкранированная версия может поддерживать относительно высокие пиковые токи перед насыщением. Из-за открытой траектории потока открытый сердечник ограничен рабочей частотой и создает электромагнитные помехи на компоненты схемы. Если это условие подходит для применения, то данный тип является оптимальным решением для преобразователя, так как это самый недорогой вид дросселя. Экранированная версия немного дороже и подходит для высокочастотных и чувствительных к шуму схем. Он имеет очень широкий диапазон индуктивности, но ограничен токопроводящей способностью. Применяется в низковольтных преобразователях.

Дроссель с тороидальным ферритовым сердечником

В дросселях серии PE (рис. 9) используется толстая обмотка. Компонент является относительно громоздким и имеет сравнительно большие потери на сердечнике на высоких частотах. Основными ограничениями тороида являются размер и производительность. Тороид может быть хорошим решением, когда текущие требования превышают характеристики индукторов с сердечником барабанного типа. Экранированные тороидальные индукторы с ферритовым сердечником также доступны в корпусе для поверхностного (SMT) монтажа на печатную плату. Данные дроссели служат универсальными многоцелевыми платформами и помогают минимизировать поток утечек, чтобы защитить соседние компоненты от чрезмерных электромагнитных помех (EMI).

Дроссели с плоским сердечником

Низкопрофильная серия PG (рис. 10) обладает самой высокой токовой емкостью (60 А) в корпусе высотой 3,2 мм. Это достигается благодаря специальному плоскому проводнику с большим сечением, который намотан в спиральную катушку. Основной материал сердечника — порошкообразное железо с соответствующей мягкой насыщенностью и низким уровнем излучаемых помех. Поскольку падение напряжения в нем обычно невелико, то потери на сердечнике не являются чрезмерными даже на высоких частотах. Плоская катушка индуктивности имеет относительно малое количество витков провода, поэтому данный тип дросселей ограничен низкой индуктивностью и обладает более высокой стоимостью.

Дроссели со стандартной катушкой

Дроссели серии PG (рис. 11) (Round Wire Coil, RWC) обычно разрабатываются для устройств, где не требуется низкий профиль. Они используются в качестве устройств хранения энергии и фильтров в регуляторах точки нагрузки (POL) и в качестве дросселей выходного каскада для преобразователя постоянного тока. Индукторы RWC используют материал ферритового сердечника, который дает на 90% снижение потерь в сердечнике и увеличение максимальной рабочей температуры на 30% по сравнению со стандартным материалом из порошка железа, используемого в индукторах с плоской катушкой. Поскольку ферритовый материал невосприимчив к термическому старению, эти индукторы более надежны и лучше работают при более высоких температурах и частотах, чем индукторы с не ферритовым сердечником. Использование круглого провода вместо плоской катушки приводит к снижению стоимости на 25%.

Экранированные дроссели в ферритовом корпусе

Особенность закрытых порошковых индукторов серии PA (рис. 12) в том, что они имеют железный порошковый материал корпуса, который непосредственно залит на медный провод. Это оптимальное решение для схем, требующих высоких частот и высокого тока с низким сопротивлением постоянному току. Эти индукторы обладают высокими характеристиками по поглощению собственных электромагнитных помех. Экран ограничивает поток помех, устраняет шум и удерживает магнитный поток внутри индуктора. Формованная серия индукторов отлично подходит для высоковольтных, неизолированных DC/DCпреобразователей и регуляторов напряжения. Добавление квалификации AEC-Q200 позволяет использовать эти компоненты и в автомобильной промышленности. Pulse предлагает эти индукторы с расширенным диапазоном рабочих температур (–55…+155 °C).

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности серии PA (рис. 13) обладают очень низкой индуктивностью при высоких токах. Они предназначены для низковольтных преобразователей с высокими значениями тока, работающих на высоких частотах переключения. Pulse предлагает экранированные катушки индуктивности для SMT-монтажа, которые объединены в комбинированные и интегрированные типы конструкций. Связанные силовые катушки индуктивности соединяют два (или более) компонента в одну пару с единой магнитной связью между ними, уменьшая общую площадь и обеспечивая более низкий ток пульсаций фазы.

Планарные дроссели и трансформаторы

В планарных трансформаторах серии PA(рис. 14) используется небольшое количество витков. Выполненные с использованием штампованных медных пластин или винтовой обмотки катушки, они обеспечивают низкую индуктивность с очень высокой несущей способностью. Ультранизкий DCR этого трансформатора делает его самым эффективным решением, доступным на рынке сегодня. Pulse имеет экранированные версии плоских катушек с ферритовым сердечником, предназначенные для источников питания с высоким выходным током и низким напряжением. Эта серия имеет дополнительную монтажную площадку для лучшей фиксации на печатной плате.

Заключение

После того, как определены параметры конденсатора и оптимальный вариант дросселя, конечным шагом является выбор типоразмера дросселя, который будет обеспечивать правильные характеристики преобразователя, а также его геометрию, подходящую для конкретного устройства.

Автор: Андрей Ковригин — Макро Групп, Product-менеджер направлений «Электромеханические компоненты», «Батарейки», «Пассивные компоненты», [email protected]

Керамические конденсаторы с планарной решеткой

| APITech

Керамические конденсаторы с планарной решеткой | APITech

Конденсаторы керамические

Созданные с использованием многолетнего опыта в производстве многослойных керамических конденсаторов, эти планарные конденсаторы обладают множеством преимуществ по сравнению с автономными микросхемами, дискоидальными или трубчатыми конденсаторами.Это включает в себя низкопрофильный и компактный дизайн, а также быстрое время сборки.

Благодаря сочетанию универсальности и функциональности планарные керамические конденсаторы быстро становятся новым стандартом в разъемах с фильтрами, используемых для подавления электромагнитных помех.

Керамические конденсаторы

APITech спроектированы и произведены в нашем Государственном колледже, штат Пенсильвания (США).

Непревзойденные электрические характеристики и надежность
Доступны различные геометрические формы по индивидуальному заказу и отраслевым стандартам
Конструкции могут включать несколько значений емкости, сквозные отверстия и отверстия для заземления
Быстрое прототипирование и короткое время выполнения заказа
100% электрические и габаритные испытания критических параметров
Индивидуальная упаковка в соответствии с потребностями конечного пользователя

Высокочастотные приложения
Фильтрация электромагнитных помех и многополюсные разъемы
Медицинское оборудование
Фильтры подавления EMI / RFI
Коммерческие приложения
Защитные приложения
Источники питания
Преобразователи
Многострочные конструкции
Процесс производственного контроля

