При переході до категорії "конденсатори" на сайтах популярних дистриб'юторів можна побачити до мільйона результатів. Який обрати? За якими параметрами шукати і які краще підходять для вашого пристрою?
Класифікація
Почнемо з класифікації. Дерево починається з поділу на дві категорії: постійні та змінні конденсатори. Із назви все зрозуміло — у змінних конденсаторів можлива зміна ємності в певному діапазоні. У постійних конденсаторів ємність — константа. У цій статті розглядаються лише постійні конденсатори.
Скляні конденсатори
Як діелектрик використовується скло, розміщене між двома електродами. Застосовуються у випадках з високими вимогами до надійності. Діелектрик укладений у герметичний корпус, тому вплив зовнішнього середовища мінімізований. Відзначаються високою стабільністю, низькими втратами, але невеликою ємністю (сотні nF). Використовуються досить рідко.
Зовнішній вигляд:
Масляні/паперові конденсатори
Конструкційно виглядають як рулон, що складається з листів діелектрика, на які нанесено шар провідної фольги. Потім ця конструкція скручується і розміщується в корпус.
Буквально можна зробити власноруч у домашніх умовах)).
Популярні в основному в силових установках. Здатні витримувати десятки тисяч вольт і сотні ампер. Масляне наповнення покращує тепловідведення на корпус, що дозволяє ефективніше охолоджувати конденсатори. Також масляні конденсатори мають здатність до самовідновлення.
Можуть виглядати і так:
Вакуумні конденсатори
Діелектриком є вакуум, як можна зрозуміти з назви. Використовуються у високовольтному обладнанні (десятки кВ), у тому числі високочастотному. Застосовуються в установках індукційного нагрівання, здатні до самовідновлення.
Слюдяні конденсатори
Як діелектрик використовуються тонкі шари слюди, що чергуються зі шарами провідника. Ще один тип конденсаторів із високою стабільністю і точністю. Може витримувати до тисячі вольт і має низькі втрати, тому використовується для завдання постійних часу, створення фільтрів. Популярний в обладнанні, що працює на радіочастотах.
Кремнієві конденсатори
Конденсатори, виготовлені на кристалі кремнію. Часто зустрічаються всередині готових мікросхем. Мають низьку паразитну індуктивність і опір, застосовуються для розв'язки сигналів на кристалі, фільтрації живлення. Найчастіше застосовуються для зберігання заряду в комірці пам’яті DRAM, фільтрації живлення. Розраховані на десятки вольт.
Плівкові конденсатори
Складаються з безлічі тонких шарів полімеру, розташованих між шарами провідної фольги. Плівкові конденсатори можуть витримувати до кількох кіловольт, мають високу точність, низький ESR (про цей параметр пізніше). Відносно недорогі порівняно з вищеназваними конденсаторами. Застосовуються в різних сферах — від джерел живлення до радіоапаратури.
Плівкові конденсатори та їхня внутрішня структура
Електролітичні конденсатори
Для електролітичних конденсаторів з діелектриком Al₂O₃ технологія виготовлення подібна до паперових, однак ізоляційний папір просочується рідким електролітом:
Внутрішня структура електролітичного конденсатора
У випадку з танталовими конденсаторами (Ta₂O₅, MnO₂) внутрішня структура дещо відрізняється. Для циліндричних конденсаторів вона виглядає ось так:
Внутрішня структура танталових вивідних конденсаторів
А для SMD-компонентів — так:
Внутрішня структура SMD танталових конденсаторів
Електролітичні та танталові конденсатори зустрічаються практично в кожному електронному пристрої. Вони мають велику ємність і здатні витримувати досить високу напругу (до кількох кіловольт). Важливою особливістю таких конденсаторів є їхня однополярність — напруга повинна бути прикладена від анода до катода.
Сучасні танталові конденсатори значно перевершують своїх попередників: вони можуть мати високу ємність і дуже низький ESR (еквівалентний послідовний опір), і виготовляються вже за новими технологіями. Водночас з ними варто бути обережними — тантали частіше за інші типи виходять з ладу, особливо при різких стрибках струму.
Сучасні танталові конденсатори: внутрішня структура
Суперконденсатори
Своєю конструкцією вони нагадують електролітичні конденсатори, однак між електродами додатково додається сепаратор. Він потрібен для того, щоб запобігти переміщенню зарядів від одного електрода до іншого. Суперконденсатори мають максимально можливу ємність серед усіх типів. Проте робоча напруга зазвичай обмежується кількома десятками вольт. Застосовуються для забезпечення безперебійного живлення на короткий проміжок часу.
Внутрішня структура суперконденсатора
Керамічні конденсатори
Найчисленніша група конденсаторів. Як діелектрик використовується різноманітна кераміка, яка чергується з металевими шарами, що формують електроди. Вони працюють у широкому діапазоні напруг (до десятків кіловольт), мають високу питому ємність, низький ESR і мінімальні втрати.
Внутрішня структура керамічного конденсатора
Multi-Layer Ceramic Condenser
Багатошарові керамічні конденсатори, Multi-Layer Ceramic Capacitors (MLCC) — це тип конденсаторів, які мають кілька шарів керамічного матеріалу, що виступає в ролі діелектрика. Їх також можна розглядати як багато одношарових конденсаторів, складених разом в один корпус. MLCC містять чергування шарів металевих електродів та шарів діелектричної кераміки.
Товщина одного діелектричного шару та кількість складених шарів прямо пропорційні ємності MLCC.
