Что такое планарные конденсаторы большой емкости. Какие бывают типы и конструкции. Как достигается высокая емкость при малых размерах. Где применяются планарные конденсаторы. Каковы их основные преимущества и недостатки.
Что представляют собой планарные конденсаторы большой емкости
Планарные конденсаторы большой емкости — это современный тип пассивных электронных компонентов, позволяющий достичь высоких значений емкости при малых габаритных размерах. Их ключевые особенности:
- Плоская (планарная) конструкция
- Многослойная структура электродов и диэлектрика
- Использование специальных высокоемких диэлектриков
- Применение нанотехнологий для создания развитой поверхности электродов
- Возможность достижения емкости до сотен микрофарад в миниатюрном корпусе
Благодаря этим характеристикам планарные конденсаторы находят широкое применение в современной электронике, где требуется высокая емкость при минимальных размерах компонентов.
Основные типы и конструкции планарных конденсаторов
Существует несколько основных типов планарных конденсаторов большой емкости:
Многослойные керамические конденсаторы (MLCC)
Это наиболее распространенный тип. Их конструкция включает:
- Чередующиеся слои металлических электродов и керамического диэлектрика
- Большое количество слоев (до нескольких сотен)
- Использование специальных высокоемких керамических материалов (X5R, X7R и др.)
Танталовые конденсаторы
Особенности данного типа:
- Анод из пористого тантала с развитой поверхностью
- Тонкий слой оксида тантала в качестве диэлектрика
- Катод из проводящего полимера или марганца
Алюминиевые электролитические конденсаторы
Их конструкция включает:
- Алюминиевую фольгу с развитой поверхностью в качестве анода
- Тонкий слой оксида алюминия как диэлектрик
- Жидкий или твердый электролит в роли катода
Как достигается высокая емкость планарных конденсаторов
Высокая удельная емкость планарных конденсаторов достигается следующими способами:
- Использование многослойной структуры, позволяющей увеличить эффективную площадь электродов
- Применение специальных высокоемких диэлектриков с большой диэлектрической проницаемостью
- Создание развитой поверхности электродов с помощью нанотехнологий
- Уменьшение толщины диэлектрического слоя до нанометровых размеров
- Оптимизация внутренней геометрии для максимального использования объема компонента
Какова максимально достижимая емкость современных планарных конденсаторов? В зависимости от типа и размеров, она может достигать значений от десятков до сотен микрофарад в миниатюрных корпусах.
Области применения планарных конденсаторов большой емкости
Планарные конденсаторы большой емкости широко применяются в следующих областях:
- Мобильные устройства (смартфоны, планшеты)
- Портативная электроника (ноутбуки, фотоаппараты)
- Автомобильная электроника
- Промышленная автоматика
- Медицинское оборудование
- Телекоммуникационные системы
- Источники питания
В этих сферах планарные конденсаторы используются для фильтрации, развязки, накопления энергии и других задач, где требуется высокая емкость при минимальных габаритах.
Преимущества планарных конденсаторов большой емкости
Основные достоинства планарных конденсаторов по сравнению с традиционными типами:
- Высокая удельная емкость (емкость на единицу объема)
- Малые габаритные размеры и вес
- Низкий уровень паразитных параметров (ESR, ESL)
- Хорошая стабильность характеристик
- Возможность автоматизированного монтажа
- Устойчивость к механическим воздействиям
Недостатки и ограничения планарных конденсаторов
При всех достоинствах, планарные конденсаторы имеют ряд ограничений:
- Более высокая стоимость по сравнению с обычными типами конденсаторов
- Ограниченный диапазон рабочих напряжений (обычно до 100 В)
- Чувствительность некоторых типов к перегреву при пайке
- Зависимость емкости от приложенного напряжения у керамических типов
- Необходимость учета особенностей монтажа для предотвращения растрескивания
Перспективы развития технологии планарных конденсаторов
Технология планарных конденсаторов большой емкости продолжает активно развиваться. Основные направления совершенствования:
- Дальнейшее увеличение удельной емкости
- Расширение диапазона рабочих напряжений
- Улучшение температурной стабильности
- Снижение стоимости производства
- Разработка новых высокоемких диэлектрических материалов
- Применение нанотехнологий для создания электродов с еще более развитой поверхностью
Эти усовершенствования позволят еще больше расширить области применения планарных конденсаторов большой емкости в современной электронике.
Выбор и применение планарных конденсаторов в электронных схемах
При выборе планарных конденсаторов для конкретного применения необходимо учитывать следующие факторы:
- Требуемую емкость и допустимые отклонения
- Рабочее напряжение
- Диапазон рабочих температур
- Требования к габаритам и весу
- Допустимые значения паразитных параметров (ESR, ESL)
- Стоимость и доступность компонентов
Важно также учитывать особенности монтажа и эксплуатации планарных конденсаторов для обеспечения их надежной работы в составе электронных устройств.
Керамические конденсаторы SMD 0603 до 22мкф на 6,3ВКерамические конденсаторы SMD 0805 до 22мкф на 16В и 47мкф на 6,3В
Керамические конденсаторы SMD 1206 до 22мкф на 25В и 100мкф на 6,3ВКерамические конденсаторы SMD 1210 до 10мкф на 50В и 100мкф на 10ВРазмеры smd конденсаторов большой емкости
Высоконадежные конденсаторы Murata 22мкф на 63В и 10мкф на 100ВКонденсаторы большой удельной емкости поставляютс исключительно от ведущих японских производителей Murata, TDK, TAIYO YUDEN. Основное назначение керамических конденсаторов большой емкости замена дорогих танталовых конденсаторов всего ряда и алюминиевых конденсаторов небольшой ёмкости. Керамические конденсаторы имеют низкое эквивалентное сопротивление. В большинстве схемотехнических решений MLCC могут конкурировать с танталовыми конденсаторами, имеющими низкий ESR и полимерными конденсаторами с ультра низким ESR. На данной странице представлены конденсаторы исключительно большой емкости, весь ряд номиналов соответствующих типоразмеру представлены на отдельных страницах. Самые миниатюрные конденсаторы 0201 предназначены для массового производства микроминиатюрных изделий электронной техники. Наиболее распространены для автоматической сборки конденсаторы типоразмера 0402, конденсаторы 0603 удобны для ручной установки и ремонта. Конденсаторы типоразмера 0805 выпускаются с рабочим напряжением свыше 50В и удобны для макетирования. Наибольшие типоразмеры конденсаторов 1206 и 1210 используются в электрических цепях с высоким рабочим напряжением конденсатора. Для подстройки емкости используются триммеры – подстроечные конденсаторы переменной емкости, фильтрация цепей питания радиочастотных схем обеспечивается проходными конденсаторами. Сравнительные характеристики диэлектриков конденсаторов большой емкостиТехнические характеристики и маркировка керамических чип конденсаторах большой емкости TAIYO YUDEN Технические характеристики и маркировка керамических чип конденсаторов большой емкости SAMSUNG Технические характеристики и маркировка керамических чип конденсаторов большой емкости MURATA Технические характеристики и маркировка керамических чип конденсаторов большой емкости TDK Производитель — MURATA, TAIYO YUDEN, KYOCERA, KEMET, TDK, SAMSUNG. | Корзина Корзина пуста |
|
Малогабаритные керамические конденсаторы находят широкое применение в телекоммуникационном оборудовании, автоматике и системах контроля, в персональных компьютерах и т. д. ОСОБЕННОСТИ
УСТРОЙСТВО Многослойный керамический конденсатор сотоит из сплошного блока керамического диэлектрика и металлизированных электродов. В качестве диэлектрика используют титанаты кальция (CaTiO3) и бария (BaTiO3). Высокое значение емскости достигается благодаря увеличению числа электродов и уменьшению толщины диэлектрика. Монолитная структура обеспечивает прочность и надежность. Благодаря высокой точности размеров конденсаторов возможно применение автоматизированной системы установки компонентов на плату. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
Типы MLCC
По коду керамического конденсатора легко узнать его размеры:
Температурные характеристики:
|
|
||||
Планарный конденсатор
1. Область техники, к которой относится техническое решение
Планарный конденсатор на основе анодного оксида алюминия применяется в электротехнике.
2. Уровень техники
На данный момент существуют электролитические конденсаторы и планарные конденсаторы, при изготовлении которых применяются два слоя материала, это проводник и диэлектрик. недостатком таких конденсаторов является ограниченная емкость при малых размерах, т.е. толщина пленки проводника и диэлектрика ограничена физическими свойствами материала.
Предлагаемые планарные конденсаторы на основе анодного оксида алюминия позволяют увеличить емкость конденсатора за счет диэлектрической составляющей, площади конденсатора — за счет уменьшения расстояния между электродами и расстояния между пластинами.
Так, из патента на изобретение РФ №2553981 (опубл. 20.06.2015) известен двухслойный конденсатор (EDLC), который имеет первую и вторую электропроводящие структуры, отделенные друг от друга разделителем. По меньшей мере одна из первой и второй электропроводящих структур включает в себя пористую структуру, содержащую множество каналов с отверстием на поверхности пористой структуры, при этом каждый из каналов имеет отверстие на поверхности пористой структуры. Наноструктуры в заявленном устройстве выполнены из кремния, кремний-германия, карбида кремния, алюминия, вольфрама, меди.
Из патента США № US 8004821 В2 (опубл. 23.08.2011) известен металлический конденсатор, в котором электропроводность значительно улучшается за счет применения металлического материала, а не твердого электролита, и электролит из алюминиевого электролитического конденсатора, и способ его получения. Металлический конденсатор включает металлический элемент, включающий в себя множество канавок на обеих поверхностях металлического элемента, пленки оксида металла сформированы на металлическом элементе, семенем электродный слой сформирован на основе оксида металла пленки, главный электрод слой сформирован на основе оксида металла пленки, чтобы заполнить множество канавок, множество свинцовых клемм устанавливаются в главном электродном слое и элементе для формования, расположенными таким образом, что множество терминалов со свинцом могут внешне выступать из формовочного элемента, и металлическим элементом, пленки окиси металла, семенем электродный слой; и основной слой электрода может быть герметизирован.
Однако недостатки аналогов в том, что они выполнены по плоскости, в то время как заявленный планарный конденсатор — по объему размещения электродов.
3. Раскрытие заявленного изобретения
Заявлен планарный конденсатор, включающий электроды и пластины, при этом в качестве диэлектрика используется оксид алюминия, полученный на проводнике с помощью химической реакции, а увеличение емкости конденсатора достигается уменьшением расстояния между электродами и расстояния между пластинами и соединения выращенных в проводнике электродов дорожками.
Технический результат, достигаемый от реализации заявленного изобретения, заключается в том, что планарный конденсатор на основе анодного оксида алюминия обеспечивает увеличение емкости (прежде всего это конденсаторы большой емкости около 2,5 Фарада) и уменьшение размера конденсатора.
Увеличение емкости конденсатора достигается уменьшением расстояния между электродами и расстояния между пластинами и соединения выращенных в проводнике электродов, дорожками.
В качестве диэлектрика используется оксид алюминия полученный на проводнике с помощью химической реакции.
4. Осуществление
Использование планарных конденсаторов на основе анодного оксида алюминия возможно в энергетике для выравнивания суточной неоднородной потребности в мощности путем накапливания энергии ночью и использования ее в утренние и вечерние часы — пиковые часы нагрузки на энергопотребление.
Технология формирования планарных конденсаторов подробно описана ниже, составлена на основе серии экспериментов, целью которых являлась оптимизация синтетических параметров.
4.1. Экспериментальная часть
Общая схема получения пористых пленок анодного оксида алюминия и нанокомпозитов на их основе.
В качестве диэлектрической матрицы выступает анодный оксид алюминия(АОА) с высокоупорядоченной пористой структурой.
На фиг. 1 приведена схема получения конденсаторов на основе пористых пленок АОА, на фиг. 2 — хронамперограммы анодирования при напряжении 130 В.
Синтез пленок оксида алюминия с высокоупорядоченной структурой пор проводили по методике двухстадийного анодного окисления и методом жесткого анодирования. Полученные пленки использовали в качестве матриц для синтеза нитевидных наночастиц меди.
В работе используются следующие химические реактивы: Al, (COOH)2, h3SO4, Н3РО4, CrO3, CuSO4⋅5h3O, NaOH, KCl, Br2, СН3ОН, (СН3)2СО.
Подготовка поверхности алюминия
В качестве исходного материала используют алюминиевые пластины толщиной 0,1 или 0,5 мм. Пластины подвергают электрохимической полировке в смеси хромового ангидрида (CrO3) и ортофосфорной кислоты(h4PO4).
Получение оксидной пленки
Анодное окисление алюминия проводится в двухэлектродной электрохимической ячейке с использованием источника постоянного тока Б5-50 (V=0-299 В, I=0-299 мА). В качестве электролита используется водный раствор (СООН)2.
В результате получаются Al подложки с упорядоченной шероховатостью поверхности, которые подвергают повторному анодному окислению. При этом длительность второго цикла окисления определяет толщину оксидной пленки.
Отделение алюминиевой подложки
Для отделения оксидной пленки от алюминиевой подложки последнюю селективно растворяют в СН3ОН. Затем пленки промывают метанолом и высушивают на воздухе.
Нанесение защитного слоя фоторезиста требуемой формы
Пластину анодного оксида алюминия закрепляют на держателе центрифуги (Spin Coater KW-4A) барьерным слоем (нижней стороной) вверх путем создания неглубокого вакуума. На образец с помощью микропипетки равномерно тонким слоем наносят фоторезист Microposit S1818. Для покрытия образца площадью 2 см2 требуется 80 мкл фоторезиста. Далее центрифугу приводят в движение сначала со скоростью 500 оборотов в минуту на 6 секунд для равномерного распределения фоторезиста, а затем скорость вращения увеличивают до 5000 оборотов в минуту. Продолжительность второй стадии составляет 20 секунд.
Сушку фоторезиста проводят на горячей плите при температуре 110°C в течение 5 минут. После этого проводят экспонирование фоторезиста через фотошаблон требуемой геометрии. Для этого к барьерному слою, покрытому фоторезистом, плотно прижимают шаблон с требуемым рисунком и проводят экспонирование под УФ-лампой расположенной на расстоянии 15 см от образца. Дозу облучения контролируют с помощью радиометра (оптимальное значение 350 мДж). Фоторезист после засветки проявляют в 5 свежеприготовленном 0,5% растворе KOH в течение 3 минут. Далее образец промывают дионизованной водой и высушивают на воздухе.
Для придания фоторезисту химической устойчивости проводят его дубление. Для этого образец пористой пленки со слоем фоторезиста после экспонирования и проявления помещают на платформу, нагретую до 160°C на 10 минут. После дубления фоторезист становится химически инертным и удалить его можно только путем кипячения в растворе ДМФА в течение 30 минут.
Удаление барьерного слоя
При использовании пленок пористого оксида алюминия в качестве матриц для электрохимического получения нитевидных наночастиц возникает проблема наличия барьерного слоя, являющегося диэлектриком и препятствующим зарождению и дальнейшему росту металлических частиц внутри пор. В связи с этим барьерный слой удаляют травлением пленки в растворе h4PO4. Затем пленки промывают дистиллированной водой и высушивают на воздухе. Следует отметить, что наряду с растворением барьерного слоя в кислоте происходит небольшое увеличение диаметра пор по всей их глубине.
Нанесение тонкопленочных контактов
Для задания геометрии будущего конденсатора на поверхность пленки анодного оксида алюминия наносят тонкопленочные контакты, задающие положение обкладок конденсатора. Для этого на пленку Al2O3 после нанесения и проявки фоторезиста напыляют слой металла (Au, Pt) толщиной 100-150 нм.
Взрывная литография
Удаление фоторезиста со слоем металла на его поверхности проводят путем кипячения в растворе ДМФА в течение 30 минут. Затем образец подвергают ультразвуковой обработке в течение 10 минут в воде. Полноту отделения лишнего золотого покрытия контролируют при помощи измерения сопротивления между будущими обкладками конденсатора. При необходимости используют дополнительную механическую обработку ватной палочкой.
Подведение контактов
При электрохимическом осаждении наночастиц металлов в поры мембраны из оксида алюминия необходимо создать на ней электрический контакт. К мембране с напыленным тонкопленочными контактами подводят медные провода с использованием серебросодержащей эпоксидной смолы. Затем место контакта изолируют лаковым покрытием, образующимся после нанесения раствора полистирола в толуоле. Это покрытие обладает хорошими адгезионными и механическими характеристиками, а также химически инертно в кислой среде.
Электроосаждение меди
Для контролируемого роста нитевидных наночастиц меди в матрице пористого АОА электрохимическое осаждение проводят в трехэлектродной ячейке в потенциостатическом режиме при комнатной температуре. Состав электролита и потенциал осаждения приведены в табл. 1.
4.2. Исследование полученных образцов
Изучение структуры образцов проводится на электронном микроскопе Leo Supra 50 VP и на оптическом микроскопе Nikon Eclipse Е600 POL.