Типичные электрические свойства
Температура	от -55 ° C до 125 ° C
Емкость	до 1 мкФ
Допуск емкости	± 10%, ± 20%, + 100%
Номинальное напряжение	до 1500 В постоянного тока
Выдерживаемое напряжение диэлектрика	до 3000 В постоянного тока
Коэффициент рассеяния	<3.5%
Сопротивление изоляции	1000 МОм • мкФ или 10кМОм
Перечисленные выше электрические свойства являются типичными, но могут быть превышены в зависимости от требований заказчика и механической конфигурации. Поскольку на дизайн влияют многие переменные, лучше всего связаться с нами напрямую для подробной оценки ваших потребностей в плоском дизайне.
Варианты проектирования и производства
Диэлектрики	Коды EIA: NP0 (COG), X7R, Z5U
Прекращение	Обжиг: серебро, серебро для пайки Покрытие: золото, серебро или медь поверх никелевого барьера
Площадь	Притертая полоса, пропускная способность оконечной нагрузки и варианты изоляционного покрытия
Геометрия	Военные циркуляры, D-Sub, ARINC, Micro-D, пользовательские конфигурации
Толщина	До.150 «

Дискоидальные конденсаторы и планарные массивы

Описание

Многослойная планарная матрица — это многослойная конденсаторная матрица, предназначенная для использования в схемах многонаправленных фильтров электромагнитных помех. Полученный из теории дискоидального конденсатора, он обеспечивает емкость между внешним периметром и внутренними сквозными отверстиями.

Чаще всего планарные матрицы используются в качестве конденсаторных элементов в разъемах фильтров, хотя они также подходят для многих других приложений.

Наш основной процесс мокрого производства и опыт работы с керамикой позволяют производить компоненты с механической и электрической точностью, что позволяет фильтру в сборе выдерживать самые строгие электрические характеристики. Это привело к тому, что мы стали предпочтительным производителем разъемов для фильтров.На сегодняшний день мы поставили более 3000 различных дизайнов планарных решеток.

Качество и надежность наших планарных массивов были однозначно признаны НАСА для их использования на Международной космической станции.

Механический Обладая многолетним опытом, мы разработали широкий спектр конструкций, в том числе план-формы для следующих разъемов:

Циркуляр (MIL-C-38999, MIL-C-26482 и аналогичные)
Arinc 404 и 600
Переходник «D»
Sub
мкД (MIL-C-83513)

Также могут быть размещены специальные нестандартные формы и макеты.Могут быть рассмотрены сложные формы, включая внутренние и внешние радиусы, отверстия разного диаметра и направляющие.
Ориентировочно, мы можем производить планары толщиной не более 3,18 мм (0,125 дюйма) и диаметром или квадратом не более 100 мм (4,0 дюйма).
Стандартная отделка концевой заделки — это золотая пластина поверх никеля для достижения максимальных электрических и механических характеристик.

Сборка без пайки / пружинный зажим, соответствующий требованиям

Сборка планаров без пайки может быть размещена путем включения в отверстия податливых пружинных зажимов, что позволяет вставлять массив в сквозные контактные штыри.
Syfer может поставить стандартный набор пружинных зажимов для пайки или установить соответствующие зажимы, поставляемые заказчиком, перед отправкой готовой сборки массива.

Контракт на монтаж и техподдержку

Наличие линии сборки фильтров EMI рядом с производством керамики позволяет Syfer предлагать беспрецедентную техническую поддержку и консультации клиентам с планарной решеткой и дискоидальным устройствам. Это может включать консультации по проектированию и обращению, а также помощь в проведении судебно-медицинской экспертизы.Наши сотрудники имеют многолетний опыт использования планарных решеток и принимают непосредственное участие в разработке технологии с момента ее создания.
Мы также можем предложить субподрядные услуги и услуги по производству прототипов клиентам планарных устройств и производителям соединителей.

Электрооборудование

Используются только стабильные диэлектрики X7R и сверхстабильные C0G / NP0
Значения емкости от пФ до мкФ
Высокое напряжение — DWV (выдерживаемое диэлектрическое напряжение) до 10 кВ
Проходные линии без оконечной нагрузки с низкой емкостью
Заземленные линии заземления — указаны максимальные значения сопротивления заземляющей поверхности
Возможно сочетание значений емкости в пределах одной плоскости — до отношения 400: 1 в пределах отдельной плоскости
Линии смешанных емкостей / линии без заглушек / заземленные линии заземления доступны в пределах одного планарного устройства

Качество Все планары проходят испытания на следующее:

Емкость — 100%
Коэффициент рассеяния — 100%
DWV (выдерживаемое диэлектрическое напряжение) — 100%
Сопротивление изоляции — 100%
Визуальный осмотр — 100%
Паяемость образца и проверка размеров — 100%

Тестирование 100% SAM (сканирующая акустическая микроскопия) предлагается в качестве опции для всех планаров, предназначенных для более ответственных приложений.

Чтобы отразить уникальную индивидуальную природу дискоидальных и планарных массивов, мы не указываем стандартный диапазон, но просим вас связаться с офисом продаж, чтобы обсудить ваши конкретные требования.

Дискоидальные многослойные керамические конденсаторы и плоские массивы для подавления электромагнитных помех — Блог о пассивных компонентах

Источник

: блог Capacitor Faks

Электромагнитные помехи могут значительно снизить производительность электронной системы. Этот тип снижения производительности называется электромагнитными помехами (EMI).К электромагнитным помехам относятся искажения формы сигнала, нежелательные колебания напряжения и колебания частоты. В электронных схемах к основным источникам электронного шума относятся регуляторы, источники питания, интегральные схемы, генераторы и усилители. Основными методами передачи электронного шума в электронных системах являются проводимость и излучение. В низкочастотных системах (обычно ниже 30 МГц) проводимость является основным методом передачи электронного шума. Излучение в основном ограничивается высокочастотными электронными системами.Для возникновения электромагнитных помех требуется следующее: источник энергии, приемник и путь связи между источником энергии и приемником. В большинстве случаев электромагнитные помехи подавляются за счет устранения энергии.

Чтобы удовлетворить растущий спрос на более быстрые системы, разработчики увеличили тактовую частоту электронных систем. Электрические переходы с острыми краями являются основным источником внутреннего электронного шума. Таким образом, использование высокоскоростных цепей способствовало увеличению помех от электромагнитных помех в электронных системах, следовательно, возникла необходимость в эффективных методах снижения электромагнитных помех.Экранирование — один из наиболее эффективных методов устранения излучаемого шума в электронных системах. Экран поглощает излучаемую энергию и рассеивает ее в виде тепла. В некоторых приложениях трудно устранить кондуктивную энергию. Для таких электронных систем используются фильтры EMI для подавления электромагнитных помех. Конденсаторы являются основными устройствами, используемыми для подавления шума в электронных схемах, и в течение многих лет развязывающие и байпасные конденсаторы использовались для подавления электронного шума, генерируемого на печатных платах.

Фильтрация электромагнитных помех с использованием дискоидальных многослойных конденсаторов и плоских массивов
Фильтры электромагнитных помех доступны в виде отдельных конденсаторов или комбинации конденсаторов и катушек индуктивности. Могут использоваться различные конфигурации комбинаций конденсатора / индуктора в зависимости от различных параметров схемы и сложности проблемы электромагнитных помех. Подающие конденсаторы обычно используются при высоком импедансе цепи. Помимо экранирования и фильтрации, метод расширения спектра также широко используется для уменьшения помех от электромагнитных помех в электронных системах.