На поперечном сколе оксидной пленки S15 видно, что каналы располагаются перпендикулярно поверхности мембраны (см. фиг. 3). Данная тенденция наблюдается для всех синтезированных образцов.
Согласно данным РЭМ с верхней поверхности оксидной пленки можно сделать вывод, что поры однородны по размеру, их средний диаметр составляет 70 нм (см. фиг. 4).
Данные оптической микроскопии (см. фиг. 5 и 6) свидетельствуют, что выбранные условия проведения фотолитографии приводят к четкому воспроизведению рисунка фотошаблона, видимых дефектов нет.
Светлые области на фиг. 7 — золотые контакты шириной 55 мкм. Среднее расстояние между ними составляет 40 мкм. Поверхностное сопротивление равняется 12 Ом/см.
Полученные оксидные пленки с нанесенными контактными площадками использовали в качестве матриц при электроосаждении медных наноструктур. Хроноамперограммы электроосаждения меди приведены на фиг. 8.
Длину наноструктур меди определяли по поперечному сколу нанокомпозита (см. фиг. 9). В режиме химического контраста видны более светлые области, которые соответствуют содержанию химических элементов с большим атомным номером (Cuv29), чем в более темных областях (Alv13 и Ov8). Более светлые области соответствуют оксидной мембране, заполненной медью. Это подтверждают и результаты рентгеноспектрального микроанализа. Длина нитей меди в образце S10_130 составляет 45±5 мкм (см. фиг. 10). Следует отметить, что выбранные условия электрокристаллизации приводят к малому разбросу нанонитей по длине. Дисперсия длины не превышает 10 микрон.
Похожая картина наблюдается и в случае образца S14_40. Длина нитей меди в образце S14 составляет 35±5 мкм. Дисперсия длины не превышает 10 микрон.
Емкость образца S24_130 составила 0,106 нФ, S28_40 — 0,044 нФ. Емкость конденсатора можно оценить, описав образец системой параллельно соединенных плоских конденсаторов. Обкладками таких конденсаторов выступают массивы медных нитей. Размер обкладки составляет 50 мкм × 2500 мкм, а расстояние между ними 40 мкм. Диэлектрическая проницаемость анодного оксида алюминия составляет 9,5. Количество таких плоских конденсаторов в образце – 294, что, таким образом, в 1,5 раза меньше измеренного значения для S24_130 и в 2 раза больше, чем для S28.
Расхождение экспериментально наблюдаемых и расчетного значения емкости конденсаторов объясняется модельным характером расчетов, не учитывающим всех структурных особенностей нанокомпозита ААО/Cu.
Планарный конденсатор, включающий металлические обкладки и диэлектрический слой между ними, отличающийся тем, что диэлектрический слой выполнен из пористого анодного оксида алюминия, при этом обкладками конденсатора являются массивы медных нитей, сформированные в матрице пористого оксида алюминия методом электрохимического осаждения медных наноструктур, при этом среднее расстояние между обкладками составляет 40 мкм.Маркировка SMD. Руководство для практиков. Как определить smd конденсаторы. Маркировка smd конденсаторов Как узнать планарный конденсатор без название
Виды и маркировка конденсаторов. Маркировка конденсаторов SMD
Наряду с резисторами конденсаторы являются наиболее широко используемыми компонентами электрических цепей. Основные характеристики конденсатора — номинальная ёмкость и номинальное напряжение. Чаще всего в схемах используются постоянные конденсаторы, и гораздо реже — переменные и подстроенные. Отдельной группой стоят конденсаторы, изменяющие свою ёмкость под воздействием внешних факторов.
Общие условные графические обозначения конденсаторов постоянной ёмкости приведены на рис. 3.1 и их определяет соответствующий ГОСТ.Номинальное напряжение конденсаторов (кроме так называемых оксидных) на схемах, как правило, не указывают. Только в некоторых случаях, например, в схемах цепей высокого напряжения рядом с обозначением номинальной ёмкости можно указывать и номинальное напряжение (см. рис. 3.1, С4). Для оксидных же конденсаторов (старое название электролитические) и особенно на принципиальных схемах бытовых электронных устройств это давно стало практически обязательным (рис. 3.2).
Подавляющее большинство оксидных конденсаторов — полярные, поэтому включать их в электрическую цепь можно только с соблюдением полярности. Чтобы показать это на схеме, у символа положительной обкладки такого конденсатора ставят знак «+», Обозначение С1 на рис. 3.2 — общее обозначение поляризованного конденсатора. Иногда используется.другое изображение обкладок конденсатора (см. рис.3.2 , С2 и СЗ).
С технологическими целями или при необходимости уменьшения габаритов в некоторых случаях в один корпус помещают два конденсатора, но выводов делают только три (один из них общий). Условное графическое обозначение
Для развязки цепей питания высокочастотных устройств по переменному току применяют так называемые проходные конденсаторы. У них тоже три вывода: два — от одной обкладки («вход» и «выход»), а третий (чаще в виде винта) — от другой, наружной, которую соединяют с экраном или завёртывают в шасси. Эту особенность конструкции отражает условное графическое обозначение такого конденсатора (рис. 3.3 , С1). Наружную обкладку обозначают короткой дугой, а также одним (С2) или двумя (СЗ) отрезками прямых линий с выводами от середины. Условное графическое обозначение с позиционным обозначением СЗ используют при изображении проходного конденсатора в стенке экрана. С той же целью, что и проходные, применяют опорные конденсаторы. Обкладку, соединяемую с корпусом (шасси), выделяют в обозначении такого конденсатора тремя наклонными линиями, символизирующими «заземление» (см. рис. 3.3 , С4).
Конденсаторы переменной ёмкости (КПЕ) предназначены для оперативной регулировки и состоят обычно из статора и ротора. Такие конденсаторы широко использовались, например, для изменения частоты настройки радиовещательных приёмников. Как говорит само название, они допускают многократную регулировку ёмкости в определенных пределах. Это их свойство показывают на схемах знаком регулирования — наклонной стрелкой, пересекающей базовый символ под углом 45°, а возле него часто указывают минимальную и максимальную ёмкость конденсатора (рис. 3.4). Если необходимо обозначить ротор КПЕ, поступают так же, как и в случае проходного конденсатора (см. рис. 3.4, С2).Для одновременного изменения ёмкости в нескольких цепях (например, в колебательных контурах) используют блоки, состоящие из двух, трех и большего числе КПЕ. Принадлежность КПЕ к одному блоку показывают на схемах штриховой линией механической связи, соединяющей знаки регулирования, и нумерацией секций (через точку в позиционном обозначении, рис. 3.5). При изображении КПЕ блока в разных, далеко отстоящих одна от другой частях схемы механическую связь не показывают, ограничиваясь только соответствующей нумерацией секций (см. рис. 3.5 , С2.1, С2.2, С2.3).
Разновидность КПЕ — подстроенные конденсаторы. Конструктивно они выполнены так, что их ёмкость можно изменять только с помощью инструмента (чаще всего отвертки). В условном графическом обозначении это показывают знаком подстроечного регулирования — наклонной линией со штрихом на конце (рис. 3.6). Ротор подстроечного конденсатора обозначают, если необходимо, дугой (см. рис. 3.6 , СЗ, С4).
Саморегулирумые конденсаторы (или нелинейные) обладают способностью изменять ёмкость под действием внешних факторов. В радиоэлектронных устройствах часто применяют вариконды (от английских слов vari(able) — переменный и cond(enser) — еще одно название конденсатора). Их ёмкость зависит от приложенного к обкладкам напряжения. Буквенный код варикондов — CU (U- общепринятый символ напряжения, см. табл. 1.1), УГО в этом случае — базовый символ конденсатора, перечеркнутый знаком нелинейного саморегулирования с латин
ruscos.ru
Маркировка керамических SMD конденсаторов — РадиоСхема
| Letter | Mantissa | Letter | Mantissa | Letter | Mantissa | Letter | Mantissa |
| A | 1.0 | J | 2.2 | S | 4.7 | a | 2.5 |
| B | 1.1 | K | 2.4 | T | 5.1 | b | 3.5 |
| C | 1.2 | L | 2.7 | U | 5.6 | d | 4.0 |
| D | 1.3 | M | 3.0 | V | 6.2 | e | 4.5 |
| E | 1.5 | N | 3.3 | W | 6.8 | f | 5.0 |
| F | 1.6 | P | 3.6 | X | 7.5 | m | 6.0 |
| G | 1.8 | Q | 3.9 | Y | 8.2 | n | 7.0 |
| H | 2.0 | R | 4.3 | Z | 9.1 | t | 8.0 |
Керамические конденсаторы SMD ввиду их малых габаритов иногда маркируются кодом, состоящим из одного или двух символов и цифры. Первый символ, если он есть — код изготовителя (напр. K для Kemet, и т.д.), второй символ — мантисса и цифра показатель степени (множитель) емкости в pF.2 PF) конденсатор от фирмы Kemet.
| Letter | Mantissa | Letter | Mantissa | Letter | Mantissa | Letter | Mantissa |
| A | 1.0 | J | 2.2 | S | 4.7 | a | 2.5 |
| B | 1.1 | K | 2.4 | T | 5.1 | b | 3.5 |
| C | 1.2 | L | 2.7 | U | 5.6 | d | 4.0 |
| D | 1.3 | M | 3.0 | V | 6.2 | e | 4.5 |
| E | 1.5 | N | 3.3 | W | 6.8 | f | 5.0 |
| F | 1.6 | P | 3.6 | X | 7.5 | m | 6.0 |
| G | 1.8 | Q | 3.9 | Y | 8.2 | n | 7.0 |
| H | 2.0 | R | 4.3 | Z | 9.1 | t | 8.0 |
Конденсаторы изготавливаются с различными типами диэлектриков: NP0, X7R, Z5U и Y5V …. Диэлектрик NP0(COG) обладает низкой диэлектрической проницаемостью, но хорошей температурной стабильностью (ТКЕ близок к нулю). SMD конденсаторы больших номиналов, изготовленные с применением этого диэлектрика наиболее дорогостоящие. Диэлектрик X7R имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, но меньшую температурную стабильность. Диэлектрики Z5U и Y5V имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость, что позволяет изготовить конденсаторы с большим значением емкости, но имеющих значительный разброс параметров. SMD конденсаторы с диэлектриками X7R и Z5U используются в цепях общего назначения.
| Температурный диапазон | Изменение емкости | ||||
| Первый символ | Нижний предел | Второй символ | Верхний предел | Третий символ | Точность |
| Z | +10°C | 2 | +45°C | A | ±1.0% |
| Y | -30°C | 4 | +65°C | B | ±1.5% |
| X | -55°C | 5 | +85°C | C | ±2.2% |
| 6 | +105°C | D | ±3.3% | ||
| 7 | +125°C | E | ±4.7% | ||
| 8 | +150°C | F | ±7.5% | ||
| 9 | +200°C | P | ±10% | ||
| R | ±15% | ||||
| S | ±22% | ||||
| T | +22,-33% | ||||
| U | +22,-56% | ||||
| V | +22,-82% | ||||
В общем случае керамические конденсаторы на основе диэлектрика с высокой проницаемостью обозначаются согласно EIA тремя символами, первые два из которых указывают на нижнюю и верхнюю границы рабочего диапазона температур, а третий — допустимое изменение емкости в этом диапазоне.2 PF) конденсатор от фирмы Kemet.
| Letter | Mantissa | Letter | Mantissa | Letter | Mantissa | Letter | Mantissa |
| A | 1.0 | J | 2.2 | S | 4.7 | a | 2.5 |
| B | 1.1 | K | 2.4 | T | 5.1 | b | 3.5 |
| C | 1.2 | L | 2.7 | U | 5.6 | d | 4.0 |
| D | 1.3 | M | 3.0 | V | 6.2 | e | 4.5 |
| E | 1.5 | N | 3.3 | W | 6.8 | f | 5.0 |
| F | 1.6 | P | 3.6 | X | 7.5 | m | 6.0 |
| G | 1.8 | Q | 3.9 | Y | 8.2 | n | 7.0 |
| H | 2.0 | R | 4.3 | Z | 9.1 | t | 8.0 |
Конденсаторы изготавливаются с различными типами диэлектриков: NP0, X7R, Z5U и Y5V …. Диэлектрик NP0(COG) обладает низкой диэлектрической проницаемостью, но хорошей температурной стабильностью (ТКЕ близок к нулю). SMD конденсаторы больших номиналов, изготовленные с применением этого диэлектрика наиболее дорогостоящие. Диэлектрик X7R имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, но меньшую температурную стабильность. Диэлектрики Z5U и Y5V имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость, что позволяет изготовить конденсаторы с большим значением емкости, но имеющих значительный разброс параметров. SMD конденсаторы с диэлектриками X7R и Z5U используются в цепях общего назначения.
| В общем случае керамические конденсаторы наоснове диэлектрика с высокой проницаемостью обозначаютсясогласно EIA тремя символами, первые два из которых указываютна нижнюю и верхнюю границы рабочего диапазона температур, атретий – допустимое изменение емкости в этом диапазоне.Расшифровка символов кода приведена втаблице.Примеры:Z5U – конденсатор с точностью+22, -56% в диапазоне температур от +10 до +85°C.X7R – конденсатор с точностью ±15% в диапазонетемператур от -55 до +125°C. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Маркировка электролитических конденсаторов SMD
Электролитические конденсаторы SMD часто маркируются их емкостью и рабочим напряжением, например 10 6V – 10 µ F 6V. Иногда этот код используется вместо обычного, который состоит из символа и 3 цифр. Символ указывает рабочее напряжение, а 3 цифры (2 цифры и множитель) дают емкость в pF.
Срез или полоса указывает положительный вывод.
| Символ | Напряжение |
| e | 2.5 |
| G | 4 |
| J | 6.3 |
| A | 10 |
| C | 16 |
| D | 20 |
| E | 25 |
| V | 35 |
| H | 50 |
Например, конденсатор маркирован A475 – 4.6pF = 4. 7mF
Приведенные ниже принципы кодовой маркировки применяются такими известными фирмами как PANASONIC, HITACHI и др. Различают три основных способа кодирования.
A. Код содержит два или три знака (буквы или цифры), обозначающие рабочее напряжение и номинальную емкость. Причем буквы обозначают напряжение и емкость, а цифра указывает множитель. В случае двухзначного обозначения не указывается код рабочего напряжения.
В. Код содержит четыре знака (буквы и цифры), обозначающие номинальную емкость и рабочее напряжение. Буква, стоящая вначале, обозначает рабочее напряжение, последующие знаки — емкость в пикофарадах (пф), а последняя цифра — количество нулей.
Возможны 2 варианта кодировки емкости:а) первые две цифры указывают номинал в пФ, третья — количество нулей;б) емкость указывают в микрофарадах, знак р выполняет функцию десятичной запятой.
Ниже приведены примеры маркировки конденсаторов емкостью 4.7 мкФ и рабочим напряжением 10 В.
С. Если величина корпуса позволяет, то код располагается в две строки: на верхней строке указывается номинал емкости, на второй строке — рабочее напряжение. Емкость может указываться непосредственно в микрофарадах (мкФ) или 8 пикофарадах (пф) с указанием количества нулей (см. способ В). Например, первая строка — 15, вторая строка — 35V означает, что конденсатор имеет емкость 15 мкФ и рабочее напряжение 35 В.
Маркировка Танталовых SMD конденсаторов
Маркировка танталовых конденсаторов размеров A и B состоит из буквенного кода номинального напряжения в соответствии со следующей таблицей:
| Буква | G | J | A | C | D | E | V | T |
| Напряжение, В | 4 | 6.3 | 10 | 16 | 20 | 25 | 35 | 50 |
За ним следует трехзначный код номинала емкости в pF, в которомпоследняя цифра обозначает количество нулей в номинале. Например, маркировка E105 обозначает конденсатор емкостью 1 000 000pF = 1.0uF с рабочим напряжением 25V.
Емкость и рабочее напряжение танталовых SMD-конденсаторов размеров C, D, E обозначаются их прямой записью, например 47 6V – 47uF 6V.
studio-diy.3dn.ru
Калькулятор обозначений SMD конденсаторов | turbo-blog.ru
Удобный калькулятор для отображения номинала конденсаторов в SMD корпусе. Такая же проблема как и с резисторами, на просторах интернета нет работающего калькулятора под https, пришлось делать самому. О там как разместить калькулятор у себя на сайте, расскажу позже.
| Код | Пикофарады (пФ, pF) | Нанофарады (нФ, nF) | Микрофарады (мкФ, uF) |
| 109 | 1.0 | 0.001 | 0.000001 |
| 159 | 1.5 | 0.0015 | 0.000001 |
| 229 | 2.2 | 0.0022 | 0.000001 |
| 339 | 3.3 | 0.0033 | 0.000001 |
| 479 | 4.7 | 0.0047 | 0.000001 |
| 689 | 6.8 | 0.0068 | 0.000001 |
| 100 | 10 | 0.01 | 0.00001 |
| 150 | 15 | 0.015 | 0.000015 |
| 220 | 22 | 0.022 | 0.000022 |
| 330 | 33 | 0.033 | 0.000033 |
| 470 | 47 | 0.047 | 0.000047 |
| 680 | 68 | 0.068 | 0.000068 |
| 101 | 100 | 0.1 | 0.0001 |
| 151 | 150 | 0.15 | 0.00015 |
| 221 | 220 | 0.22 | 0.00022 |
| 331 | 330 | 0.33 | 0.00033 |
| 471 | 470 | 0.47 | 0.00047 |
| 681 | 680 | 0.68 | 0.00068 |
| 102 | 1000 | 1.0 | 0.001 |
| 152 | 1500 | 1.5 | 0.0015 |
| 222 | 2200 | 2.2 | 0.0022 |
| 332 | 3300 | 3.3 | 0.0033 |
| 472 | 4700 | 4.7 | 0.0047 |
| 682 | 6800 | 6.8 | 0.0068 |
| 103 | 10000 | 10 | 0.01 |
| 153 | 15000 | 15 | 0.015 |
| 223 | 22000 | 22 | 0.022 |
| 333 | 33000 | 33 | 0.033 |
| 473 | 47000 | 47 | 0.047 |
| 683 | 68000 | 68 | 0.068 |
| 104 | 100000 | 100 | 0.1 |
| 154 | 150000 | 150 | 0.15 |
| 224 | 220000 | 220 | 0.22 |
| 334 | 330000 | 330 | 0.33 |
| 474 | 470000 | 470 | 0.47 |
| 684 | 680000 | 680 | 0.68 |
| 105 | 1000000 | 1000 | 1.0 |
Калькулятор обозначений SMD конденсаторов
turbo-blog.ru
Маркировка конденсаторов: расшифровка цифр и букв
Содержание:- Обозначение цифр
- Обозначение букв
- Маркировка керамических конденсаторов
- Прочие маркировки
Большое значение для правильного выбора того или иного элемента в различных схемах имеет маркировка конденсаторов. По сравнению с резисторами, она довольно сложная и разнообразная. Особые трудности возникают при чтении обозначений на корпусах маленьких конденсаторов в связи с незначительной площадью поверхности. Квалифицированный специалист, постоянно использующий данные устройства в своей работе, должен уверенно читать маркировку изделия и правильно ее расшифровывать.
Как маркируются большие конденсаторы
Чтобы правильно прочитать технические характеристики устройства, необходимо провести определенную подготовку. Начинать изучение нужно с единиц измерения. Для определения емкости применяется специальная единица – фарад (Ф). Значение одного фарада для стандартной цепи представляется слишком большим, поэтому маркировка бытовых конденсаторов осуществляется менее крупными единицами измерения. Чаще всего используется mF = 1 мкф (микрофарад), что составляет 10-6 фарад.
При расчетах может применяться внемаркировочная единица – миллифарад (1мФ), имеющая значение 10-3 фарад. Кроме того, обозначения могут быть в нанофарадах (нФ) равных 10-9 Ф и пикофарадах (пФ), составляющих 10-12 Ф.
Нанесение маркировки емкости конденсаторов с большими размерами осуществляется прямо на корпус. В некоторых конструкциях маркировка может отличаться, но в целом, необходимо ориентироваться по единицам измерения, которые упоминались выше.
Обозначения иногда наносятся прописными буквами, например, MF, что на самом деле соответствует mF – микрофарадам. Также встречается маркировка fd – сокращенное английское слово farad. Поэтому mmfd будет соответствовать mmf или пикофараду. Кроме того, существуют обозначения, включающие число и одну букву. Такая маркировка выглядит как 400m и применяется для маленьких конденсаторов.
В некоторых случаях возможно нанесение допусков, которые являются допустимым отклонением от номинальной емкости конденсатора. Данная информация имеет большое значение, когда при сборке отдельных видов электрических цепей могут потребоваться конденсаторы с точным значением емкости. Если в качестве примера взять маркировку 6000uF + 50%/-70%, то значение максимальной емкости составит 6000 + (6000 х 0,5) = 9000 мкФ, а минимальной 1800 мкФ = 6000 — (6000 х 0,7).
При отсутствии процентов, необходимо отыскать букву. Обычно она располагается отдельно или после числового обозначения емкости. Каждой букве соответствует определенное значение допуска. После этого можно приступать к определению номинального напряжения.
При больших размеров корпуса конденсатора, маркировка напряжения обозначается числами, за которыми расположены буквы или буквенные сочетания в виде V, VDC, WV или VDCW. Символы WV соответствуют английскому словосочетанию WorkingVoltage, что в переводе означает рабочее напряжение. Цифровые показатели считаются максимально допустимым напряжением конденсатора, измеряемым в вольтах.
При отсутствии на корпусе устройства какого-либо обозначения, указывающего на напряжение, такой конденсатор должен использоваться только в низковольтных цепях. В цепи переменного тока следует использовать устройство, предназначенное именно для этих целей. Нельзя применять конденсаторы, рассчитанные на постоянный ток, без возможности преобразования номинального напряжения.
Следующим этапом будет определение положительных и отрицательных символов, указывающих на наличие полярности. Определение плюса и минуса имеет большое значение, поскольку неправильное определение полюсов может привести к короткому замыканию и даже взрыву конденсатора. При отсутствии специальных обозначений, подключение устройства может быть выполнено к любым клеммам, независимо от полярности.
Обозначение полюсов иногда наносится в виде цветной полосы или кольцеобразного углубления. Такая маркировка соответствует отрицательному контакту в электролитических алюминиевых конденсаторах, своей формой напоминающих консервную банку. В танталовых конденсаторах с очень маленькими размерами эти же обозначения указывают на положительный контакт. При наличии символов плюса и минуса цветовую маркировку можно не принимать во внимание.
Расшифровка маркировки конденсаторов
Чтобы расшифровать маркировку, необходимо значение первых двух цифр, обозначающих емкость. Если конденсатор имеет очень маленькие размеры, не позволяющие обозначить емкость, его маркировка происходит по стандарту EIA, применяемому для всех современных изделий.
Обозначение цифр
Если в обозначении присутствует только две цифры и одна буква, в этом случае цифровые значения соответствуют емкости устройства. Все остальные маркировки расшифровываются по-своему, в соответствии с той или иной конструкцией.
Третья цифра в обозначении является множителем нуля. В этом случае расшифровка выполняется в зависимости от цифры, расположенной в конце. Если такая цифра находится в диапазоне 0-6, то к первым двум цифрам добавляются нули в определенном количестве. Для примера можно взять маркировку 453, которая будет расшифровываться как 45 х 103 = 45000.
Когда последняя цифра будет 8, то первые две цифры умножаются на 0,01. Таким образом, при маркировке 458, получается 45 х 0,01 = 0,45. Если же 3-й цифрой будет 9, то первые две цифры нужно умножить на 0,1. В результате обозначение 459 преобразуется в 45 х 0,1 = 4,5.
После определения емкости, нужно определить единицу для ее измерения. Самые мелкие конденсаторы – керамические, пленочные и танталовые имеют емкость, измеряемую в пикофарадах (пФ), составляющих 10-12. Для измерения емкости больших конденсаторов применяются микрофарады (мкФ), равные 10-6. Единицы измерения могут обозначаться буквами: р – пикофарад, u– микрофарад, n – нанофарад.
Обозначение букв
После цифр необходимо расшифровать буквы, входящие в маркировку. Если буква присутствует в двух первых символах, ее расшифровка производится несколькими способами. При наличии буквы R, она заменяется запятой, применяемой для десятичной дроби. Расшифровка маркировки 4R1 будет выглядеть как 4,1 пФ.
При наличии букв р, n, u, соответствующих пико-, нано- и микрофараде также выполняется замена на десятичную запятую. Обозначение n61 читается как 0,61 нФ, маркировка 5u2 соответствует 5,2 мкФ.
Маркировка керамических конденсаторов
Керамические конденсаторы обладают плоской круглой формой и двумя контактами. На корпусе кроме основных показателей, указывается допуск отклонений от номинальной емкости. С этой целью используется определенная буква, проставляемая сразу же после цифрового обозначения емкости. Например, буква «В» соответствует отклонению + 0,1 пФ, «С» — + 0,25 пФ, D — + 0,5 пФ. Эти значения применяются при емкости менее 10 пФ. У конденсаторов с емкостью более 10 пФ буквенные обозначения соответствуют определенному проценту отклонений.
Смешанная буквенно-цифровая маркировка
Маркировка допуска может состоять из буквенно-цифрового обозначения по схеме «буква-цифра-буква». Первый буквенный символ соответствует минимальной температуре, например, Z = 10 градусам, Y = -300C, X = -550C. Второй цифровой символ – это максимальная температура.
Цифры соответствуют следующим показателям: 2 – 450С, 4 – 650С, 5 – 850С, 6 – 1050С, 7 – 1250С. Значение третьего буквенного символа означает изменяющуюся емкость конденсатора, в пределах между минимальной и максимальной температурой. К более точным показателям относится «А» со значением + 1,0%, а к менее точным – «V» с показателем от 22 до 82%. Чаще всего используется «R», составляющая 15%.
Прочие маркировки
Маркировка, нанесенная на корпус конденсатора, позволяет определить значение напряжения. На рисунке отражены специальные символы, соответствующие максимально допустимому напряжению для конкретного устройства. В данном случае приводятся параметры для конденсаторов, которые могут эксплуатироваться только при постоянном токе.
В некоторых случаях маркировка конденсаторов значительно упрощается. С этой целью используется только первая цифра. Например, ноль будет означать напряжение ниже 10 вольт, значение 1 – от 10 до 99 вольт, 2 – от 100 до 999 В и так далее, по такому же принципу.
Прочие маркировки касаются конденсаторов, выпущенных значительно раньше или предназначенных для особых целей. В таких случаях рекомендуется воспользоваться специальными справочниками, чтобы не допустить серьезной ошибки при сборке электрической схемы.
Содержание:Большое значение для правильного выбора того или иного элемента в различных схемах имеет маркировка конденсаторов. По сравнению с , она довольно сложная и разнообразная. Особые трудности возникают при чтении обозначений на корпусах маленьких конденсаторов в связи с незначительной площадью поверхности. Квалифицированный специалист, постоянно использующий данные устройства в своей работе, должен уверенно читать маркировку изделия и правильно ее расшифровывать.
Как маркируются большие конденсаторы
Чтобы правильно прочитать технические характеристики устройства, необходимо провести определенную подготовку. Начинать изучение нужно с единиц измерения. Для определения емкости применяется специальная единица — фарад (Ф). Значение одного фарада для стандартной цепи представляется слишком большим, поэтому маркировка бытовых конденсаторов осуществляется менее крупными единицами измерения. Чаще всего используется mF = 1 мкф (микрофарад), что составляет 10 -6 фарад.
При расчетах может применяться внемаркировочная единица — миллифарад (1мФ), имеющая значение 10 -3 фарад. Кроме того, обозначения могут быть в нанофарадах (нФ) равных 10 -9 Ф и пикофарадах (пФ), составляющих 10 -12 Ф.
Нанесение маркировки с большими размерами осуществляется прямо на корпус. В некоторых конструкциях маркировка может отличаться, но в целом, необходимо ориентироваться по единицам измерения, которые упоминались выше.
Обозначения иногда наносятся прописными буквами, например, MF, что на самом деле соответствует mF — микрофарадам. Также встречается маркировка fd — сокращенное английское слово farad. Поэтому mmfd будет соответствовать mmf или пикофараду. Кроме того, существуют обозначения, включающие число и одну букву. Такая маркировка выглядит как 400m и применяется для маленьких конденсаторов.
В некоторых случаях возможно нанесение допусков, которые являются допустимым отклонением от номинальной емкости конденсатора. Данная информация имеет большое значение, когда при сборке отдельных видов электрических цепей могут потребоваться конденсаторы с точным значением емкости. Если в качестве примера взять маркировку 6000uF + 50%/-70%, то значение максимальной емкости составит 6000 + (6000 х 0,5) = 9000 мкФ, а минимальной 1800 мкФ = 6000 — (6000 х 0,7).
При отсутствии процентов, необходимо отыскать букву. Обычно она располагается отдельно или после числового обозначения емкости. Каждой букве соответствует определенное значение допуска. После этого можно приступать к определению номинального напряжения.
При больших размеров корпуса конденсатора, маркировка напряжения обозначается числами, за которыми расположены буквы или буквенные сочетания в виде V, VDC, WV или VDCW. Символы WV соответствуют английскому словосочетанию WorkingVoltage, что в переводе означает рабочее напряжение. Цифровые показатели считаются максимально допустимым напряжением конденсатора, измеряемым в вольтах.
При отсутствии на корпусе устройства какого-либо обозначения, указывающего на напряжение, такой конденсатор должен использоваться только в низковольтных цепях. В цепи переменного тока следует использовать устройство, предназначенное именно для этих целей. Нельзя применять конденсаторы, рассчитанные на постоянный ток, без возможности преобразования номинального напряжения.
Следующим этапом будет определение положительных и отрицательных символов, указывающих на наличие полярности. Определение плюса и минуса имеет большое значение, поскольку неправильное определение полюсов может привести к короткому замыканию и даже взрыву конденсатора. При отсутствии специальных обозначений, подключение устройства может быть выполнено к любым клеммам, независимо от полярности.
Обозначение полюсов иногда наносится в виде цветной полосы или кольцеобразного углубления. Такая маркировка соответствует отрицательному контакту в электролитических алюминиевых конденсаторах, своей формой напоминающих консервную банку. В танталовых конденсаторах с очень маленькими размерами эти же обозначения указывают на положительный контакт. При наличии символов плюса и минуса цветовую маркировку можно не принимать во внимание.
Расшифровка маркировки конденсаторов
Чтобы расшифровать маркировку, необходимо значение первых двух цифр, обозначающих емкость. Если конденсатор имеет очень маленькие размеры, не позволяющие обозначить емкость, его маркировка происходит по стандарту EIA, применяемому для всех современных изделий.
Обозначение цифр
Если в обозначении присутствует только две цифры и одна буква, в этом случае цифровые значения соответствуют емкости устройства. Все остальные маркировки расшифровываются по-своему, в соответствии с той или иной конструкцией.
Третья цифра в обозначении является множителем нуля. В этом случае расшифровка выполняется в зависимости от цифры, расположенной в конце. Если такая цифра находится в диапазоне 0-6, то к первым двум цифрам добавляются нули в определенном количестве. Для примера можно взять маркировку 453, которая будет расшифровываться как 45 х 10 3 = 45000.
Когда последняя цифра будет 8, то первые две цифры умножаются на 0,01. Таким образом, при маркировке 458, получается 45 х 0,01 = 0,45. Если же 3-й цифрой будет 9, то первые две цифры нужно умножить на 0,1. В результате обозначение 459 преобразуется в 45 х 0,1 = 4,5.
После определения емкости, нужно определить единицу для ее измерения. Самые мелкие конденсаторы — керамические, пленочные и танталовые имеют емкость, измеряемую в пикофарадах (пФ), составляющих 10 -12 . Для измерения емкости больших конденсаторов применяются микрофарады (мкФ), равные 10 -6 . Единицы измерения могут обозначаться буквами: р — пикофарад, u- микрофарад, n — нанофарад.
Обозначение букв
После цифр необходимо расшифровать буквы, входящие в маркировку. Если буква присутствует в двух первых символах, ее расшифровка производится несколькими способами. При наличии буквы R, она заменяется запятой, применяемой для десятичной дроби. Расшифровка маркировки 4R1 будет выглядеть как 4,1 пФ.
При наличии букв р, n, u, соответствующих пико-, нано- и микрофараде также выполняется замена на десятичную запятую. Обозначение n61 читается как 0,61 нФ, маркировка 5u2 соответствует 5,2 мкФ.
Маркировка керамических конденсаторов
Керамические конденсаторы обладают плоской круглой формой и двумя контактами. На корпусе кроме основных показателей, указывается допуск отклонений от номинальной емкости. С этой целью используется определенная буква, проставляемая сразу же после цифрового обозначения емкости. Например, буква «В» соответствует отклонению + 0,1 пФ, «С» — + 0,25 пФ, D — + 0,5 пФ. Эти значения применяются при емкости менее 10 пФ. У конденсаторов с емкостью более 10 пФ буквенные обозначения соответствуют определенному проценту отклонений.
Смешанная буквенно-цифровая маркировка
Маркировка допуска может состоять из буквенно-цифрового обозначения по схеме «буква-цифра-буква». Первый буквенный символ соответствует минимальной температуре, например, Z = 10 градусам, Y = -30 0 C, X = -55 0 C. Второй цифровой символ — это максимальная температура.