Многослойные керамические конденсаторы широко используются для фильтрации электромагнитных помех. Эти недорогие конденсаторы очень эффективны для снижения электронного шума в широком спектре электронных систем. Емкость и паразитные характеристики конденсатора во многом определяют его эффективность в снижении электромагнитных помех. Наиболее распространенными типами конденсаторов, используемых для снижения электромагнитных помех, являются трубчатые конденсаторы, конденсаторы с планарной решеткой и дискоидальные многослойные керамические конденсаторы.

Дискоидальные многослойные керамические конденсаторы
Дискоидальные многослойные керамические конденсаторы обладают высокой надежностью и широко используются в системах фильтрации электромагнитных помех.По сравнению с керамическими трубчатыми конденсаторами многослойные керамические дискоидалы менее подвержены внутреннему растрескиванию. Процесс сборки фильтра подвергает компоненты воздействию относительно суровых условий, которые могут привести к выходу из строя хрупких конденсаторов. Прочность многослойных керамических дискоидалей позволяет им выдерживать этот строгий процесс без повреждений.

Дискоидальные многослойные керамические конденсаторы доступны в широком диапазоне емкостей, обычно от нескольких пикофарад до нескольких микрофарад.Поэтому разработчикам фильтров несложно получить дискоидальные конденсаторы с параметрами, подходящими для конкретного применения. Кроме того, многослойные керамические дискоиды обеспечивают более высокую стабильность по сравнению с большинством конденсаторов, используемых для фильтрации электромагнитных помех. Кроме того, низкий ESL этих конденсаторов повышает их пригодность для применения в системах фильтрации электромагнитных помех.

Конфигурация дискоидальных многослойных керамических конденсаторов позволяет устанавливать их в широкий спектр конструкций фильтров, а их геометрия позволяет им обеспечивать впечатляющие ВЧ характеристики.Кроме того, дискоидные многослойные керамические конденсаторы имеют впечатляюще высокие частоты резонанса.

Многослойные керамические планарные массивы конденсаторов
Типичные многослойные плоские массивы представляют собой керамический блок, который содержит несколько конденсаторов, линии заземления и вводы. Многослойные планарные решетки в основном предназначены для использования в разъемах фильтров электромагнитных помех. Разъемы фильтров обычно предназначены для подключения нескольких сигнальных и силовых кабелей к системе экранирования оборудования в одной точке.Типичный соединитель фильтра — это двунаправленное устройство, которое предотвращает попадание шума в электронную систему, гарантируя, что система не создает электронных шумов. Использование разъемов для фильтров устраняет необходимость в схемах фильтров на уровне платы. Хотя некоторые разъемы фильтров предназначены для использования трубчатых и дискоидальных конденсаторов, массивы плоских конденсаторов обеспечивают самую высокую плотность контактов разъема.

Помимо обеспечения нескольких конденсаторов на устройство, планарный массив позволяет использовать несколько значений конденсаторов на устройство.Кроме того, каждое отверстие плоской решетки спроектировано так, чтобы допускать несколько альтернативных электрических функций. Множественные слои диэлектрика планарной матрицы обычно разделены листами керамической ленты с трафаретной печатью. На каждом из этих листов есть узор из электродов. Свойства ослабления электромагнитных помех емкостного фильтра планарной решетки определяются конфигурацией электродов решетки. Чтобы создать монолитную структуру, проводящие элементы и диэлектрические материалы корпуса планарной матрицы обычно после сборки подвергаются обжигу при высокой температуре.Сложность плоского массива делает его одним из самых совершенных интегрированных пассивных компонентов. Планарные решетки обладают характеристиками, которые делают их непревзойденным выбором для емкостных систем фильтрации электромагнитных помех.

Планарные емкостные фильтры

меньше по размеру и обеспечивают лучшую производительность по сравнению с дискретными трубчатыми или дискоидальными конденсаторами. Двунаправленная природа фильтрующих устройств с планарной решеткой позволяет им подавлять нежелательные шумы, выходящие из или внутрь электронной системы.Диоды подавления переходных напряжений используются в различных электронных схемах для фильтрации скачков напряжения. Конструкция планарной матрицы позволяет разместить диоды защиты от перенапряжения для защиты электронных систем от вредных скачков напряжения от молнии, электростатического разряда (ESD) и т. Д. Ферриты обычно добавляются в схемы фильтрации электромагнитных помех, где требуется индуктивность. Конструкция планарной решетки позволяет добавлять в фильтрующее устройство ферритовые элементы. Впечатляющие свойства и гибкость многослойных керамических решеток планарных конденсаторов делают их предпочтительным выбором для использования в высокопроизводительных приложениях, таких как военные и аэрокосмические приложения.

Некоторые авиационные и военные системы имеют сложные проблемы с электромагнитными помехами и требуют специальных емкостных фильтров с планарной решеткой. Для таких приложений изготавливаются индивидуально сконфигурированные планарные массивы с параметрами, отвечающими уникальным требованиям системы.

Встраиваемый плоский конденсаторный ламинат Interra®

Плоский конденсаторный ламинат Interra® HK 04J

DuPont ™ Interra® со встроенным слоистым материалом для плоских конденсаторов используется для создания более тонких и эффективных слоев питания и заземления в многослойной печатной монтажной плате.

Interra® HK04J обеспечивает очень низкий импеданс на высоких частотах, развязку силовой шины и снижение электромагнитных помех. Он заменяет байпасные конденсаторы поверхностного монтажа и их сквозные отверстия, что повышает надежность, гибкость конструкции, размер упаковки и стоимость печатной платы.

Interra® HK04J — это полностью полиимидный диэлектрический ламинат, который предлагает лучшие механические свойства, надежность и стабильность емкости на рынке. Его можно обрабатывать как тонкий гибкий ламинат с помощью этапов процесса проявки / травления / зачистки.Диэлектрик HK04J гибкий, его можно визуализировать и травить для одновременного удаления меди с обеих сторон диэлектрика. HK04J обеспечивает высокую надежность благодаря обработке PWB и в экстремальных условиях PWB (например, марсоход).