Цифры соответствуют следующим показателям: 2 — 45 0 С, 4 — 65 0 С, 5 — 85 0 С, 6 — 105 0 С, 7 — 125 0 С. Значение третьего буквенного символа означает изменяющуюся емкость конденсатора, в пределах между минимальной и максимальной температурой. К более точным показателям относится «А» со значением + 1,0%, а к менее точным — «V» с показателем от 22 до 82%. Чаще всего используется «R», составляющая 15%.
Прочие маркировки
Маркировка, нанесенная на корпус конденсатора, позволяет определить значение напряжения. На рисунке отражены специальные символы, соответствующие максимально допустимому напряжению для конкретного устройства. В данном случае приводятся параметры для конденсаторов, которые могут эксплуатироваться только при постоянном токе.
В некоторых случаях маркировка конденсаторов значительно упрощается. С этой целью используется только первая цифра. Например, ноль будет означать напряжение ниже 10 вольт, значение 1 — от 10 до 99 вольт, 2 — от 100 до 999 В и так далее, по такому же принципу.
Прочие маркировки касаются конденсаторов, выпущенных значительно раньше или предназначенных для особых целей. В таких случаях рекомендуется воспользоваться специальными справочниками, чтобы не допустить серьезной ошибки при сборке электрической схемы.
При сборке самодельных электронных схем поневоле сталкиваешься с подбором необходимых конденсаторов.
Притом, для сборки устройства можно использовать конденсаторы уже бывшие в употреблении и поработавшие какое-то время в радиоэлектронной аппаратуре.
Естественно, перед вторичным использованием необходимо проверить конденсаторы , особенно электролитические , которые сильнее подвержены старению.
При подборе конденсаторов постоянной ёмкости необходимо разбираться в маркировке этих радиоэлементов, иначе при ошибке собранное устройство либо откажется работать правильно, либо вообще не заработает. Встаёт вопрос, как прочитать маркировку конденсатора?
У конденсатора существует несколько важных параметров, которые стоит учитывать при их использовании.
Первое, это номинальная ёмкость конденсатора . Измеряется в долях Фарады.
Второе – допуск. Или по-другому допустимое отклонение номинальной ёмкости от указанной. Этот параметр редко учитывается, так как в бытовой радиоаппаратуре используются радиоэлементы с допуском до ±20%, а иногда и более. Всё зависит от назначения устройства и особенностей конкретного прибора. На принципиальных схемах этот параметр, как правило, не указывается.
Третье, что указывается в маркировке, это допустимое рабочее напряжение . Это очень важный параметр, на него следует обращать внимание, если конденсатор будет эксплуатироваться в высоковольтных цепях.
Итак, разберёмся в том, как маркируют конденсаторы.
Одни из самых ходовых конденсаторов, которые можно использовать – это конденсаторы постоянной ёмкости K73 – 17, К73 – 44, К78 – 2, керамические КМ-5, КМ-6 и им подобные. Также в радиоэлектронной аппаратуре импортного производства используются аналоги этих конденсаторов. Их маркировка отличается от отечественной.
Конденсаторы отечественного производства К73-17 представляют собой плёночные полиэтилентерефталатные защищённые конденсаторы. На корпусе данных конденсаторов маркировка наноситься буквенно-числовым индексом, например 100nJ, 330nK, 220nM, 39nJ, 2n2M.
Конденсаторы серии К73 и их маркировка
Правила маркировки.
Ёмкости от 100 пФ и до 0,1 мкФ маркируют в нанофарадах, указывая букву H или n .
Обозначение 100n – это значение номинальной ёмкости. Для 100n – 100 нанофарад (нФ) — 0,1 микрофарад (мкФ). Таким образом, конденсатор с индексом 100n имеет ёмкость 0,1мкФ. Для других обозначений аналогично. К примеру:
330n – 0,33 мкФ, 10n – 0,01 мкФ. Для 2n2 – 0,0022 мкФ или 2200 пикофарад (2200 пФ).
Можно встретить маркировку вида 47H C. Данная запись соответствует 47n K и составляет 47 нанофарад или 0,047 мкФ. Аналогично 22НС – 0,022 мкФ.
Для того чтобы легко определить ёмкость, необходимо знать обозначения основных дольных единиц – милли, микро, нано, пико и их числовые значения. Подробнее об этом читайте .
Также в маркировке конденсаторов К73 встречаются такие обозначения, как M47C, M10C.
Здесь, буква М условно означает микрофарад. Значение 47 стоит после М, т.е номинальная ёмкость является дольной частью микрофарады, т.е 0,47 мкФ. Для M10C — 0,1 мкФ. Получается, что конденсаторы с маркировкой M10С и 100nJ обладают одинаковой ёмкостью. Различия лишь в записи.
Таким образом, ёмкость от 0,1 мкФ и выше указывается с буквой M , m вместо десятичной запятой, незначащий ноль опускается.
Номинальную ёмкость отечественных конденсаторов до 100 пФ обозначают в пикофарадах, ставя букву П или p после числа. Если ёмкость менее 10 пФ, то ставиться буква R и две цифры. Например, 1R5 = 1,5 пФ.
На керамических конденсаторах (типа КМ5, КМ6), которые имеют малые размеры, обычно указывается только числовой код. Вот, взгляните на фото.
Керамические конденсаторы с нанесённой маркировкой ёмкости числовым кодом
Например, числовая маркировка 224 соответствует значению 220000 пикофарад, или 220 нанофарад и 0,22 мкФ. В данном случае 22 это числовое значение величины номинала. Цифра 4 указывает на количество нулей. Получившееся число является значением ёмкости в пикофарадах . Запись 221 означает 220 пФ, а запись 220 – 22 пФ. Если же в маркировке используется код из четырёх цифр, то первые три цифры – числовое значение величины номинала, а последняя, четвёртая – количество нулей. Так при 4722, ёмкость равна 47200 пФ – 47,2 нФ. Думаю, с этим разобрались.
Допускаемое отклонение ёмкости маркируется либо числом в процентах (±5%, 10%, 20%), либо латинской буквой. Иногда можно встретить старое обозначение допуска, закодированного русской буквой. Допустимое отклонение ёмкости аналогично допуску по величине сопротивления у резисторов .
Буквенный код отклонения ёмкости (допуск).
Так, если конденсатор со следующей маркировкой – M47C, то его ёмкость равна 0,047 мкФ, а допуск составляет ±10% (по старой маркировке русской буквой). Встретить конденсатор с допуском ±0,25% (по маркировке латинской буквой) в бытовой аппаратуре довольно сложно, поэтому и выбрано значение с большей погрешностью. В основном в бытовой аппаратуре широко применяются конденсаторы с допуском H , M , J , K . Буква, обозначающая допуск указывается после значения номинальной ёмкости, вот так 22nK , 220nM , 470nJ .
Таблица для расшифровки условного буквенного кода допустимого отклонения ёмкости.
| Д опуск в % | Б уквенное обозначение | |
| лат. | рус. | |
| ± 0,05p | A | |
| ± 0,1p | B | Ж |
| ± 0,25p | C | У |
| ± 0,5p | D | Д |
| ± 1,0 | F | Р |
| ± 2,0 | G | Л |
| ± 2,5 | H | |
| ± 5,0 | J | И |
| ± 10 | K | С |
| ± 15 | L | |
| ± 20 | M | В |
| ± 30 | N | Ф |
| -0…+100 | P | |
| -10…+30 | Q | |
| ± 22 | S | |
| -0…+50 | T | |
| -0…+75 | U | Э |
| -10…+100 | W | Ю |
| -20…+5 | Y | Б |
| -20…+80 | Z | А |
Маркировка конденсаторов по рабочему напряжению.
Немаловажным параметром конденсатора также является допустимое рабочее напряжение. Его стоит учитывать при сборке самодельной электроники и ремонте бытовой радиоаппаратуры. Так, например, при ремонте компактных люминесцентных ламп необходимо подбирать конденсатор на соответствующее напряжение при замене вышедших из строя. Не лишним будет брать конденсатор с запасом по рабочему напряжению.
Обычно, значение допустимого рабочего напряжения указывается после номинальной ёмкости и допуска. Обозначается в вольтах с буквы В (старая маркировка), и V (новая). Например, так: 250В, 400В, 1600V, 200V. В некоторых случаях, буква V опускается.
Иногда применяется кодирование латинской буквой. Для расшифровки следует пользоваться таблицей буквенного кодирования рабочего напряжения.
| Н оминальное рабочее напряжение , B | Б уквенный код |
| 1,0 | I |
| 1,6 | R |
| 2,5 | M |
| 3,2 | A |
| 4,0 | C |
| 6,3 | B |
| 10 | D |
| 16 | E |
| 20 | F |
| 25 | G |
| 32 | H |
| 40 | S |
| 50 | J |
| 63 | K |
| 80 | L |
| 100 | N |
| 125 | P |
| 160 | Q |
| 200 | Z |
| 250 | W |
| 315 | X |
| 350 | T |
| 400 | Y |
| 450 | U |
| 500 | V |
Таким образом, мы узнали, как определить ёмкость конденсатора по маркировке, а также по ходу дела познакомились с его основными параметрами.
Маркировка импортных конденсаторов отличается, но во многом соответствует изложенной.
Впервые столкнувшийся с видом SMD-конденсатора радиолюбитель недоумевает, как же разобраться во всех этих «квадратиках» и «бочонках», если на некоторых вообще отсутствует маркировка, а если и есть таковая, то и не поймешь, что же она обозначает. А ведь хочется идти в ногу со временем, а значит, придется разобраться все-таки, как определить принадлежность элемента платы, отличить один компонент от другого. Как оказалось, все же различия есть, и маркировка, хотя и не всегда и не на всех конденсаторах, дает представление о параметрах. Есть, конечно, SMD-компоненты и без опознавательных знаков, но обо всем по порядку. Для начала следует понять, что же представляет собой этот элемент и в чем его задача.
Работает такой компонент следующим образом. На каждую из двух пластинок, расположенных внутри, подаются разноименные заряды (полярность их разнится), которые стремятся один к другому согласно законам физики. Но «проникнуть» на противоположную пластину заряд не может по причине того, что между ними диэлектрическая прокладка, а следовательно, не найдя выхода и не имея возможности «уйти» от близлежащего противоположного полюса, накапливается в конденсаторе до заполнения его емкости.
Виды конденсаторов
Конденсаторы различаются по видам, их насчитывается всего три:
- Керамические, пленочные и им подобные неполярные не маркируются, но их характеристики легко определяются при помощи мультиметра. Диапазон емкостей от 10 пикофарад до 10 микрофарад.
- Электролитические – производятся в форме алюминиевого бочонка, маркируются, с виду напоминают обычные вводные, но монтируются на поверхности.
- Танталовые – корпус прямоугольный, размеры разные. Цвет выпуска – черный, желтый, оранжевый. Маркируются специальным кодом.
Электролитические компоненты
На таких SMD-компонентах обычно промаркирована емкость и рабочее напряжение . К примеру, это может быть 156v, что будет означать, что его характеристики – 15 микрофарад и напряжение в 6 В.
А может оказаться, что маркировка совершенно другая, например D20475. Подобный код определяет конденсатор как 4.7 мкФ 20 В. Ниже представлен перечень буквенных обозначений совместно с их эквивалентом напряжения:
- е – 2.5 В;
- G – 4 В;
- J – 6.3 В;
- A – 10 В;
- С – 16 В;
- D – 20 В;
- Е – 25 В;
- V – 35 В;
- Н – 50 В.
Полоска, равно как и срез, показывает положение ввода «+».
Керамические компоненты
Маркировка керамических SMD-конденсаторов имеет более широкое количество обозначений, хотя сам код их содержит всего 2–3 символа и цифру. Первым символом, при его наличии, обозначен производитель, второй говорит о номинальном напряжении конденсатора, ну а цифра – емкостный показатель в пкФ.
К примеру, простейшая маркировка Т4 будет означать, что емкость данного керамического конденсатора равна 5.1 × 10 в 4-й степени пкФ.
Таблица обозначений номинального напряжения представлена ниже.
Маркировка танталовых SMD-конденсаторов
Такие элементы типоразмера «а» и «в» маркируются буквенным кодом по номинальному напряжению . Таких букв 8 – это G, J, A, C, D, E, V, T. Каждая буква соответствует напряжению, соответственно – 4, 6.3, 10, 16, 20, 25, 35, 50. За ним следует емкостный код в пкФ, состоящий из трех цифр, последняя из которых будет обозначать число нулей. К примеру, маркировкой Е105 обозначен конденсатор 1 000 000 пкФ = 10 мкФ, а его номинал составит 25 В.
Размеры C, D, E маркируются прямым кодом, подобно коду электролитических конденсаторов.
Основная сложность в в том, что на данный момент, хотя и есть общепринятые правила обозначений, некоторые крупные и известные компании вводят свою систему обозначений и кодов, которая кардинально отличается от общепринятой. Делается это для того, чтобы при ремонте изготовленных ими печатных плат применялись только оригинальные детали и SMD-компоненты.
Обозначение в схемах
Вообще при ремонте и перепайке современных печатных SMD-плат удобнее всего, когда под рукой все же имеется схема, глядя на которую намного проще разобраться с тем, что установлено, узнать расположение определенной детали, потому как SMD-конденсатор по виду может совершенно не отличаться от того же транзистора. Обозначения этих деталей в схемах остались такими же, как и были до прихода на рынок чипов, а потому и емкость, и другие нужные характеристики можно также без труда найти радиолюбителю, который не сталкивался с SMD-компонентами.
В соответствии со стандартами IEC на практике применяется четыре способа кодировки номинальной емкости.
1. Кодировка 3-мя цифрами
Первые две цифры указывают на значение емкости в пикофарадах (пф), последняя — количество нулей. Когда конденсатор имеет емкость менее 10 пФ, то последняя цифра может быть «9». При емкостях меньше 1.0 пф первая цифра «0». Буква R используется в качестве десятичной запятой. Например, код 010 равен 1.0 пф, код0R5 — 0.5 пФ.
* Иногда последний ноль не указывают.
2. Кодировка 4-мя цифрами
Возможны варианты кодирования 4-значным числом. Но и в этом случае последняя цифра указывает количество нулей, а первые три — емкость в пикофарадах (pF).
3. Маркировка ёмкости в микрофарадах
Вместо десятичной точки может ставиться буква R.
4. Смешанная буквенно-цифровая маркировка ёмкости, допуска, ТКЕ, рабочего напряжения
В отличие от первых трех параметров, которые маркируются в соответствии со стандар-
тами, рабочее напряжение у разных фирм имеет различную буквенно-цифровую маркировку.
- Похожие статьи
- — Маркировка тремя цифрами. В этом случае первые две цифры определяют мантиссу, а последняя — показатель степени по основанию 10, для получения номинала в пикофарадах. Последняя цифра «9» обозначает показатель степени «-1». Если первая цифра «0», то емкость менее 1пФ (010 = 1.0пФ). Маркировка…
- — Номинал пассивных компонентов для поверхностного монтажа маркируется по определенным стандартам и не соответствует напрямую цифрам, нанесенным на корпус. Статья знакомит с этими стандартами и поможет Вам избежать ошибок при замене чип-компонентов. Основой производства современных средств…
- — Как правило кодовая маркировка дросселей содержит номинальное значение индуктивности и допуск. Номинальное значение индуктивности кодируется цифрами, а допуск буквами. Первые две цифры указывают значение в мкГн, а последняя — количество нулей. Далее следует буква указывающая допуск. Допуск…
SMD конденсаторы ввиду малых размеров маркируются используется символы и цифры. В зависимости от типа конденсатора (танталовых, электролетических, керамических и т.д.) маркировка осуществляется различными способами.
Маркировка керамических SMD конденсаторов
Код таких конденстаторов состоит их 2 или 3-х символов и цифры. Первый символ (при наличии такового) говорит о производителе
(пример K — Kemet), второй это мантиса, а цифра является показателем степени емкости в пикоФарадах.
Пример
S3 это керамический SMD конденсатор с емкростью 4.7×10 3 пФ
| Символ | Мантиса | Символ | Мантиса | Символ | Мантиса | Символ | Мантиса |
| A | 1.0 | J | 2.2 | S | 4.7 | a | 2.5 |
| B | 1.1 | K | 2.4 | T | 5.1 | b | 3.5 |
| C | 1.2 | L | 2.7 | U | 5.6 | d | 4.0 |
| D | 1.3 | M | 3.0 | V | 6.2 | e | 4.5 |
| E | 1.5 | N | 3.3 | W | 6.8 | f | 5.0 |
| F | 1.6 | P | 3.6 | X | 7.5 | m | 6.0 |
| G | 1.8 | Q | 3.9 | Y | 8.2 | n | 7.0 |
| H | 2.0 | R | 4.3 | Z | 9.1 | t | 8.0 |
коденсаторы могут иметь различные типы диэлектриков:
NP0 или C0G диэлектрик иммеет низкую диэлектрическую проницаемость и хорошую температурную стабильность. Z5U и Y5V дижлектрики обладают высокой диэлектрической проницаемостью с помощью чего достигается большая емкость конденсаторов и больший разброс параметров. X7R и Z5U широко используются в цепях общего назначения.
Диэлектрики обозначаются тремя симоволами, первые два это температурные пределы а третий это изменение емкости в % в данном интревале температур.
Z5U — точность +22, -56% в диапазоне температур от -55 o C до -125 o C до
| Температурный диапазон | Изменение емкости | ||||
| Первый символ | Нижний предел | Второй символ | Верхний предел | Третий символ | Точность |
| X | +10 o C | 2 | +45 o C | A | 1.0% |
| Y | -30 o C | 4 | +65 o C | B | 1.5% |
| Z | -55 o C | 5 | +85 o C | C | 2.2% |
| 6 | +105 o C | D | 3.3% | ||
| 7 | +125 o C | E | 4.7% | ||
| 8 | +150 o C | F | 7.5% | ||
| 9 | +200 o C | P | 10% | ||
| R | 15% | ||||
| S | 22% | ||||
| T | +22%,-33% | ||||
| U | +22%,-56% | ||||
| V | +22%,-82% | ||||
Маркировка электролитических SMD конденсаторов
Для маркировки таких конденсаторов также используется символьно — цифровая маркировка в которую добавляется рабочее напряжение. Обозгачение состоит из 1-го символа и 3-х цифр. Символ означает рабочее напряжение
A475 А — это рабочее напряжение, 47-значение, 5-мантиса.
A475 = 47×10 5 пФ=4,7×10 6 пФ=4,7мФ 10В.
- e-2.5В;
- G-4В;
- J-6.3В;
- A-10В;
- C-16В;
- D-20В;
- E-25В;
- V-35В;
- H-50В.
Существует также и другая маркировка используемые такими широко известными фирмами как Panasonic, Hitach и другие. Кодировние осуществляется 3-мя основными способами кодирования
Первый способ:
Маркировка осуществлется при помощи 3-х символов, первый это рабочее напряжение, второй это значение емкость третий это множитель. Если указаны только два символа то это означает что не указано рабочее напряжение (3-й символ).
| Код | Емкость | Напряжение | Код | Емкость | Напряжение |
| A6 | 1.0 | 16/35 | ES6 | 4,7 | 25 |
| A7 | 10 | 4 | EW5 | 0,68 | 25 |
| AA7 | 10 | 10 | GA7 | 10 | 4 |
| AE7 | 15 | 10 | GE7 | 15 | 4 |
| AJ6 | 2,2 | 10 | GJ7 | 22 | 4 |
| AJ7 | 22 | 10 | GN7 | 33 | 4 |
| AN6 | 3,3 | 10 | GS6 | 4,7 | 4 |
| AN7 | 33 | 10 | GS7 | 47 | 4 |
| AS6 | 4,7 | 10 | GW6 | 6,8 | 4 |
| AW6 | 6,8 | 10 | GW7 | 68 | 4 |
| CA7 | 10 | 16 | J6 | 2,2 | 6.3/7/20 |
| CE7 | 15 | 16 | JE7 | 15 | 6.3/7 |
| CJ6 | 4,7 | 10 | GW6 | 6,8 | 4 |
| CN6 | 3,3 | 16 | JN6 | 3,3 | 6,3/7 |
| CS6 | 4,7 | 16 | JN7 | 33 | 6,3/7 |
| CW6 | 6,8 | 16 | JS6 | 4,7 | 6,3/7 |
| DA6 | 1,0 | 10 | JS7 | 47 | 6,3/7 |
| DA7 | 10 | 20 | JW6 | 6,8 | 6,3/7 |
| DE6 | 1,5 | 20 | N5 | 0,33 | 35 |
| DJ6 | 2,2 | 20 | N6 | 3,3 | 4/16 |
| DN6 | 3,3 | 20 | S5 | 0,47 | 25/35 |
| DS6 | 4,7 | 20 | VA6 | 1,0 | 35 |
| DW6 | 6,8 | 20 | VE6 | 1,5 | 35 |
| E6 | 1,5 | 10/25 | VJ6 | 2,2 | 35 |
| EA6 | 1,0 | 25 | VN6 | 3,3 | 35 |
| EE6 | 1,5 | 25 | VS5 | 0,47 | 35 |
| EJ6 | 2,2 | 25 | VW5 | 0,68 | 35 |
| EN6 | 3,3 | 25 | W5 | 0,68 | 20/35 |
Второй способ:
Маркировка четырмя символами (буквами и цифрами), которые обозначают номинальную емкость и рабочее напряжение. Первый символ (буква) означает рабочее напряжение, следующие за ним 2 символа (цифры) означают емкость в пф, а последний символ(цифра) это количество нулей. Такая маркировка конденсаторов имеет 2 варианта.
Как неотъемлемые элементы всех без исключения электрических схем конденсаторы отличаются большим разнообразием вариантов конструктивного исполнения. Они выпускаются многими производителями по всему миру с применением различных технологий. Как следствие, маркировка имеет множество вариантов в соответствии с внутренними стандартами производителя, что делает попытки расшифровывать обозначения трудной задачей.
Зачем нужна маркировка
Задачей маркировки стоит соответствие каждого конкретного элемента определенным значениям рабочей характеристики. Маркировка конденсаторов включает в себя следующее:
- собственно, емкость – основная характеристика;
- максимально допустимое значение напряжения;
- температурный коэффициент емкости;
- допустимое отклонение емкости от номинального значения;
- полярность;
- год выпуска.
Максимальное значение напряжения важно тем, что при превышении его значения происходят необратимые изменения в элементе, вплоть до его разрушения.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) характеризует изменение ёмкости при колебаниях температуры окружающей среды или корпуса элемента. Данный параметр крайне важен, когда конденсатор используется в частотозадающих цепях или в качестве элемента фильтра.
Допустимое отклонение означает точность, с которой возможно отклонение номинальной емкости конденсаторов.
Полярность подключения в основном характерна для электролитических конденсаторов. Несоблюдение полярности включения, в лучшем случае, приведет к тому, что реальная ёмкость элемента будет сильно занижена, а в реальности элемент практически мгновенно выйдет из строя из-за механического разрушения в результате перегрева или электрического пробоя.
Наибольшее отличие в принципах маркировки конденсаторов наблюдается в радиоэлементах, выпущенных за рубежом и предприятиями на постсоветском пространстве. Все предприятия бывшего СССР и те, что продолжают работать сейчас, кодируют выпускаемую продукцию по единому стандарту с небольшими отличиями.
Маркировка отечественных конденсаторов
Многие отечественные радиоэлементы отличаются максимально полной маркировкой, при чтении которой можно почерпнуть большинство возможных характеристик элемента.
Емкость
На первом месте стоит основная характеристика – электрическая емкость. Она имеет буквенно-цифровое обозначение. Для букв применяются следующие символы латинского, греческого или русского алфавита:
- p или П – пикофарада, 1 pF = 10-3 nF = 10-6 μF = 10-9 mF = 10-12 F;
- n или Н – нанофарада, 1 nF = 10-3 μF = 10-6 mF = 10-9 F;
- μ или М – микрофарада, 1 μF = 10-3 mF = 10-6 F;
- m или И – миллифарада, 1 mF = 10-3 F;
- F или Ф – фарада.
Буква, обозначающая величину, ставится на месте запятой в дробном обозначении. Например:
- 2n2 = 2.2 нанофарад или 2200 пикофарад;
- 68n = 68 нанофарад или 0,068 микрофарад;
- 680n или μ68 = 0.68 микрофарад.
Обратите внимание! Обозначение емкости в миллифарадах встречается крайне редко, а такая величина как фарада является очень большой и также не имеет особого распространения.
Допустимое отклонение
Значения ёмкостей, указанные на корпусе, не всегда соответствует реальному значению. Это отклонение характеризует точность изготовления детали и определения его номинала. Величина разброса параметров может быть от тысячных долей процента у прецизионных деталей до десятков процентов у электролитических конденсаторов, предназначенных для фильтрации пульсаций в цепях питания, где точные цифры не имеют особого значения.
Величина допустимого отклонения обозначается буквами латинского алфавита или русскими буквами у радиодеталей старых годов выпуска.
Температурный коэффициент емкости
Маркировка ТКЕ довольно сложна, а поскольку данная величина критична в основном для малогабаритных элементов времязадающих цепей, то возможна как цветная кодировка, так и использование буквенных обозначений или комбинации обоих типов. Таблица возможных вариантов значений встречается в любом справочнике по отечественным радиокомпонентам.
Многие керамические конденсаторы, как и плёночные, имеют определенные нюансы в маркировке ТКЕ. Данные случаи оговариваются ГОСТами на соответствующие элементы.
Номинальное напряжение
Напряжение, при котором сохраняется работоспособность элемента с сохранением характеристик в заданных пределах, называется номинальным. Обычно обозначается верхний порог номинального напряжения, превышать который запрещается ввиду возможного выхода элемента из строя.
В зависимости от габаритов, возможны варианты как цифрового, так и буквенного обозначения номинального напряжения. Если позволяют габариты корпуса, то напряжение до 800 В обозначается в единицах вольт с символом V (или В для старых конденсаторов) или без него. Более высокие значения наносятся на корпус в виде единиц киловольт с обозначением символами kV или кВ.
Малогабаритные конденсаторы имеют кодированное буквенное обозначение напряжения, для чего используются буквы латинского алфавита, каждая из которых соответствует определенной величине напряжения.
Год и месяц выпуска
Дата производства также имеет буквенное обозначение. Каждому году соответствует буква латинского алфавита. Месяцы с января по сентябрь обозначаются цифрой, соответственно, от 1 до 9, октябрю соответствует 0, ноябрю буква N, декабрю – D.
Обратите внимание! Кодированное обозначение года выпуска одинаково с другими радиоэлементами.
Расположение маркировки на корпусе
Маркировка керамических конденсаторов в первой строке на корпусе имеет значение емкости. В той же строке без каких-либо разделительных знаков или, если не позволяют габариты, под обозначением емкости наносится значение допуска.
Подобным же методом наносится маркировка пленочных конденсаторов.
Дальнейшее расположение элементов регламентируется ГОСТ или ТУ на каждый конкретный тип элементов.
Цветовая маркировка отечественных радиоэлементов
С распространением линий автоматического монтажа нашла применение цветовая маркировка конденсаторов. Наибольшее распространение получила четырехцветная маркировка при помощи цветных полос.
Первые две полосы означают номинальную емкость в пикофарадах и множитель, третья полоса – допустимое отклонение, четвертая – номинальное напряжение. Например, на корпусе имеется желтая, голубая, зеленая и фиолетовая полосы. Следовательно, элемент имеет такие характеристики: емкость – 22*106 пикофарад (22 μF), допустимое отклонение от номинала – ±5%, номинальное напряжение – 50 В.
Первая цветная полоса (в данном случае, которая имеет желтый цвет) делается более широкой или располагается ближе к одному из выводов. Также следует ориентироваться по цвету крайних полос. Такой цвет, как серебряный, золотой и черный, не может быть первым, поскольку обозначает множитель или ТКЕ.
Маркировка конденсаторов импортного производства
Для обозначения импортных, а в последние годы и отечественных радиоэлементов приняты рекомендации стандарта IEC, согласно которому на корпусе радиоэлемента наносится кодовая маркировка из трех цифр. Первые две цифры кода обозначают емкость в пикофарадах, третья цифра – число нулей. Например, цифры 476 означают емкость 47000000 pF (47 μF). Если емкость меньше 1 pF, то первая цифра 0, а символ R ставится вместо запятой. Например, 0R5 – 0,5 pF.
Для высокоточных деталей применяется четырехзнаковая кодировка, где первые три знака определяют емкость, а четвертый – количество нулей. Обозначение допуска, напряжения и прочих характеристик определяется фирмой-производителем.
Цветовая маркировка импортных конденсаторов
Цветовое обозначение конденсаторов строится по тому же принципу, что и у резисторов. Первые две полосы означают емкость в пикофарадах, третья полоса – количество нулей, четвертая – допустимое отклонение, пятая – номинальное напряжение. Полос может быть и меньше, если нет необходимости в обозначении напряжения или допуска. Первая полоса делается шире или у одного из выводов. Синие цвета отсутствуют. Вместо них используются голубые полосы.
Обратите внимание! Две соседние полосы одинакового цвета могут не иметь между собой промежутка, сливаясь в широкую полосу.
Маркировка SMD компонентов
SMD компоненты для поверхностного монтажа имеют очень малые размеры, поэтому для них разработана сокращенная буквенно-цифровая кодировка. Буква означает значение емкости в пикофарадах, цифра – множитель в виде степени десяти, например G4 – 1.8*105 пикофарад (180 nF). Если спереди две буквы, то первая означает производителя компонента или рабочее напряжение.
Электролитические конденсаторы SMD могут иметь на корпусе значение основного параметра в виде десятичной дроби, где вместо точки может быть вставлен символ μ (напряжение обозначается буквой V (5V5 – 5.5 вольт) или могут иметь кодированное значение, зависящее от производителя. Положительный вывод обозначается полосой на корпусе.
Маркировка конденсаторов имеет большое число вариантов. Особенно этим отличаются импортные конденсаторы. Часто можно встретить малогабаритные элементы, которые вовсе не имеют каких-либо обозначений. Определить параметры можно только непосредственным измерением или, глядя на обозначение конденсаторов на электрической схеме. Произведенные разными фирмами радиоэлементы могут иметь схожие обозначения, но различные параметры. Здесь расшифровка обозначений должна базироваться на том, какой производитель выпускает преимущественное количество подобных элементов в конкретном устройстве.
Видео
Конденсаторы Panasonic. Часть 3. Полимеры
16 августа 2019
Виктор Чистяков (г. Малоярославец)
Преимущества полимерных и полимерно-гибридных конденсаторов Panasonic над остальными типами конденсаторов – прекрасные частотные характеристики, самовосстановление, стабильная емкость и увеличенный срок службы.
На сегодняшний день среди выпускаемых Panasonic конденсаторов имеются четыре семейства с использованием электропроводящих полимеров (одно из них гибридное): SP-Cap, POSCAP, OS-CON, Hybrid. SP-Cap выполнены в низкопрофильном корпусе SMD. Они выделяются небольшим эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и столь же малым значением ESL (эквивалентной последовательной индуктивности), также у них – повышенное рабочее напряжение.
Полимерно-танталовые POSCAP также выпускаются в компактном корпусе SMD, они имеют низкое ESR, повышенные емкость и рабочее напряжение. OS-CON выпускаются как в SMD, так и в цилиндрических корпусах. Они выделяются высоким рабочим напряжением и допускают повышенные пульсации тока.
Гибридные конденсаторы с проводящим полимером имеют увеличенное рабочее напряжение (80 В). У них низкое ESR, а прогнозируемая длительность эксплуатации (Endurance) составляет 4000 часов при рабочей температуре 125℃.
Все разновидности этих конденсаторов обладают целым рядом преимуществ в сравнении с обычными устройствами – керамикой, танталами, пленкой, электролитами. Особенности полимерной структуры этих конденсаторов представлены на рисунке 1. Как видим, электроды изготавливают из разных материалов, а в качестве электролита везде применяют электропроводящий полимер. Электроды делают из серебра, алюминия или тантала. Изолирующую пленку изготавливают из оксида алюминия или тантала.
Рис. 1. Структуры полимерных конденсаторов
В многослойных SP-Cap используют полимерный электролит и анод из алюминия. Диапазон номинальных емкостей у этого семейства 10…560 мкФ, а номинальные напряжения 2…35 В. Конденсаторы SP-Cap отличаются очень небольшим ESR: 3 миллиома и менее. Это одни из самых малых значений.
SP-Cap имеют компактный низкопрофильный корпус из компаунда (рисунок 2), они широко применяются в портативной электронике.
Рис. 2. Полимер-алюминиевые конденсаторы SP-Cap
Конденсаторы OS-CON (рисунок 3) в цилиндрическом корпусе также используют электропроводящий полимер и алюминий. Номинальное напряжение у них 2…100 В, а емкость — 3,3…2700 мкФ. ESR у некоторых серий достигает 5 мОм. OS-CON также предназначены для поверхностного монтажа, но они и не столь компактные, как многослойные SP-Cap.
Рис. 3. Рулонные полимер-алюминиевые конденсаторы OS-CON
Конденсаторы POSCAP (рисунок 4) имеют танталовый анод и электролит из электропроводящего полимера. Рабочее напряжение составляет 2…35 В, данные конденсаторы имеют малые значения ESR и ESL, а номинальная емкость в диапазоне 3,9…1500 мкФ имеет стабильное значение в широкой полосе частот и при повышенной температуре.