Приложения

Высокоскоростные многослойные печатные платы
Серверы, роутеры, телеком
Задние панели
Военные и аэрокосмические PWB
Графические процессоры (GPU)
PWB с> 4 байпасными конденсаторами SMT на квадратный дюйм

Преимущества встроенной емкости

Снижение затрат за счет уменьшения количества конденсаторов для поверхностного монтажа и их сквозных металлических отверстий
Пониженная индуктивность для эффективного энергоснабжения с низким уровнем шума
Уменьшенный размер платы и количество слоев
Улучшенная схемотехника
Повышенная надежность и прочность печатной платы
Более высокая производительность

Особенности Interra® HK04J

Однородный полностью полиимидный диэлектрический слой, не расслаивающийся во время обработки
Высокая прочность на разрыв при инициировании и распространении способствует превосходной управляемости
Подтвержденная высокая надежность в экстремальных условиях
Превосходная стабильность емкости в диапазоне частот, температур и напряжений

Конструкции

Доступны с толщиной меди ½ унции (18 мкм), 1 унция (35 мкм) и 2 унции (70 мкм) в сбалансированных и несбалансированных конструкциях
Предлагается с электроосажденной обратной обработкой меди IPC 4562 Grade 3.Прокат отожженной меди доступен по запросу
Доступен с толщиной диэлектрика 1 мил

Сертификаты

Прогнозирование встроенных плоских конденсаторов при старении по температуре и напряжению

В этой статье представлено применение основанных на моделях и основанных на данных подходов для прогнозирования и управления работоспособностью (PHM) встроенных планарных конденсаторов в условиях повышенной температуры и напряжения. Встроенный планарный конденсатор представляет собой тонкий ламинат, который служит как плоскостью питания / заземления, так и конденсатором с параллельными пластинами в многослойной печатной монтажной плате (PWB).Эти конденсаторы обычно используются для развязки и, как установлено, уменьшают необходимое количество конденсаторов для поверхностного монтажа. Конденсаторный ламинат, использованный в этом исследовании, состоял из композитного диэлектрика на основе эпоксидно-титаната бария (BaTiO3), зажатого между слоями меди. Три электрических параметра: емкость, коэффициент рассеяния и сопротивление изоляции — отслеживались на месте один раз в час во время испытаний в условиях старения при повышенной температуре и напряжении. Наблюдаемыми режимами отказа были резкое падение сопротивления изоляции и постепенное уменьшение емкости.В этой статье представлен подход к моделированию времени до отказа, связанного с этими режимами отказа, в зависимости от уровня напряжения. PHM на основе модели может использоваться для прогнозирования времени до отказа, связанного с режимом единичного отказа, состоящим из падения либо сопротивления изоляции, либо емкости. Однако отказ встроенного конденсатора мог произойти из-за любого из этих двух режимов отказа и не был зафиксирован с использованием одной модели. Комбинированная модель для обоих этих видов отказа может быть разработана, но данные о наработке на отказ из-за резкого падения сопротивления изоляции сильно различались.Поэтому для выполнения PHM был исследован подход на основе данных, который использует тенденцию и корреляцию между параметрами для прогнозирования оставшегося срока службы. Подход на основе данных, используемый в этой статье, — это метод расстояния Махаланобиса (MD), который сводит многомерный набор данных к одному параметру, учитывая корреляции между параметрами. Метод расстояния Махаланобиса оказался успешным в прогнозировании отказов в результате постепенного уменьшения емкости. Однако прогнозирование отказов в результате падения сопротивления изоляции, как правило, было затруднительным из-за их внезапного возникновения.Обсуждается экспериментальный подход к устранению таких внезапных отказов, чтобы облегчить выявление любых тенденций изменения параметров до отказа.

Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкую сегнетоэлектрическую пленку

Вендик О.Г., Тер-Мартиросян Л.Т., Дедык А.И. и др. Ф., , Сегнетоэлектрики, 144 , № 1–4, 33–43 (1993).

Google ученый

О.Вендик Г., Мироненко И. Г., Тер-Мартиросян Л. Т., Микроволны РФ 33 , № 7, 67 (1994).

Google ученый

Геворгян С.С., Капарков Д.И., Вендик О.Г., Proc. IEE (Лондон) 30 , 1236 (1994).

Google ученый

А. Т. Финдикоглу, К. Х. Цзя, И. Х. Кэмпбелл и др. , заявл. Phys. Lett. 66, , 3674 (1995).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

Специальный выпуск о микроволновых и миллиметровых волнах высокотемпературной сверхпроводимости, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-44 , 1193 (1996).

Сегнетоэлектрики в СВЧ-технике , под ред. О. Г. Вендика, Сов. Радио, Москва, 1979.

Google ученый

О.Вендик Г., Зубко С.П. // Журн. Тех. Физ. 67 , № 3, 29 (1997) [Tech. Phys. 42, , 278 (1997)].

Google ученый

Вендик О.Г., Зубко С.П., Тер-Мартиросян Л.Т., Физ. Тверь. Тела (Санкт-Петербург) 38 , 3654 (1996) [Phys. Solid State 38 , 1991 (1996)].

Google ученый

В.И. Лаврик, В.Н.Савельев, Справочник по конформным преобразованиям , Наукова думка, Киев, 1970.

Google ученый

Э. С. Кочанов, Радиотехника 22 , № 7, 82 (1967).

Google ученый

Э. С. Кочанов, Радиотехника 30 , № 1, 92 (1975).

Google ученый

К.Р. Хоффман, Справочник по интегральным схемам СВЧ (Artech House, Норвуд, Массачусетс, 1987).

Google ученый

S. S. Bedair, I. Wolf, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-40 , 41 (1992).

Google ученый

С. С. Геворгян, Л. Дж. П. Линнер, Э. Л. Коллберг, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-43 , 772 (1995).

ADS Google ученый

С. С. Геворгян, Т. Мартинссон, Л. Дж. П. Линнер et al. , IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-44 , 896 (1996).

Google ученый

Э. Чен и С. Я. Чоу, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-45 , 939 (1997).

Google ученый

А.Н. Деленив, Ж. Тех. Физ. 69 (4), 8 (1999) [Tech. Phys. 44 , 356 (1999)].

Google ученый

К. Гупта, Р. Гарг и Р. Чадха, Компьютерное проектирование микроволновых схем (Artech House, Норвуд, Массачусетс, 1981).

Google ученый

Вендик О.Г., Мириненко И.Г., Тер-Мартиросян Л.Т., Физ. Тверь.Тела (Ленинград) 26 , 3094 (1984) [Сов. Phys. Solid State 26 , 1864 (1984)].

Google ученый

Вендик О.Г., Тер-Мартиросян Л.Т., Физ. Тверь. Тела (Санкт-Петербург) 36 , 3343 (1994) [Phys. Solid State 36, , 1778 (1994)].

Google ученый

D. Galt, C. Price, J. A. Beall et al. , заявл.Phys. Lett. 63 , 3078 (1993).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

I. Kasa, Микроволновые интегральные схемы (Эльзевир, Нью-Йорк, 1993).

Google ученый

Гибкие плоские суперконденсаторы с простой фильтрацией и этапами лазерной обработки

Спрос на гибкие накопители энергии постоянно растет в связи с развитием носимой электроники и других небольших электронных устройств.Гибкость электрода лучше всего обеспечивается специальным набором наноматериалов, но требуемая методика обычно состоит из нескольких этапов и предназначена только для конкретных материалов. Здесь представлен простой и масштабируемый метод создания гибких и механически прочных планарных суперконденсаторов с встречно-штыревой электродной структурой из коммерческих углеродных наноматериалов и серебряных нанопроволок. Конструкция конденсатора достигается за счет вакуумной фильтрации через контактную маску с микрорельефом и выполняется с помощью простых шагов лазерной обработки.Максимальная удельная емкость 4 Ф · см ⁻³ была измерена с помощью циклической вольтамперометрии при скорости сканирования 5 мВ · с ⁻¹. Надежность и свойства переноса заряда устройств были дополнительно исследованы с помощью гальваностатических измерений заряда-разряда и спектроскопии электрохимического импеданса, соответственно. Кроме того, испытания на механический изгиб подтвердили, что устройства обладают превосходной механической целостностью, а деформации не оказывают отрицательного воздействия на поведение и стабильность электрохимического заряда-разряда.

В связи с растущей популярностью и потребностями рынка портативной электроники, носимых устройств и Интернета вещей (IoT) растет спрос на разработку новых передовых гибких устройств хранения энергии [1, 2]. Углеродные наноматериалы обладают многочисленными привлекательными свойствами, которые используются в электротехнике [3]. Их электропроводность, большая площадь поверхности, химическая стабильность, легкий вес, а также механическая гибкость делают их предпочтительным материалом для изготовления электродов для электрохимического накопления энергии, особенно для суперконденсаторов с высокой плотностью мощности и превосходной стабильностью цикла [4–6].Среди углеродных наноматериалов графен / восстановленный оксид графена (RGO) [7–34], углеродные нанотрубки (УНТ) [21–27, 35–46], технический углерод [7, 8, 47], активированный уголь [20, 25, 35, 48], углеродные нановолокна [35, 49–51], а также углерод, полученный из биомассы [51–53], были наиболее популярными материалами для электродов суперконденсаторов. Более того, серебро в форме нанопроволок [14, 35] и наночастиц [54] также использовалось в материале электрода, улучшая характеристики электрода из-за его превосходной собственной электропроводности [55].

Поскольку область гибкой электроники быстро растет, исследования гибких суперконденсаторов привлекли значительное внимание [14–20, 23–37, 43–48]. Суперконденсаторы обычно собираются в виде стопки, где два электрода смачиваются жидким электролитом, разделены прокладкой и соединены металлическими токосъемниками. Полностью твердотельные гибкие суперконденсаторы с плоской встречно-штыревой структурой, однако, предлагают ряд преимуществ, таких как малый объем, высокая стабильность и возможность управления конструкцией электродов, которая оказывает сильное влияние на характеристики устройства [14].Что наиболее важно, устройства могут быть размещены в гибких и переносных системах, а также в других портативных автономных электрических цепях, которые могут служить в качестве резервной копии для систем бесперебойного питания, замены небольших батарей, а также могут применяться в устройствах сбора энергии для хранения мусора. энергия.

Вакуумная фильтрация давно используется для изготовления углеродных пленок, которые затем используются в качестве электродов. Сам процесс является простым и быстрым для получения высокопористых углеродных пленок, которые либо поддерживаются фильтрующей мембраной [12–15, 27–29, 37–39], либо полностью автономны после удаления [7, 20, 23–25, 48] .Пленкам также можно придать форму встречно-штыревой структуры путем травления отфильтрованной тонкой пленки [14] или многоступенчатого процесса фотолитографии [37]. Другими известными методами изготовления встречно-штыревых электродов на основе углерода на гибких подложках являются струйная печать [18, 35], нанесение покрытия распылением с помощью маски [18], послойная сборка [22, 36], перенос пленки [17, 27, 29–31] и 3D-печать [46]. Более того, лазерная обработка является одним из наиболее многообещающих методов сокращения этапов процесса формирования рисунка микроэлектроники, поскольку он не требует трудоемких этапов фотолитографии или вакуумного оборудования и позволяет обрабатывать большие площади.Лазер использовался для обработки углеродистых материалов, таких как графен и оксид графена [9–11, 16, 26, 31–33], а также для спекания наноструктурированных металлов [54], а также для обеспечения роста УНТ на металлических подложках [56].

В этом исследовании мы демонстрируем быстрый, масштабируемый и простой метод, в котором плоские электроды суперконденсатора с встречно-штыревой структурой изготавливаются путем вакуумной фильтрации через контактные маски с микрорельефом. Хотя сообщалось о подобном подходе для изготовления встречно-штыревых электродов [27, 29], здесь перенос электродной пленки не требовался, и тонкий слой серебряных нанопроволок (Ag-ННК) наносился на верхнюю часть углеродной пленки в качестве токосъемника. слой, чтобы значительно снизить сопротивление электрода.Углеродные нанотрубки и RGO были выбраны в качестве электродного материала из-за их хорошо известных свойств, таких как отличная электропроводность, большая поверхность и высокая стабильность в области механических напряжений, поэтому они используются во многих приложениях для электрохимического накопления энергии [5, 6, 57– 59]. Полученная структура конденсатора наноуглерод-Ag затем подвергается дальнейшей обработке с помощью быстрой лазерной очистки от любых возможных коротких замыканий, за которой следует лазерное спекание Ag-NW для оптимизации проводимости коллектора.Применяя электролит на основе ПВС, мы получаем твердотельные суперконденсаторы, которые обладают механической прочностью и подходят для хранения энергии в носимой и другой небольшой электронике, требующей гибких источников питания.

100 мг оксида графена (Sigma Aldrich prod. No. 796034) сначала смешивали в 200 мл деионизированной (DI) воды. Затем к растворам добавляли 2 г NaBH ₄ и перемешивали в течение ночи с помощью магнитной мешалки при комнатной температуре. Затем RGO фильтровали через фильтровальную бумагу из ПТФЭ (размер пор 1 90 · 106 мкм), семь раз промывали деионизированной водой и сушили при 70 ° C в течение ночи.Суспензии многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT) (Sigma Aldrich prod. No. 773840, 50 мг / л), одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT) (Sigma Aldrich prod. No. 519308, 300 мг l ^-1), RGO ( 300 мг / л ^-1) и Ag-NW (Nanostructured & Amorphous Materials Inc., продукт № # 0475NW1 2,5 гл ^-1) обрабатывали в изопропиловом спирте (IPA) и обрабатывали ультразвуком в течение 30 мин. Затем получали суспензию SWCNT / RGO @ IPA путем смешивания двух суспензий в соотношении 1: 1.