Рис. 4. Полимер-танталовые конденсаторы POSCAP
В полимер-гибридных конденсаторах (рисунок 5) используют электролит совместно с электропроводящим полимером. В этом случае достигается повышенная проводимость и малое ESR. Жидкий электролит помогает работать при повышенном напряжении, а увеличенная эффективная поверхность электродов обеспечивает повышенную емкость. Рабочее напряжение гибридных конденсаторов составляет 25…80 В, а емкость 10…470 мкФ. Величина ESR находится в диапазоне 20…120 мОм. Она выше, чем у остальных полимерных семейств, но для цепей повышенной мощности все равно достаточно малая.
Рис. 5. Полимер-гибридные алюминиевые конденсаторы
В таблице 1 перечислены основные характеристики и различия полимерных семейств. Более детально познакомиться с особенностями технологии можно, посмотрев видеоролик.
Таблица 1. Сравнение полимерных конденсаторов Panasonic
| Наименование | SP-Cap | POSCA | OS-CON | Hybrid |
|---|---|---|---|---|
| Конструкция | Алюминий-полимерный (многослойный) | Полимерный танталовый | Алюминий-полимерный (рулонный) | Алюминиевый гибридный (полимер/электролит) |
| Номинальное напряжение, В | 2…35 | 2…35 | 2…100 | 25…80 |
| Емкость, мкФ | 10…560 | 3,9…1500 | 3,3…2700 | 10…470 |
| Рабочая температура, °C | -40…125 | -55…125 | -55…105, -55…125 | -55…105, -55…125 |
| Срок службы, ч | 1000 при 125°C (понижение на 20°C увеличивает срок в 10 раз) | 1000 при 125°C (понижение на 20°C увеличивает срок в 10 раз) | 2000 при 125°C (понижение на 20°C увеличивает срок в 10 раз) | 10000 при 105°C, 4000 при 125°C |
| ESR, мОм | до 3 | до 5 | до 5 | до 20 |
| Пульсирующий ток (Ripple), Аrms | до 10,2 | до 6,1 | 7,2 | 2,8 |
| Площадь на плате, мм | 7,3×4,3 | 2×1,25…7,3×4,3 | Ø4…10 | Ø5…10 |
| Высота, мм | 1,1…2 | 0,9…4 | 5,5…13 | 5,8…10,2 |
| Достоинства | Сверх низкое ESR, низкий профиль и приемлемая стоимость | Малый размер, большая емкость и низкое ESR | Высокое рабочее напряжение, большой ток пульсаций | Достаточно низкое ESR, c учетом повышенного рабочего напряжения |
Преимущества полимерных конденсаторов
При всех имеющихся различиях в конструкции и материалах, все четыре полимерных семейства конденсаторов Panasonic обладают и общим рядом важных достоинств в сравнении с другими популярными сегодня типами электролитических конденсаторов.
Прекрасные частотные характеристики
Благодаря очень малому ESR все полимерные семейства отличает пониженный импеданс в резонансной области частот, что позволяет пропускать через них повышенный импульсный ток в цепях питания. При тестировании оказалось, что пиковое импульсное напряжение при фильтрации помех (AC Ripple) здесь в пять раз ниже, чем на обычных танталовых конденсаторах, также отличающихся низким ESR.
Рис. 6. Сглаживание пульсаций тока на выходе источника питания
Механизм самовосстановления
Обеспечить повышенную надежность и безопасность в сложных условиях эксплуатации при повышенной температуре помогает присущий полимерным конденсаторам механизм самовосстановления.
Бывает так, что при перегрузках по напряжению, а также из-за случайных механических воздействий в обычном электролитическом конденсаторе происходит пробой диэлектрика, вызывающий выход конденсатора из строя, иногда с полным разрушением и опасными последствиями в виде возгорания.
Можно сказать, что присущий полимерным конденсаторам механизм самовосстановления купирует последствия пробоя диэлектрика за счет самоизоляции поврежденного участка, происходящего при разогреве полимера непосредственно возникающим током короткого замыкания.
Поэтому для полимерных конденсаторов гарантированно допустимыми являются условия эксплуатации при 90% от максимального напряжения. Тогда как для обычных танталовых конденсаторов безопасные условия выбирают с запасом по рабочему напряжению 50% и выше.
Стабильная емкость
Основной параметр конденсаторов – это электрическая емкость, она остается у полимерных конденсаторов неизменной или почти стабильной при повышенном напряжении смещения DC Bias (рисунок 7), а также при изменении температуры (рисунок 8) и частоты. В этом отношении полимерные конденсаторы выгодно отличаются от керамических, которые могут терять до 90% номинальной емкости.
Рис. 7. Изменение емкости конденсаторов в зависимости от напряжения смещения
Рис. 8. Изменение емкости конденсаторов в зависимости от температуры
Полимерные конденсаторы не вызывают присущего многослойным керамическим конденсаторам (MLCC) акустического шума. Причиной шума керамики является пьезоэффект при подведении к выводам напряжения с периодически меняющейся полярностью. Из-за этого конденсатор генерирует незначительные вибрации, которые распространяются по всей монтажной плате, как показано на рисунке 9.
Рис. 9. Полимерные конденсаторы не вызывают акустического шума
В таблице 2 указаны наилучшие параметры полимерных конденсаторов Panasonic.
Таблица 2. Наилучшие параметры полимерных семейств конденсаторов Panasonic
| Наилучший параметр | Максимальное напряжение, В | Максимальная емкость, мкФ | Минимальное ESR, мОм | Наименьший размер |
|---|---|---|---|---|
| Значение | 100/80 | 2700 | 3 | Размер 2012 |
| Наименование | OS-CON/Hybrid | OS-CON | SP-Cap | SP-Cap |
Срок службы
Обычные электролитические конденсаторы имеют довольно ограниченный срок службы в связи с высыханием имеющего жидкостную консистенцию электролита. Полимерный электролит не имеет таких проблем со старением, а конденсаторы отличаются увеличенным сроком эксплуатации даже при повышенной рабочей температуре.
В таблицах 3 и 4 представлен заявленный срок службы для полимерных электролитических конденсаторов Panasonic.
Таблица 3. Срок службы гибридных конденсаторов Panasonic
| Гибридные конденсаторы | |
|---|---|
| Температура, °С | Срок службы, час. |
| 125 | 4000 |
| 115 | 8000 |
| 105 | 16000 |
| 95 | 32000 |
| 85 | 64000 |
| 75 | 128000 |
Таблица 4. Срок службы конденсаторов Panasonic OS-CON, SP-Cap и POSCAP
| OS-CON, SP-Cap, POSCAP | |
|---|---|
| Температура, °С | Срок службы, час. |
| 125 | 1000 |
| 105 | 10000 |
| 85 | 100000 |
Снижение рабочей температуры гибридных конденсаторов на каждые 10°С вызывает двукратное продление срока эксплуатации. А для семейств OS-CON, SP-Cap и POSCAP снижение рабочей температуры на каждые 20°С приводит к десятикратному продлению этого параметра.
Применение полимерных конденсаторов
По целому ряду параметров полимерные конденсаторы превосходят традиционные танталовые и многослойные керамические конденсаторы (MLCC). Поэтому их часто применяют в электрических цепях развязки для фильтрации и сглаживания напряжения питания. При выборе конденсаторов в дополнение к электрическим параметрам учитывают их размер, форму и стоимость.
Например, применение полимерных конденсаторов вместо MLCC позволяет ускорить разработку электронных схем, упростить конструкцию и минимизировать занимаемое на плате пространство.
За счет сверхмалого ESR полимерные конденсаторы стали альтернативой привычным танталовым и оптимальной заменой керамических конденсаторов (MLCC). Преимущества, связанные с заменой керамики полимерами, иллюстрирует рисунок 10. Два конденсатора семейства POS-CAP способны заменить 18 MLCC в фильтре после входного AC/DC-преобразователя. А один SP-CAP заменяет 15 MLCC в фильтре после вторичного источника питания DC/DC.
Рис. 10. Преимущества, связанные с заменой кремниевых конденсаторов полимерными
С учетом всего вышесказанного о достоинствах полимерных конденсаторов, полезными будут и рекомендации Panasonic по выбору фильтрующих конденсаторов на выходе вторичных источников питания (AC/DC и DC/DC) в сложной электронной схеме, как показано на рисунке 11 и описано в таблице 3.
Рис. 11. Примеры применения полимерных конденсаторов в цепях AC/DC и DC/DC
Таблица 5. Выбор фильтрующих полимерных конденсаторов для вторичных источников питания
| Позиция | Требования | SP-Cap | POSCAP | OS-CON | Hybrid |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Высокое напряжение (63…100 В), большой ток пульсаций (до 2,95 Аrms) | – | – | Серии SXV | Серии ZA |
| 2 | Высокое напряжение (63…100 В), низкое ESR (до 8 мОм) | – | – | Серии SVPK | Серии ZS |
| 3 | Большой ток пульсаций (Ripple Current), малый размер, низкий профиль | Серии CX | Серии TQS | Серии SVPF | – |
| 4 | Малое ESR/большая емкость | Серии S, L, G | Серии TPE, TPF | – | |
| 5 | Большой ток пульсаций | – | – | – | Серии ZK |
Конденсаторы на основе полимерной технологии Panasonic находят широкое применение в наиболее ответственных и работающих в жестких условиях системах управления, в телекоммуникационном оборудовании, в беспроводных системах и в радиосвязи, в промышленных электродвигателях и электроприводах, в измерительных приборах, в электромобилях и электропоездах (рисунок 12).
Рис. 12. Основные области применения полимерных конденсаторов Panasonic
Заключение
За последние несколько лет ассортимент электролитических конденсаторов значительно пополнился благодаря применению полимерных технологий. Полимерные конденсаторы впервые появились в 1990-х годах. С тех пор они непрерывно совершенствуются. В сравнении с традиционными конденсаторами, новые конструкции и параметры полимерных изделий зачастую значительно расширяют возможности разработчиков электронной техники. Эту особенность новинок демонстрируют использующие преимущества проводящих полимеров семейства Panasonic SP-Cap, POSCAP, OS-CON и Hybrid.
Более детально разобраться с особенностями применения конденсаторов Panasonic на основе полимерной технологии вы сможете в следующей, заключительной статье из цикла «Конденсаторы Panasonic».
Литература
- Understanding polimer and hybrid capacitors
- Polymer capacitor vs.mlccs
- Short on MLCCs? S.O.S. Choose Panasonic Polymer Series!
- Polymer capacitors speed up your design – the next stage of low esr
- Polymer capacitors. Speed up your FPGA design
Список ранее опубликованных глав
- Виктор Чистяков. Конденсаторы Panasonic. Часть 1. Алюминий
- Виктор Чистяков. Конденсаторы Panasonic. Часть 2. Пленка
•••
Наши информационные каналы
Планарный конденсатор. Территория электротехнической информации WEBSOR
Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.
При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.
Свою родословную конденсаторы ведут от , которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.
Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой — станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.
Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.
В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.
Как устроен конденсатор
Устройство конденсатора практически ничем не отличается от лейденской банки: все те же две обкладки, разделенные диэлектриком. Именно так на современных электрических схемах изображаются конденсаторы. На рисунке 1 показано схематичное устройство плоского конденсатора и формула для его расчета.
Рисунок 1. Устройство плоского конденсатора
Здесь S — площадь пластин в квадратных метрах, d — расстояние между пластинами в метрах, C — емкость в фарадах, ε — диэлектрическая проницаемость среды. Все величины, входящие в формулу, указаны в системе СИ. Эта формула справедлива для простейшего плоского конденсатора: можно просто расположить рядом две металлические пластины, от которых сделаны выводы. Диэлектриком может служить воздух.
Из этой формулы можно понять, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними. Для конденсаторов с другой геометрией формула может быть иной, например, для емкости одиночного проводника или . Но зависимость емкости от площади пластин и расстояния между ними та же, что и у плоского конденсатора: чем больше площадь и чем меньше расстояние, тем больше емкость.
На самом деле пластины не всегда делаются плоскими. У многих конденсаторов, например металлобумажных, обкладки представляют собой алюминиевую фольгу свернутую вместе с бумажным диэлектриком в плотный клубок, по форме металлического корпуса.
Для увеличения электрической прочности тонкая конденсаторная бумага пропитывается изолирующими составами, чаще всего трансформаторным маслом. Такая конструкция позволяет делать конденсаторы с емкостью до нескольких сотен микрофарад. Примерно так же устроены конденсаторы и с другими диэлектриками.
Формула не содержит никаких ограничений на площадь пластин S и расстояние между пластинами d. Если предположить, что пластины можно развести очень далеко, и при этом площадь пластин сделать совсем незначительной, то какая-то емкость, пусть небольшая, все равно останется. Подобное рассуждение говорит о том, что даже просто два проводника, расположенные по соседству, обладают электрической емкостью.
Этим обстоятельством широко пользуются в высокочастотной технике: в некоторых случаях конденсаторы делаются просто в виде дорожек печатного монтажа, а то и просто двух скрученных вместе проводков в полиэтиленовой изоляции. Обычный провод-лапша или кабель также обладают емкостью, причем с увеличением длины она увеличивается.
Кроме емкости C, любой кабель обладает еще и сопротивлением R. Оба этих физических свойства распределены по длине кабеля, и при передаче импульсных сигналов работают как интегрирующая RC — цепочка, показанная на рисунке 2.
Рисунок 2.
На рисунке все просто: вот схема, вот входной сигнал, а вот он же на выходе. Импульс искажается до неузнаваемости, но это сделано специально, для чего и собрана схема. Пока же речь идет о влиянии емкости кабеля на импульсный сигнал. Вместо импульса на другом конце кабеля появится вот такой «колокол», а если импульс короткий, то он может и вовсе не дойти до другого конца кабеля, вовсе пропасть.
Исторический факт
Здесь вполне уместно вспомнить историю о том, как прокладывали трансатлантический кабель. Первая попытка в 1857 году потерпела неудачу: телеграфные точки — тире (прямоугольные импульсы) искажались так, что на другом конце линии длиной 4000 км разобрать ничего не удалось.
Вторая попытка была предпринята в 1865 году. К этому времени английский физик У. Томпсон разработал теорию передачи данных по длинным линиям. В свете этой теории прокладка кабеля оказалась более удачной, сигналы принять удалось.
За этот научный подвиг королева Виктория пожаловала ученого рыцарством и титулом лорда Кельвина. Именно так назывался небольшой город на побережье Ирландии, где начиналась прокладка кабеля. Но это просто к слову, а теперь вернемся к последней букве в формуле, а именно, к диэлектрической проницаемости среды ε.
Немножко о диэлектриках
Эта ε стоит в знаменателе формулы, следовательно, ее увеличение повлечет за собой возрастание емкости. Для большинства используемых диэлектриков, таких как воздух, лавсан, полиэтилен, фторопласт эта константа практически такая же, как у вакуума. Но вместе с тем существует много веществ, диэлектрическая проницаемость которых намного выше. Если воздушный конденсатор залить ацетоном или спиртом, то его емкость возрастет раз в 15…20.
Но подобные вещества обладают кроме высокой ε еще и достаточно высокой проводимостью, поэтому такой конденсатор заряд держать будет плохо, он быстро разрядится сам через себя. Это вредное явление называется током утечки. Поэтому для диэлектриков разрабатываются специальные материалы, которые позволяют при высокой удельной емкости конденсаторов обеспечивать приемлемые токи утечки. Именно этим и объясняется такое разнообразие видов и типов конденсаторов, каждый из которых предназначен для конкретных условий.
Наибольшей удельной емкостью (соотношение емкость / объем) обладают . Емкость «электролитов» достигает до 100 000 мкФ, рабочее напряжение до 600В. Такие конденсаторы работают хорошо только на низких частотах, чаще всего в фильтрах источников питания. Электролитические конденсаторы включаются с соблюдением полярности.
Электродами в таких конденсаторах является тонкая пленка из оксида металлов, поэтому часто эти конденсаторы называют оксидными. Тонкий слой воздуха между такими электродами не очень надежный изолятор, поэтому между оксидными обкладками вводится слой электролита. Чаще всего это концентрированные растворы кислот или щелочей.
На рисунке 3 показан один из таких конденсаторов.
Рисунок 3. Электролитический конденсатор
Чтобы оценить размеры конденсатора рядом с ним сфотографировался простой спичечный коробок. Кроме достаточно большой емкости на рисунке можно разглядеть еще и допуск в процентах: ни много ни мало 70% от номинальной.
В те времена, когда компьютеры были большими и назывались ЭВМ, такие конденсаторы стояли в дисководах (по-современному HDD). Информационная емкость таких накопителей теперь может вызвать лишь улыбку: на двух дисках диаметром 350 мм хранилось 5 мегабайт информации, а само устройство весило 54 кг.
Основным назначением показанных на рисунке суперконденсаторов был вывод магнитных головок из рабочей зоны диска при внезапном отключении электроэнергии. Такие конденсаторы могли хранить заряд несколько лет, что было проверено на практике.
Чуть ниже с электролитическими конденсаторами будет предложено проделать несколько простых опытов, чтобы понять, что может делать конденсатор.