Конструкция из четырех встречно-штыревых конденсаторных структур с шириной линии 500 µ м и шагом 200 µ м (общая площадь электродов 0.49 см ²) был вырезан на фильтрующей маске из биаксиально ориентированного полиэтилентерефталата (BoPET, толщина 50 мкм, диаметр 47 мм) лазером (LPKF Protolaser U3, λ = 355 нм). Затем фильтрующую маску помещают на фильтрующую мембрану из гидрофильного поливинилиденфторида (ПВДФ, Durapore Millipore GVWP4700, диаметр 47 мм, размер пор 22 мкм) для этапов вакуумной фильтрации. Сначала наносится 1 мл MWCNT @ IPA в качестве грунтовочного слоя, а затем 2 мл SWCNT / RGO @ IPA. Затем фильтрующий узел промывают изопропиловым спиртом, после чего в качестве токоприемников применяют 220 90 · 106 мкл 90 · 107 л Ag-NW @ IPA и оставляют структуры сушиться на ночь.Все суспензии перед применением обрабатывают ультразвуком в течение 3 мин. Затем конденсаторные структуры обрезаются (P _{в среднем} = 0,9 Вт, f = 200 кГц) и спекаются (P _{в среднем} = 2 Вт, f = 120 кГц, вне фокуса = 12 мм) УФ-лазером (LPKF Протолазер У3, λ = 355 нм). Затем мембраны фильтра были разрезаны на отдельные конденсаторы. Гелевый электролит H ₃ PO ₄ -PVA был приготовлен путем смешивания PVA (Fluka prod. No. 10852, M _W ∼ 61 000) и H ₃ PO ₄ (SAFC, 85 мас.%) в деионизированной воде в соотношении 1: 2: 10. Смесь выдерживали при 80 ° C при перемешивании до получения прозрачного раствора. Затем электролит охлаждали до комнатной температуры, наносили на структуру конденсатора и давали ему затвердеть в течение ночи. Электролит ионогеля получали смешиванием 110 мг коллоидального диоксида кремния и 3 мл тетрафторбората 1-этил-3-метилимидазолия (EMIM-BF _4, Sigma Aldrich prod. No. 00768). Перед нанесением на конденсаторные конструкции смесь перемешивали на магнитной мешалке в течение 3 ч в атмосфере азота.

Для электрохимических измерений конденсаторы были подключены к потенциостату-гальваностату (Princeton Applied Research VersaSTAT 3) с зондами. Электрохимические характеристики конденсаторов оценивали с помощью измерений циклической вольтамперометрии (CV), гальваностатического заряда-разряда (GDC) и спектроскопии электрохимического импеданса (EIS). Удельная объемная емкость C _v была рассчитана из средних значений интегрированных кривых гистерезиса ток-время, нормированных на объем электрода:

, где I ( U ) — зарядный ток, dU / dt — скорость сканирования, Δ U — используемый диапазон напряжения между U ₁ и U ₂ и v — объем устройства.Емкость рассчитывалась на основе измерений заряда-разряда с помощью:

, где I — используемый ток, ΔU — окно напряжения, Δt — время разряда и v — объем конденсатора. Значения плотности энергии встроенных устройств получают из:

, где C — расчетная емкость по измерениям заряда-разряда, U, — используемый диапазон напряжений, а v — объем устройства.Плотность мощности рассчитывается по формуле:

, где E _d — расчетная плотность энергии по измерениям заряда-разряда, а Δt — время разряда.

Рентгеновский микрокомпьютерный томографический анализ был выполнен с помощью прибора Bruker Skyscan 2211 (проецируемые изображения были реконструированы с использованием программного обеспечения CtVox). Измерения удельного электрического сопротивления проводились с помощью мультиметра (мультиметр Fluke 289 с истинным среднеквадратичным значением). Структура и материалы оценивались с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FESEM, Zeiss Ultra Plus и Zeiss Sigma, светового микроскопа (Olympus BX51, оснащенного системой визуализации Colorview). ), Рамановского спектроскопа (Horiba Jobin – Yvon LabRAM HR, λ = 488 нм) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS, система Thermo Fisher Scientific Escalab 250 XI с источником рентгеновского излучения Al Kα, 1486.6 эВ, оценка данных с помощью программного обеспечения Avantage).

Конструкции встречно-штыревых конденсаторов были приготовлены с использованием стандартной установки для фильтрации (рис. 1 (а)) в сочетании с фильтрующей маской. На этапах процесса (рис. 1 (b)) фильтрующая маска с рисунком конденсаторов сначала помещалась наверху мембраны фильтра из ПВДФ. Углеродный наноматериал, состоящий из SWCNT и RGO, диспергированных в IPA, затем фильтровался через маску и мембрану, таким образом осаждаясь на открытых участках фильтрующей маски.Использование смеси УНТ и RGO предотвращает наложение листов графена друг на друга, тем самым увеличивая эффективную площадь поверхности и характеристики суперконденсатора [60]. Затем Ag-NW были нанесены поверх углеродных наноматериалов, чтобы они функционировали как токосъемный слой. Хотя процесс фильтрации прост, быстр и эффективен, углеродный наноматериал часто откладывается под фильтрующей маской из-за небольшого истечения дисперсии. Эта проблема была решена путем нанесения тонкого слоя MWCNT в качестве грунтовочного слоя.MWCNT имели гораздо более низкую дисперсию IPA, что препятствовало их протеканию под фильтрующей маской.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 1. (а) Установка фильтрации. (b) Иллюстрация этапов сборки конденсатора. (i) осаждение углеродного наноматериала на мембране фильтра через фильтрующую маску и (ii) последующее осаждение серебряных нанопроволок. (iii) Спекание и обрезка рисунка встречно-штыревого электрода УФ-лазером.(iv) Нанесение гелевого электролита ПВС на электроды.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения
Несмотря на осаждение Ag-ННК, удельное сопротивление электродов все еще было слишком высоким (R _s> 100 Ом / □), чтобы нормально функционировать в суперконденсаторе, что, вероятно, было вызвано несовершенными переходами между пересекающимися нанопроволоками в сети. . Чтобы улучшить проводимость слоя токосъемника Ag-NW, мы применили стратегию спекания, продемонстрированную ранее [35, 52].Здесь мы использовали сканированный импульсный лазерный луч, установленный в сильное расфокусированное положение (чтобы увеличить эффективный размер пятна луча и избежать абляции материала) для нагрева и отжига кристаллических Ag-ННК, которые подверглись частичному плавлению и сплавились вместе при переходы (рисунки 2 (a) и (b)), тем самым устраняя контактное сопротивление и, следовательно, снижая удельное сопротивление сети Ag-NW (рисунок 2 (c)). В первом цикле спекания с помощью лазера удельное сопротивление уменьшилось на два порядка с R _с> 100 Ом / □ до R _с ∼ 0.3 Ом / □, после чего последующие циклы спекания привели только к очень умеренному дальнейшему падению удельного сопротивления. Пытаясь еще больше оптимизировать проводимость коллекторов, мы проверили, могут ли более толстые сети Ag-NW иметь какое-либо преимущество. Результаты показали, что удельное сопротивление значительно не улучшилось при более высоких нагрузках Ag-NW, показав только линейную зависимость в анализируемом диапазоне нагрузки на поверхность между 0,5 мг / см ^-2 и 1,25 мг / см ^-2 с соответствующими сопротивлениями листов 0.28 Ом / □ и 0,12 Ом / □. Основываясь на приведенных выше результатах, в дальнейшей части работы мы применили 100 циклов для лазерного спекания сеток Ag-NW с поверхностной нагрузкой 1,0 мг / см ⁻², которая будет использоваться для электродов суперконденсаторов.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 2. (a) СЭМ-изображение чистых серебряных нанопроволок на электроде. (b) СЭМ-изображение серебряных нанопроволок после 100 циклов спекания, показывающее шейки спеченных соединений на контактах.(c) Влияние лазерного спекания на сопротивление электродов при различных нагрузках Ag-NW. (d) СЭМ-изображение материала электрода с большим увеличением, полученное из поперечного сечения электрода. На вставке показано поперечное сечение при меньшем увеличении (шкала 5 90 · 106 µ 90 · 107 м). (e) Изображение с оптической камеры, показывающее размер и структуру суперконденсатора и (f) гибкость устройства.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешения
Хотя количество материала, осажденного под фильтрующей маской, было значительно уменьшено грунтовочным слоем MWCNT, все же время от времени наблюдалось осаждение углеродного материала на межпальцевых расстояниях между электродами, что приводило к короткому замыканию конструкции конденсатора (рисунок S1 (доступен онлайн в стеках). .iop.org/NANO/31/495403/mmedia)). Поэтому расстояния между электродами всегда очищались с помощью процесса лазерной обрезки с использованием импульсного УФ-технологического лазера с малой мощностью, добавляющего только одну дополнительную фазу в процессе лазерной обработки. Поскольку углеродный материал эффективно поглощает УФ-излучение, процесс обрезки может легко повредить мембранную подложку, если мощность будет слишком высокой. Это было особенно заметно, когда углеродный слой был толстым и хорошо поглощающим, так что выделяемое тепло могло частично разрушить фильтр из ПВДФ под ним [61].Из-за этого, а также из-за очевидной потери материала было невозможно просто отфильтровать однородный слой на углеродном материале и сформировать его, используя только лазерную обработку. В этом исследовании общая площадь электродов одного конденсатора составляла 0,49 см ² и всего 650 мкм г углеродного материала было нанесено в качестве электродного материала на один конденсатор, в результате чего толщина пленки составила ~ 10 мкм м ( рисунок 2 (d)), который намного толще, чем обычно сообщается. Однако при исследовании качества используемых промышленных углеродных наноматериалов, спектроскопия комбинационного рассеяния указывает на значительную концентрацию дефектов в решетках материалов как RGO, так и MWCNT [62], что, вероятно, снизило характеристики емкости (рисунок S2).Рентгеновский фотоэлектронный анализ изготовленного электрода подтверждает, что Ag-ННК являются металлическими, а также показывает высокую концентрацию углерод-кислородных связей в материале [63], что и ожидается (рисунок S3).
Одним из основных преимуществ этого метода является то, что толщина электрода может быть намного больше, чем обычно указывается в плоских встречно-штыревых конденсаторных структурах, изготовленных травлением [14, 34], аэрозольным напылением [18, 33], послойно. слойная сборка [37] или струйная печать [18, 35]. На последнем этапе на конденсаторы наносили гель-электролит H ₃ PO ₄ / PVA и оставляли сушиться на ночь, обеспечивая гибкую и прочную структуру (рисунки 2 (e) и (f)).Рентгеновские микрокомпьютерные томографические изображения структур (рис. 3) подтверждают, что электродные пленки имеют хорошую механическую целостность и остаются неповрежденными при деформации без видимого расслоения.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 3. Рентгеновские томографические изображения электрода, покрытого электролитом H ₃ PO ₄ -PVA, при изгибе. Шкала 1 мм.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешения
Электрохимическое поведение суперконденсаторов измерялось в диапазоне напряжений от 0 В до 0,5 В (методы расчета и уравнения приведены во вспомогательной информации). По CV со скоростью сканирования от 5 мВ с ⁻¹ до 1000 мВ с ⁻¹. Кривые CV имеют округлую форму даже при более низких скоростях сканирования (рисунок 4 (a)), что указывает на омические потери в структуре электрода. Наибольшая объемная емкость 4 Ф · см ⁻³ была измерена при 5 мВ · с ⁻¹ и, как типично для суперконденсаторов, уменьшалась при более высоких скоростях сканирования.(рисунок 4 (б)). Кривые GDC имеют типичную треугольную форму (рис. 4 (c)) и показывают емкости, очень близкие к измеренным с помощью CV (3,7 Ф · см ⁻³ при самой низкой плотности тока 40 мА · см ⁻³). Подобно анализу CV, измеренные емкости падали при более высоких плотностях тока из-за увеличения падения напряжения в начале этапа разряда. Расчетные значения плотности энергии и мощности показаны на графике Рагона (рисунок 4 (d)). Наивысшие измеренные значения плотности энергии и мощности составили 130 90 · 106 µ 90 · 107 Вт · ч · см ⁻³ и 2.7 Вт / см ⁻³ соответственно, поскольку характеристики энергии и мощности были значительно ограничены узким окном смещения 0,5 В. Однако характеристики конденсаторов все еще хорошо сопоставимы с современными гибкими планарными суперконденсаторами ( Дополнительная таблица S1). Однако представленная здесь методология имеет значительные преимущества, поскольку она проста, масштабируема и может использоваться с несколькими различными материалами электродов.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рисунок 4. (a) Кривые циклической вольтамперометрии суперконденсатора (b) Соответствующие расчетные удельные емкости с различной скоростью сканирования. (в) Кривые заряда-разряда при различных плотностях тока. (d) График Рагона для плотности энергии и мощности.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешения
При использовании окна потенциала 0,8 В было отмечено, что производительность конденсатора упала до 85% после 1000 циклов измерения и до 42% после 5000 циклов (рисунок 5 (a)).После 5000 циклов изменения были также четко видны на положительном электроде, который стал темным, что указывает на окисление металлического серебра. Эксперименты с гелеобразной ионной жидкостью на основе EMIM-BF ₄ (ионогель), которая допускает более высокое окно потенциала (до 2 В), позволили получить более высокие токи в измерениях CV из-за реакции окисления Ag-NW (рисунок S4), поэтому что приводит к еще более ускоренному снижению производительности. Это открытие было неожиданным, поскольку ранее сообщалось, что Ag-ННК в качестве электродного материала как с электролитами на основе H ₃ PO ₄ / ПВС [64], так и с ионогелями [35], хотя следует отметить, что Ag / Ag ⁺ имеет окислительно-восстановительный потенциал 0.799 В по сравнению с обычным водородным электродом, которое также уменьшается в зависимости от размера наночастицы [65]. Одно из возможных объяснений может заключаться в том, что роль Ag-NW не была столь значительной, как в этом исследовании, в качестве токоприемника, и поэтому деградация не оказала существенного влияния на производительность. Без использования Ag-NW емкостная характеристика все еще составляла 89% после 10 000 циклов, что указывает на то, что на поверхности углеродного материала все еще происходят необратимые химические реакции, вероятно, вызванные примесями.Однако характеристики конденсатора без Ag-NW в качестве токоприемника были довольно низкими, поскольку последовательное сопротивление было почти на два порядка выше (рисунок S5). При диапазоне потенциалов 0,5 В емкостные характеристики сначала упали до 96% после первых 1000 циклов, после чего характеристики медленно улучшились и составили 106% от исходных характеристик после 10 000 циклов, что указывает на хорошую надежность материала при использовании диапазона потенциалов 0,5 В. После испытаний на удерживание не наблюдалось видимой агрегации электродного материала.По результатам измерений EIS последовательное сопротивление было оценено как ~ 33 Ом (рисунок 5 (b)). На диаграмме Найквиста нет четкого полукруга, указывающего на низкое сопротивление переносу заряда. Поскольку сопротивление электрода после спекания Ag-NW составляло ~ 0,1 Ом / □, удельное сопротивление, вероятно, связано с углеродными материалами, использованными в этом исследовании. На это также указывает более низкое последовательное сопротивление конденсаторов, изготовленных с более тонкими слоями электродного материала.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рисунок 5. (a) Сохранение емкости с различными серебряными нанопроводами и без них в диапазонах потенциалов 0,5 В и 0,8 В. (б) Диаграмма Найквиста согласно измерениям EIS на суперконденсаторе. (c) Кривые циклической вольтамперометрии при различных условиях изгиба. (d) Сохранение емкости в зависимости от повторяющихся циклов изгиба.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешения
Испытания на механический изгиб в сочетании с измерениями CV были проведены для оценки надежности гибких конденсаторов.Конденсаторы показали отличную стабильность. Даже при радиусе изгиба 0,7 мм форма кривой CV не меняется, а общая емкость только на 1% ниже (рис. 5 (c)). Такое же поведение наблюдается и при испытаниях на удерживание, которые показывают, что после 1000 циклов изгиба с радиусом изгиба ∼1 мм (рис. 5 (d)) производительность все еще составляла 98% от исходного значения (рис. анализ топологии луча.
Здесь мы продемонстрировали быстрый и легко масштабируемый вверх и вниз метод создания структур встречно-штыревых суперконденсаторов с помощью простых этапов фильтрации с использованием коммерчески доступных материалов, таких как SWCNT и MWCNT, RGO и Ag-NW на подложках фильтров из PVDF.Мы показали, что лазерное спекание Ag-ННК, осажденных на наноструктурированные углеродные встречно-штыревые электродные пленки, позволяет изготавливать высокопроводящие токосъемники высокоэффективных гибких планарных суперконденсаторов. При использовании электролитов H ₃ PO ₄ / PVA были достигнуты объемные емкости до 4 Ф · см ⁻³. Согласно нашему исследованию, пригодность Ag-ННК в качестве электродного материала в суперконденсаторах ограничена небольшим электрохимическим окном из-за окисления серебра выше 0.5 V.
Хотя наша работа показывает простой метод создания плоских гибких конденсаторных устройств, мы предполагаем ряд возможностей, которые могут улучшить общую производительность устройств. Например, коллектор можно дополнительно оптимизировать, заменив серебро на золото (или нанопроволоки ядро-оболочка, покрытые золотом), чтобы расширить окно напряжения. Другой возможный метод уменьшения последовательного сопротивления может заключаться в использовании фильтрующей маски также в качестве теневой маски для физического осаждения из паровой фазы тонкой металлической пленки для коллектора тока.Это, конечно, потребует очень осторожной работы, чтобы не сдвинуть маску между ступенями. Кроме того, характеристики могут быть значительно улучшены за счет использования наноструктурированных углеродов с более высокой удельной площадью поверхности и проводимостью, чем те, которые использовались в этом исследовании. Здесь также следует отметить, что емкость устройств может быть значительно увеличена за счет добавления на электроды псевдоемкостных материалов, таких как оксиды марганца или рутения [40, 66, 67].
Финансовая поддержка, полученная частично от EU Interreg Nord — Lapin liitto (проект Прозрачные, проводящие и гибкие пленки для электродов), Университета Оулу (проекты Entity и PoC: пористые нанокомпозиты со сверхнизкой диэлектрической проницаемостью и потерями для будущих телекоммуникаций 6G), Academy Финляндии (проект: Nigella), Венгерское национальное бюро исследований, разработок и инноваций через проекты GINOP-2.3.2-15-2016-00013 и GINOP-2.3.3-15-2016-00010, а также Министерству человеческих ресурсов Венгрии, грант № 20391-3 / 2018 / FEKUSTRAT.