Для работы в цепях переменного тока выпускаются неполярные электролитические конденсаторы, вот только достать их почему-то очень непросто. Чтобы как-то эту проблему обойти, обычные полярные «электролиты» включают встречно-последовательно: плюс-минус-минус-плюс.
Если полярный электролитический конденсатор включить в цепь переменного тока, то сначала он будет греться, а потом раздастся взрыв. Отечественные старые конденсаторы разлетались во все стороны, импортные же имеют специальное приспособление, позволяющее избежать громких выстрелов. Это, как правило, либо крестовая насечка на донышке конденсатора, либо отверстие с резиновой пробкой, расположенное там же.
Очень не любят электролитические конденсаторы повышенного напряжения, даже если полярность соблюдена. Поэтому никогда не надо ставить «электролиты» в цепь, где предвидится напряжение близкое к максимальному для данного конденсатора.
Иногда в некоторых, даже солидных форумах, начинающие задают вопрос: «На схеме означен конденсатор 470µF * 16V, а у меня есть 470µF * 50V, можно ли его поставить?». Да, конечно можно, вот обратная замена недопустима.
Конденсатор может накапливать энергию
Разобраться с этим утверждением поможет простая схема, показанная на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема с конденсатором
Главным действующим лицом этой схемы является электролитический конденсатор C достаточно большой емкости, чтобы процессы заряда — разряда протекали медленно, и даже очень наглядно. Это дает возможность наблюдать работу схемы визуально с помощью обычной лампочки от карманного фонаря. Фонари эти давно уступили место современным светодиодным, но лампочки для них продаются до сих пор. Поэтому, собрать схему и провести простые опыты очень даже просто.
Может быть, кто-то скажет: «А зачем? Ведь и так все очевидно, да если еще и описание почитать…». Возразить тут, вроде, нечего, но любая, даже самая простая вещь остается в голове надолго, если ее понимание пришло через руки.
Итак, схема собрана. Как она работает?
В положении переключателя SA, показанном на схеме, конденсатор C заряжается от источника питания GB через резистор R по цепи: +GB __ R __ SA __ C __ -GB. Зарядный ток на схеме показан стрелкой с индексом iз. Процесс заряда конденсатора показан на рисунке 5.
Рисунок 5. Процесс заряда конденсатора
На рисунке видно, что напряжение на конденсаторе возрастает по кривой линии, в математике называемой экспонентой. Ток заряда прямо-таки зеркально отражает напряжение заряда. По мере того, как напряжение на конденсаторе растет, ток заряда становится все меньше. И только в начальный момент соответствует формуле, показанной на рисунке.
Через некоторое время конденсатор зарядится от 0В до напряжения источника питания, в нашей схеме до 4,5В. Весь вопрос в том, как это время определить, сколько ждать, когда же конденсатор зарядится?
Постоянная времени «тау» τ = R*C
В этой формуле просто перемножаются сопротивление и емкость последовательно соединенных резистора и конденсатора. Если, не пренебрегая системой СИ, подставить сопротивление в Омах, емкость в Фарадах, то результат получится в секундах. Именно это время необходимо для того, чтобы конденсатор зарядился до 36,8% напряжения источника питания. Соответственно для заряда практически до 100% потребуется время 5* τ.
Часто, пренебрегая системой СИ, подставляют в формулу сопротивление в Омах, а емкость в микрофарадах, тогда время получится в микросекундах. В нашем случае результат удобнее получить в секундах, для чего придется микросекунды просто умножить на миллион, а проще говоря, переместить запятую на шесть знаков влево.
Для схемы, показанной на рисунке 4, при емкости конденсатора 2000мкФ и сопротивлении резистора 500Ω постоянная времени получится τ = R*C = 500 * 2000 = 1000000 микросекунд или ровно одна секунда. Таким образом, придется подождать приблизительно 5 секунд, пока конденсатор зарядится полностью.
Если по истечении указанного времени переключатель SA перевести в правое положение, то конденсатор C разрядится через лампочку EL. В этот момент получится короткая вспышка, конденсатор разрядится и лампочка погаснет. Направление разряда конденсатора показано стрелкой с индексом iр. Время разряда также определяется постоянной времени τ. График разряда показан на рисунке 6.
Рисунок 6. График разряда конденсатора
Конденсатор не пропускает постоянный ток
Убедиться в этом утверждении поможет еще более простая схема, показанная на рисунке 7.
Рисунок 7. Схема с конденсатором в цепи постоянного тока
Если замкнуть переключатель SA, то последует кратковременная вспышка лампочки, что свидетельствует о том, что конденсатор C зарядился через лампочку. Здесь же показан и график заряда: в момент замыкания переключателя ток максимальный, по мере заряда конденсатора уменьшается, а через некоторое время прекращается совсем.
Если конденсатор хорошего качества, т.е. с малым током утечки (саморазряда) повторное замыкание выключателя к вспышке не приведет. Для получения еще одной вспышки конденсатор придется разрядить.
Конденсатор в фильтрах питания
Конденсатор ставится, как правило, после выпрямителя. Чаще всего выпрямители делаются двухполупериодными. Наиболее распространенные схемы выпрямителей показаны на рисунке 8.
Рисунок 8. Схемы выпрямителей
Однополупериодные выпрямители также применяются достаточно часто, как правило, в тех случаях, когда мощность нагрузки незначительна. Самым ценным качеством таких выпрямителей является простота: всего один диод и обмотка трансформатора.
Для двухполупериодного выпрямителя емкость конденсатора фильтра можно рассчитать по формуле
C = 1000000 * Po / 2*U*f*dU, где C емкость конденсатора мкФ, Po мощность нагрузки Вт, U напряжение на выходе выпрямителя В, f частота переменного напряжения Гц, dU амплитуда пульсаций В.
Большое число в числителе 1000000 переводит емкость конденсатора из системных Фарад в микрофарады. Двойка в знаменателе представляет собой число полупериодов выпрямителя: для однополупериодного на ее месте появится единица
C = 1000000 * Po / U*f*dU,
а для трехфазного выпрямителя формула примет вид C = 1000000 * Po / 3*U*f*dU.
Суперконденсатор — ионистор
В последнее время появился новый класс электролитических конденсаторов, так называемый . По своим свойствам он похож на аккумулятор, правда, с несколькими ограничениями.
Заряд ионистора до номинального напряжения происходит в течение короткого времени, буквально за несколько минут, поэтому его целесообразно использовать в качестве резервного источника питания. По сути ионистор прибор неполярный, единственное, чем определяется его полярность это зарядкой на заводе — изготовителе. Чтобы в дальнейшем эту полярность не перепутать она указывается знаком +.
Большую роль играют условия эксплуатации ионисторов. При температуре 70˚C при напряжении 0,8 от номинального гарантированная долговечность не более 500 часов. Если же прибор будет работать при напряжении 0,6 от номинального, а температура не превысит 40 градусов, то исправная работа возможна в течение 40 000 часов и более.
Наиболее распространенное применение ионистора это источники резервного питания. В основном это микросхемы памяти или электронные часы. В этом случае основным параметром ионистора является малый ток утечки, его саморазряд.
Достаточно перспективным является использование ионисторов совместно с солнечными батареями. Здесь также сказывается некритичность к условию заряда и практически неограниченное число циклов заряд-разряд. Еще одно ценное свойство в том, что ионистор не нуждается в обслуживании.
Пока получилось рассказать, как и где работают электролитические конденсаторы, причем, в основном в цепях постоянного тока. О работе конденсаторов в цепях переменного тока будет рассказано в другой статье — .
Плоским конденсатором называется электродная система из двух параллельных пластин, называемых обкладками конденсатора. Расстояние между обкладками обычно значительно меньше их длины и ширины. При таких условиях почти все заряды оказываются практически равномерно распределенными по внутренним поверхностям обкладок. В пространстве между обкладками вдали от краев поле однородно, т.е. вектор напряженности поля Е постоянен и направлен по нормали к поверхности обкладок. Силовые линии поля представляют собой прямые линии, параллельные нормали. Для описания такой электродной системы применим декартову систему координат с осью х , параллельной нормали к поверхности, и началом координат, расположенным в центре конденсатора на середине расстояния между пластинами. Используя определение электрического смещения (1.22)-(1.23), можно записать:
, (2.23)
где s=Q /S – поверхностная плотность заряда на обкладках, которая является постоянной величиной вдали от краев обкладок. К задаче подходят фундаментальные решения уравнения Лапласа (2.1). Сравнивая выражения (2.1) и (2.23) определяем постоянную интегрирования С 1:
И (2.24)
Пусть потенциал j = 0 по центру между обкладками конденсатора при х = 0. Тогда С 2 = 0. Напряжение между обкладками конденсатора равно:
, откуда и (2.25)
Эквипотенциальные поверхности представляют собой плоскости, параллельные обкладкам (x = const). При графическом изображении поля плоского конденсатора расстояние между эквипотенциальными поверхностями должно быть одинаково для того, чтобы потенциалы отличались на одну и ту же величину. Заряд конденсатора Q = s×S , где S — площадь обкладки. Емкость конденсатора равна
Большое число конденсаторов, которые применяют в технике, приближены по типу к плоскому конденсатору. Это конденсатор, который представляет собой две параллельные проводящие плоскости (обкладки), которые разделяет небольшой промежуток, заполненный диэлектриком. На обкладках сосредоточены равные по модулю и противоположные по знаку заряды.
Электрическая емкость плоского конденсатора
Электрическая емкость плоского конденсатора очень просто выражается через параметры его частей. Изменяя площадь пластин конденсатора и расстояние между ними легко убедиться, что электрическая емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади его пластин (S) и обратно пропорциональна расстоянию между ними (d):
Формулу для расчета емкости плоского конденсатора просто получить при помощи теоретических расчетов.
Положим, что расстояние между пластинами конденсатора много меньше, чем их линейные размеры. Тогда краевыми эффектами можно пренебречь, и электрическое поле между обкладками считать однородным. Поле (E), которое создают две бесконечные плоскости, несущие одинаковый по модулю и противоположный по знаку заряд, разделенные диэлектриком с диэлектрической проницаемостью , можно определить при помощи формулы:
где — плотность распределения заряда по поверхности пластины. Разность потенциалов между рассматриваемыми обкладками конденсатора, находящимися на расстоянии d будет равна:
Подставим правую часть выражения (3) вместо разности потенциалов в (1) учитывая, что , имеем:
Энергия поля плоского конденсатора и сила взаимодействия его пластин
Формула энергии поля плоского конденсатора записывается как:
где — объем конденсатора; E — напряженность поля конденсатора. Формула (5) связывает энергию конденсатора с зарядом на его обкладках и напряженностью поля.
Механическую (пондемоторную) силу, с которой пластины плоского конденсатора взаимодействуют между собой можно найти, если использовать формулу:
В выражении (6) минус показывает, что пластины конденсатора притягиваются друг к другу.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Чему равно расстояние между пластинами плоского конденсатора, если при разности потенциалов В, заряд на пластине конденсатора равен Кл? Площадь пластин , диэлектриком в нем является слюда (). |
| Решение | Емкость конденсатора вычисляется при помощи формулы: Из этого выражения получим расстояние между пластинами: Емкость любого конденсатора определяет формула: где U — разность потенциалов между обкладками конденсатора. Подставим правую часть выражения (1.3) вместо емкости в формулу (1.2), имеем: Вычислим расстояние между обкладками (): |
| Ответ | м |
ПРИМЕР 2
| Задание | Разность потенциалов между пластинами плоского воздушного конденсатора равна В. Площадь пластин равна , расстояние между ними м. Какова энергия конденсатора и чему она будет равна, если пластины раздвинуть до расстояния м. Учтите, что источник напряжения при раздвижении пластин не отключают. |
| Решение | Сделаем рисунок. Энергию электрического поля конденсатора можно найти при помощи выражения: Так как конденсатор плоский, то его электрическую емкость можно вычислить как: |
Предыдущие две статьи были посвящены отдельному рассмотрению того, каким образом ведут себя в электрическом поле проводники и каким образом — диэлектрики. Сейчас нам понадобится объединить эти знания. Дело в том, что большое практическое значение имеет совместное использование проводников и диэлектриков в специальных устройствах — конденсаторах .
Но прежде введём понятие электрической ёмкости .
Ёмкость уединённого проводника
Предположим, что заряженный проводник расположен настолько далеко от всех остальных тел, что взаимодействие зарядов проводника с окружающими телами можно не принимать во внимание. В таком случае проводник называется уединённым .
Потенциал всех точек нашего проводника, как мы знаем, имеет одно и то же значение , которое называется потенциалом проводника. Оказывается, что потенциал уединённого проводника прямо пропорционален его заряду . Коэффициент пропорциональности принято обозначать , так что
Величина называется электрической ёмкостью проводника и равна отношению заряда проводника к его потенциалу:
(1)
Например, потенциал уединённого шара в вакууме равен:
где — заряд шара, — его радиус. Отсюда ёмкость шара:
(2)
Если шар окружён средой-диэлектриком с диэлектрической проницаемостью , то его потенциал уменьшается в раз:
Соответственно, ёмкость шара в раз увеличивается:
(3)
Увеличение ёмкости при наличии диэлектрика — важнейший факт. Мы ещё встретимся с ним при рассмотрении конденсаторов.
Из формул (2) и (3) мы видим, что ёмкость шара зависит только от его радиуса и диэлектрической проницаемости окружающей среды. То же самое будет и в общем случае: ёмкость уединённого проводника не зависит от его заряда; она определяется лишь размерами и формой проводника, а также диэлектрической проницаемостью среды, окружающей проводник. От вещества проводника ёмкость также не зависит.
В чём смысл понятия ёмкости? Ёмкость показывает, какой заряд нужно сообщить проводнику, чтобы увеличить его потенциал на В . Чем больше ёмкость — тем, соответственно, больший заряд требуется поместить для этого на проводник.
Единицей измерения ёмкости служит фарад (Ф). Из определения ёмкости (1) видно, что Ф = Кл/В.
Давайте ради интереса вычислим ёмкость земного шара (он является проводником!). Радиус считаем приближённо равным км.
МкФ.
Как видите, Ф — это очень большая ёмкость.
Единица измерения ёмкости полезна ещё и тем, что позволяет сильно сэкономить на обозначении размерности диэлектрической постоянной . В самом деле, выразим из формулы (2) :
Следовательно, диэлектрическая постоянная может измеряться в Ф/м:
Так легче запомнить, не правда ли?
Ёмкость плоского конденсатора
Ёмкость уединённого проводника на практике используется редко. В обычных ситуациях проводники не являются уединёнными. Заряженный проводник взаимодействует с окружающими телами и наводит на них заряды, а потенциал поля этих индуцированных зарядов (по принципу суперпозиции!) изменяет потенциал самого проводника. В таком случае уже нельзя утверждать, что потенциал проводника будет прямо пропорционален его заряду, и понятие ёмкости проводника самого по себе фактически утрачивает смысл.
Можно, однако, создать систему заряженных проводников, которая даже при накоплении на них значительного заряда почти не взаимодействует с окружающими телами. Тогда мы сможем снова говорить о ёмкости — но на сей раз о ёмкости этой системы проводников.
Наиболее простым и важным примером такой системы является плоский конденсатор . Он состоит из двух параллельных металлических пластин (называемых обкладками ), разделённых слоем диэлектрика. При этом расстояние между пластинами много меньше их собственных размеров.
Для начала рассмотрим воздушный конденсатор, у которого между обкладками находится воздух
Пусть заряды обкладок равны и . Именно так и бывает в реальных электрических схемах: заряды обкладок равны по модулю и противоположны по знаку. Величина — заряд положительной обкладки — называется зарядом конденсатора .
Пусть — площадь каждой обкладки. Найдём поле, создаваемое обкладками в окружающем пространстве.
Поскольку размеры обкладок велики по сравнению с расстоянием между ними, поле каждой обкладки вдали от её краёв можно считать однородным полем бесконечной заряженной плоскости:
Здесь — напряжённость поля положительной обкладки, — напряженность поля отрицательной обкладки, — поверхностная плотность зарядов на обкладке:
На рис. 1 (слева) изображены векторы напряжённости поля каждой обкладки в трёх областях: слева от конденсатора, внутри конденсатора и справа от конденсатора.
Рис. 1. Электрическое поле плоского конденсатора
Согласно принципу суперпозиции, для результирующего поля имеем:
Нетрудно видеть, что слева и справа от конденсатора поле обращается в нуль (поля обкладок погашают друг друга):
Внутри конденсатора поле удваивается:
(4)
Результирующее поле обкладок плоского конденсатора изображено на рис. 1 справа. Итак:
Внутри плоского конденсатора создаётся однородное электрическое поле, напряжённость которого находится по формуле (4) . Снаружи конденсатора поле равно нулю, так что конденсатор не взаимодействует с окружающими телами.
Не будем забывать, однако, что данное утверждение выведено из предположения, будто обкладки являются бесконечными плоскостями. На самом деле их размеры конечны, и вблизи краёв обкладок возникают так называемые краевые эффекты : поле отличается от однородного и проникает в наружное пространство конденсатора. Но в большинстве ситуаций (и уж тем более в задачах ЕГЭ по физике) краевыми эффектами можно пренебречь и действовать так, словно утверждение, выделенное курсивом, является верным без всяких оговорок.
Пусть расстояние между обкладками конденсатора равно . Поскольку поле внутри конденсатора является однородным, разность потенциалов между обкладками равна произведению на (вспомните связь напряжения и напряжённости в однородном поле!):
(5)
Разность потенциалов между обкладками конденсатора, как видим, прямо пропорциональна заряду конденсатора. Данное утверждение аналогично утверждению «потенциал уединённого проводника прямо пропорционален заряду проводника», с которого и начался весь разговор о ёмкости. Продолжая эту аналогию, определяем ёмкость конденсатора как отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками:
(6)
Ёмкость конденсатора показывает, какой заряд ему нужно сообщить, чтобы разность потенциалов между его обкладками увеличилась на В. Формула (6) , таким образом, является модификацией формулы (1) для случая системы двух проводников — конденсатора.
Из формул (6) и (5) легко находим ёмкость плоского воздушного конденсатора :
(7)
Она зависит только от геометрических характеристик конденсатора: площади обкладок и расстояния между ними.
Предположим теперь, что пространство между обкладками заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью . Как изменится ёмкость конденсатора?
Напряжённость поля внутри конденсатора уменьшится в раз, так что вместо формулы (4) теперь имеем:
(8)
Соответственно, напряжение на конденсаторе:
(9)
Отсюда ёмкость плоского конденсатора с диэлектриком :
(10)
Она зависит от геометрических характеристик конденсатора (площади обкладок и расстояния между ними) и от диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего конденсатор.
Важное следствие формулы (10) : заполнение конденсатора диэлектриком увеличивает его ёмкость .
Энергия заряженного конденсатора
Заряженный конденсатор обладает энергией. В этом можно убедиться на опыте. Если зарядить конденсатор и замкнуть его на лампочку, то (при условии, что ёмкость конденсатора достаточно велика) лампочка ненадолго загорится.
Следовательно, в заряженном конденсаторе запасена энергия, которая и выделяется при его разрядке. Нетрудно понять, что этой энергией является потенциальная энергия взаимодействия обкладок конденсатора — ведь обкладки, будучи заряжены разноимённо, притягиваются друг к другу.
Мы сейчас вычислим эту энергию, а затем увидим, что существует и более глубокое понимание происхождения энергии заряженного конденсатора.
Начнём с плоского воздушного конденсатора. Ответим на такой вопрос: какова сила притяжения его обкладок друг к другу? Величины используем те же: заряд конденсатора , площадь обкладок .
Возьмём на второй обкладке настолько маленькую площадку, что заряд этой площадки можно считать точечным. Данный заряд притягивается к первой обкладке с силой
где — напряжённость поля первой обкладки:
Следовательно,
Направлена эта сила параллельно линиям поля (т. е. перпендикулярно пластинам).
Результирующая сила притяжения второй обкладки к первой складывается из всех этих сил , с которыми притягиваются к первой обкладке всевозможные маленькие заряды второй обкладки. При этом суммировании постоянный множитель вынесется за скобку, а в скобке просуммируются все и дадут . В результате получим:
(11)
Предположим теперь, что расстояние между обкладками изменилось от начальной величины до конечной величины . Сила притяжения пластин совершает при этом работу:
Знак правильный: если пластины сближаются , то сила совершает положительную работу, так как пластины притягиваются друг к другу. Наоборот, если удалять пластины alt=»(d_2 > d_1)»> , то работа силы притяжения получается отрицательной, как и должно быть.
С учётом формул (11) и (7) имеем:
Это можно переписать следующим образом:
(12)
Работа потенциальной силы притяжения обкладок оказалась равна изменению со знаком минус величины . Это как раз и означает, что — потенциальная энергия взаимодействия обкладок, или энергия заряженного конденсатора .
Используя соотношение , из формулы (12) можно получить ещё две формулы для энергии конденсатора (убедитесь в этом самостоятельно!):
(13)
(14)
Особенно полезными являются формулы (12) и (14) .
Допустим теперь, что конденсатор заполнен диэлектриком с диэлектрической проницаемостью . Сила притяжения обкладок уменьшится в раз, и вместо (11) получим:
При вычислении работы силы , как нетрудно видеть, величина войдёт в ёмкость , и формулы (12) — (14) останутся неизменными . Ёмкость конденсатора в них теперь будет выражаться по формуле (10) .
Итак, формулы (12) — (14) универсальны: они справедливы как для воздушного конденсатора, так и для конденсатора с диэлектриком.
Энергия электрического поля
Мы обещали, что после вычисления энергии конденсатора дадим более глубокое истолкование происхождения этой энергии. Что ж, приступим.
Рассмотрим воздушный конденсатор и преобразуем формулу (14) для его энергии:
Но — объём конденсатора. Получаем:
(15)
Посмотрите внимательно на эту формулу. Она уже не содержит ничего, что являлось бы специфическим для конденсатора! Мы видим энергию электрического поля , сосредоточенного в некотором объёме .
Энергия конденсатора есть не что иное, как энергия заключённого внутри него электрического поля.
Итак, электрическое поле само по себе обладает энергией. Ничего удивительного для нас тут нет. Радиоволны, солнечный свет — это примеры распространения энергии, переносимой в пространстве электромагнитными волнами.
Величина — энергия единицы объёма поля — называется объёмной плотностью энергии . Из формулы (15) получим:
(16)
В этой формуле не осталось вообще никаких геометрических величин. Она даёт максимально чистую связь энергии электрического поля и его напряжённости.
Если конденсатор заполнен диэлектриком, то его ёмкость увеличивается в раз, и вместо формул (15) и (16) будем иметь:
(17)
(18)
Как видим, энергия электрического поля зависит ещё и от диэлектрической проницаемости среды, в которой поле находится.
Замечательно, что полученные формулы для энергии и плотности энергии выходят далеко за пределы электростатики: они справедливы не только для электростатического поля, но и для электрических полей, меняющихся во времени.
Вконтакте
Одноклассники
Google+
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
планарные керамические конденсаторы | APITech
Керамические конденсаторы с планарной решеткой | APITechКонденсаторы керамические
Созданные с использованием многолетнего опыта в производстве многослойных керамических конденсаторов, эти планарные конденсаторы обладают множеством преимуществ по сравнению с автономными микросхемными, 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 конденсаторыAPITech 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 размерные 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 обращения с керамикой позволяют изготавливать 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 высокой плотности «D»
- мкД (MIL-C-83513)
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
Беспаечная сборка планаров 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.
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.
- Используются только стабильные диэлектрики X7R и сверхстабильные C0G / NP0
- Значения емкости от пФ до мкФ
- Возможность высокого напряжения — 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
- Емкость — 100%
- Коэффициент рассеяния — 100%
- DWV (выдерживаемое диэлектрическое напряжение) — 100%
- Сопротивление изоляции — 100%
- Визуальный осмотр — 100%
- Паяемость образца и проверка размеров — 100%
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.
Моделирование и расчет емкости плоского 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 Scholar
О.Вендик Г., Мироненко И. Г., Тер-Мартиросян Л. Т., Микроволны РФ 33 , № 7, 67 (1994).
Google Scholar
Геворгян С.С., Капарков Д.И., Вендик О.Г., Proc. IEE (Лондон) 30 , 1236 (1994).
Google Scholar
А. Т. Финдикоглу, К. Х. Цзя, И. Х. Кэмпбелл и др. , заявл. Phys. Lett. 66, , 3674 (1995).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
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 Scholar
О.Вендик Г., Зубко С.П. // Журн. Тех. Физ. 67 , № 3, 29 (1997) [Tech. Phys. 42, , 278 (1997)].
Google Scholar
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 Scholar
В.И. Лаврик, В.Н.Савельев, Справочник по конформным преобразованиям , Наукова думка, Киев, 1970.
Google Scholar
Э. С. Кочанов, Радиотехника 22 , № 7, 82 (1967).
Google Scholar
Э. С. Кочанов, Радиотехника 30 , № 1, 92 (1975).
Google Scholar
К.Р. Хоффман, Справочник по интегральным схемам СВЧ (Artech House, Норвуд, Массачусетс, 1987).
Google Scholar
S. S. Bedair, I. Wolf, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-40 , 41 (1992).
Google Scholar
С. С. Геворгян, Л. Дж. П. Линнер, Э. Л. Коллберг, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-43 , 772 (1995).
ADS Google Scholar
С. С. Геворгян, Т. Мартинссон и Л. Дж. П. Линнер et al. , IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-44 , 896 (1996).
Google Scholar
Э. Чен и С. Я. Чоу, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-45 ,939 (1997).
Google Scholar
А.Н. Деленив, Ж. Тех. Физ. 69 (4), 8 (1999) [Tech. Phys. 44 , 356 (1999)].
Google Scholar
К. Гупта, Р. Гарг и Р. Чадха, Компьютерное проектирование микроволновых схем (Artech House, Норвуд, Массачусетс, 1981).
Google Scholar
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 Scholar
Вендик О.Г., Тер-Мартиросян Л.Т., Физ. Тверь. Тела (Санкт-Петербург) 36 , 3343 (1994) [Phys. Solid State 36, , 1778 (1994)].
Google Scholar
D. Galt, C. Price, J. A. Beall et al. , заявл.Phys. Lett. 63 , 3078 (1993).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
I. Kasa, Микроволновые интегральные схемы (Эльзевир, Нью-Йорк, 1993).
Google Scholar
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 Scholar
Вендик О.Г., Мироненко И.Г., Тер-Мартиросян Л.Т., Микроволны РФ 33 , № 7, 67 (1994).
Google Scholar
Геворгян С.С., Капарков Д.И., Вендик О.Г., Proc. IEE (Лондон) 30 , 1236 (1994).
Google Scholar
А.T. Findikoglu, Q.X. Jia, I.H. Campbell et al. , заявл. Phys. Lett. 66, , 3674 (1995).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Специальный выпуск о микроволновых и миллиметровых волнах высокотемпературной сверхпроводимости, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-44 , 1193 (1996).
Сегнетоэлектрики в микроволновой технике , под редакцией О.Г.Вендик, Сов. Радио, Москва, 1979.
Google Scholar
Вендик О.Г., Зубко С.П. // Журн. Тех. Физ. 67 , № 3, 29 (1997) [Tech. Phys. 42, , 278 (1997)].
Google Scholar
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 Scholar
В. И. Лаврик, В. Н. Савельев, Справочник по конформным преобразованиям, , Наукова думка, Киев, 1970.
Google Scholar
Э. С. Кочанов, Радиотехника 22 , № 7, 82 (1967).
Google Scholar
Э. Кочанов С.А., Радиотехника 30 , №1, 92 (1975).
Google Scholar
К. Р. Хоффман, Справочник по интегральным схемам СВЧ (Artech House, Норвуд, Массачусетс, 1987).
Google Scholar
S. S. Bedair, I. Wolf, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-40 , 41 (1992).
Google Scholar
С.С. Геворгян, Л. Дж. П. Линнер, Э. Л. Коллберг, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-43 , 772 (1995).
ADS Google Scholar
С. С. Геворгян, Т. Мартинссон и Л. Дж. П. Линнер et al. , IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-44 , 896 (1996).
Google Scholar
Э. Чен и С. Я. Чоу, IEEE Trans. Теория СВЧ. МТТ-45 ,939 (1997).
Google Scholar
Деленив А.Н., Ж. Тех. Физ. 69 (4), 8 (1999) [Tech. Phys. 44 , 356 (1999)].
Google Scholar
К. Гупта, Р. Гарг и Р. Чадха, Компьютерное проектирование микроволновых схем (Artech House, Норвуд, Массачусетс, 1981).
Google Scholar
О.Вендик Г., Мириненко И. Г., Тер-Мартиросян Л. Т. // Физ. Тверь. Тела (Ленинград) 26 , 3094 (1984) [Сов. Phys. Solid State 26 , 1864 (1984)].
Google Scholar
Вендик О.Г., Тер-Мартиросян Л.Т., Физ. Тверь. Тела (Санкт-Петербург) 36 , 3343 (1994) [Phys. Solid State 36, , 1778 (1994)].
Google Scholar
Д.Galt, C. Price, J. A. Beall, et al. , заявл. Phys. Lett. 63 , 3078 (1993).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
I. Kasa, Микроволновые интегральные схемы (Эльзевир, Нью-Йорк, 1993).
Google Scholar
Дискоидальные многослойные керамические конденсаторы и планарные матрицы для подавления электромагнитных помех — Блог пассивных компонентов
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. В таких электронных системах 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 в качестве выбора для приложений 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, дискоидальные многослойные керамические конденсаторы имеют впечатляюще высокие собственные резонансные частоты.
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 представляет собой 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 планарной решетки спроектировано так, чтобы допускать несколько альтернативных электрических функций. Множественные слои диэлектрика плоского массива 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 фильтрыменьше 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 настраиваемые планарные массивы с параметрами, отвечающими уникальным требованиям системы.
Гибкие планарные 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 методология 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 пакета, в котором 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, небольших замен батарей, а также могут применяться в устройствах сбора энергии для хранения мусора. энергия.
Вакуумная фильтрация уже 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 спекание Ag-NW с помощью лазера для оптимизации проводимости коллектора.Применяя электролит на основе ПВС, мы получаем твердотельные суперконденсаторы, которые являются механически прочными 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 г -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. Гель-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 равен 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 и 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 реконструировали с помощью 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 укладку листов графена, 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 разрешенияНесмотря на осажденные 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 нанопроводами 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 существенно 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 сетей 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 разрешенияХотя 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, что привело к толщине пленки ~ 10 мкм м ( рисунок 2 (d)), который намного толще, чем обычно сообщается. Однако при исследовании качества используемых промышленных углеродных наноматериалов, спектроскопия комбинационного рассеяния выявила значительную концентрацию дефектов в решетках материалов как RGO, так и MWCNT [62], что, вероятно, снизило характеристики емкости (рисунок S2).XPS-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 нанесли гель-электролит H 3 PO 4 / PVA и оставили сушиться в течение ночи, получив 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 разрешенияЭлектрохимическое 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 CV-анализу, 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 разрешенияПри 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), которые допускают 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-NW 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 емкостные характеристики все еще составляли 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 тестов на удерживание не наблюдалось видимой агрегации электродного материала.По результатам измерений EIS, последовательное сопротивление составило ~ 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, из-за углеродных материалов, использованных 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 разрешенияИспытания 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 путем 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, нанесенных на наноструктурированные углеродные встречно-штыревые электродные пленки, позволяет изготавливать высокопроводящие токосъемники высокоэффективных гибких планарных суперконденсаторов. При использовании электролитов H 3 PO 4 / PVA была достигнута объемная емкость 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. О.П. и Д.С. выражают благодарность фонду Уллы Туоминен и исследовательской стипендии Яноша Бойяи Венгерской академии наук соответственно. Мы признательны за техническую помощь, полученную от Центра микро- и нанотехнологий Университета Оулу.
Два плоских конденсатора размещаются на поверхности образца и …
Контекст 1
… является изотропным и линейно упругим, приложенная нагрузка вызывает деформации, которые вызывают деформацию осевого удлинения u 1 и боковые сжатия u 2 = u 3 = −u 1, где — коэффициент Пуассона. Два плоских конденсаторных датчика размещены на поверхности образца и выровнены в точке = 0, обозначенной как C, и = / 2, обозначенной как C, с направлением нагрузки (рис. 6). Главная ось x 1 совпадает с направлением нагрузки, поперечная главная ось x 2 находится в плоскости датчиков, а третья главная ось x 3 перпендикулярна плоскости.Из уравнения. Упругий диэлектрик подвергается трем осевым деформациям u 1, u 2 и u 3, которые являются основными деформациями в основной системе координат …
Контекст 2
… мостовая схема на рис. 6a измеряет разницу в емкости, C = C — C, которая из уравнения. 17 можно выразить через деформацию u 1 и параметр 1 …
Контекст 3
… коэффициент K определяется как K = RV i C 0/2, в котором все параметры могут быть при необходимости либо рассчитывается, либо измеряется напрямую.Для получения другого параметра электрострикции 2 необходимо дополнительное измерение. Вторая измерительная установка, показанная на фиг. 6b, аналогична установке на фиг. 6a, за исключением того, что мост теперь образован датчиком C и фиктивным датчиком C d. Эквивалентный датчик видит те же условия окружающей среды, что и C, но не воспринимает нагрузку. Это компенсирует влияние колебаний температуры и электромагнитного шума на выходной сигнал. Подобно уравнению. 20, величина …
Контекст 4
… Коэффициент K определяется как K = RV i C 0/2, в котором все параметры могут быть либо рассчитаны, либо непосредственно измерены, если необходимо.