Что представляют собой планарные конденсаторы

Принцип работы и конструкция планарных конденсаторов

Преимущества использования планарных конденсаторов

Области применения планарных конденсаторов

Материалы для изготовления планарных конденсаторов

Особенности расчета планарных конденсаторов

Технологии изготовления планарных конденсаторов

Ограничения и недостатки планарных конденсаторов

Встроенные компоненты, часть 2 — Публикации А-Контракт

Конденсаторы для «чайников» / Хабр

Начнём с простого

Алюминиевые электролитические

Танталовые электролитические

Полимерные плёнки

Керамика

КОНДЕНСАТОРЫ

08055C104KAT2A — Kyocera Avx — Многослойный керамический конденсатор, 0.1 мкФ, 50 В

Области применения

Предупреждения

Нелинейный планарный конденсатор — PatentDB.ru

Электроника НТБ — научно-технический журнал — Материалы тега

Выбор пассивных компонентов для неизолированного импульсного источника питания

Конденсаторы

Пленочные конденсаторы как альтернатива электролитам

Повышающий преобразователь напряжения

Понижающий преобразователь

Универсальный преобразователь

Дроссели для импульсных преобразователей

Потери в дросселях

Индуктивности на ферритовом сердечнике

Дроссель с тороидальным ферритовым сердечником

Дроссели с плоским сердечником

Дроссели со стандартной катушкой

Экранированные дроссели в ферритовом корпусе

Катушки индуктивности

Планарные дроссели и трансформаторы

Заключение

| APITech

Конденсаторы керамические

Дискоидальные конденсаторы и планарные массивы

Описание

Дискоидальные многослойные керамические конденсаторы и плоские массивы для подавления электромагнитных помех — Блог о пассивных компонентах

Встраиваемый плоский конденсаторный ламинат Interra®

Плоский конденсаторный ламинат Interra® HK 04J

Прогнозирование встроенных плоских конденсаторов при старении по температуре и напряжению

Моделирование и расчет емкости планарного конденсатора, содержащего тонкую сегнетоэлектрическую пленку

Гибкие плоские суперконденсаторы с простой фильтрацией и этапами лазерной обработки

Похожие записи

Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании

Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка

Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика

Добавить комментарий Отменить ответ