MLCC складаються з багатьох шарів керамічного матеріалу, між якими розміщено провідний матеріал для утворення пластин конденсатора. Керамічний матеріал, що використовується в MLCC, зазвичай є сумішшю дрібно подрібнених гранул параелектричних або фероелектричних сировинних матеріалів, таких як металеві оксиди — наприклад, діоксид титану — з високою діелектричною сталою. Провідним матеріалом для пластин зазвичай є метал, наприклад, нікель, срібло або паладій.
Завдяки багатошаровій конструкції MLCC можуть досягати значно вищих значень ємності порівняно з іншими типами конденсаторів, зберігаючи при цьому невеликий фізичний розмір.
Ще однією важливою властивістю MLCC є їхній низький еквівалентний послідовний опір (ESR).
Форм фактори SMD MMCL
У підсумку класифікацію конденсаторів можна представити за допомогою такої діаграми, яка показує найпопулярніші типи:
Ємність і напруга найпопулярніших типів конденсаторів
Характеристики конденсаторів
Розглянемо основні параметри, за якими обирають конденсатори:
Ємність (Capacitance)
Найважливіший параметр, з якого починається відбір компонентів. Думаю, тут пояснення зайві — це ключова характеристика.
Максимальна робоча напруга (Maximum Rated Voltage)
Друга за значенням характеристика. Не всі конденсатори можна використовувати при напрузі, близькій до граничної в схемі. Для деяких танталових, електролітичних і керамічних конденсаторів рекомендується подвійний запас по напрузі. Однак це індивідуально: сучасні тантали можуть нормально працювати навіть при 100% від номіналу або трохи більше.
Полярність
Полярні конденсатори використовуються в тих випадках, де напруга не змінює знак, наприклад, на входах і виходах джерел живлення. Вони зазвичай мають більшу ємність, але не підходять для всіх схем.
Точність
Важлива для прецизійних схем. Великий розкид по ємності може призвести до неправильного функціонування, особливо в фільтрах, генераторах або таймерах. Конденсатори з високою точністю — слюдяні, плівкові, деякі типи керамічних.
Паразитні параметри (ESR, ESL, Rp)
Кожен електронний компонент має паразитні характеристики — конденсатори не виняток.
ESR (Equivalent Series Resistance) — еквівалентний послідовний опір. Складається з опору електродів і внутрішніх з'єднань (які залежать від частоти через skin effect), а також діелектричних втрат.
ESL (Equivalent Series Inductance) — послідовна індуктивність виводів і з'єднань.
Rp (IR) — паралельний опір, що відображає витоки струму через діелектрик.
Еквівалентна схема конденсатора з паразитними параметрами
Формула повного імпедансу конденсатора:
На низьких частотах ESL і ESR можна не враховувати, але на резонансній частоті вони починають відігравати ключову роль. Якщо підвищити частоту вище резонансної, конденсатор буде поводитись як індуктивність, і перестане виконувати свою функцію.
Залежність імпедансу від частоти
Щоб уникнути такого індуктивного ефекту, слід використовувати конденсатори з низьким ESL — зазвичай це SMD керамічні. Існують навіть спеціальні корпуси з мінімальною індуктивністю:
Індуктивність різних SMD-корпусів керамічних конденсаторів
ESR також важливий:
У випадку значних пульсацій струму (наприклад, у блоках живлення) ESR викликає падіння напруги;
Це призводить до шумів, нагрівання і деградації елементів живлення;
ESR також зростає при нагріванні.
Розподіл ESR для різних типів конденсаторів:
ESR різних типів конденсаторів
Один із дієвих підходів — каскадування різних типів (електроліти/тантали + кераміка різних номіналів), щоби забезпечити неперервне енергопостачання і зменшити імпеданс у широкому частотному діапазоні. Це дає змогу різко змінювати навантаження без провалів напруги:
Конденсаторна частина схеми живлення мікросхеми
Імпеданс системи живлення:
Сумарний імпеданс домену живлення
Нарешті, Rp (IR) або ізоляційний опір, (деколи - струм витоку) — важливий параметр для пристроїв з низьким споживанням (мобільна електроніка, медичні пристрої). Високий Rp зменшує витоки струму, що критично для тривалого автономного функціонування.
Величина опору витоку за типом конденсаторів
Тип монтажу (поверхневий / вивідний)
При виборі типу монтажу варто орієнтуватися на кілька параметрів: вільне місце на платі, зручність розміщення інших компонентів, технологічність виробництва, вартість компонента, паразитні параметри. Найчастіше вивідні компоненти дешевші, але мають більші ESR, ESL, а при їх паянні потрібна додаткова технологічна операція.
Поверхневий і вивідний тип монтажу
Тип діелектрика
Особливо актуально для керамічних конденсаторів. У різних типів діелектриків відрізняється питомна ємність (більша ємність у тому ж корпусі), температурний діапазон, зміна ємності від температури. Таблиця для класів 2 і 3 керамічних діелектриків:
Для класу 1 таблиця виглядає так:
Далі вибір за вами, до якого зміни ємності в усьому температурному діапазоні ви готові. Найпопулярніші діелектрики для промислових застосувань: X7R, Y6S, C0G. Для побутової електроніки: X5R, X7R, Y5V. Для військової – в основному C0G, хоча все залежить від температурного діапазону та призначення конденсатора.
Графік зміни ємності керамічних конденсаторів залежно від температури
Для порівняння можна подивитися на зміну ємності для електролітичних конденсаторів відносно керамічних:
Загальний рафік зміни ємності залежно від температури
Максимальний пульсуючий струм через конденсатор (Ripple current)
Найбільш актуально при побудові джерел живлення. На кожному циклі роботи перетворювача струм заряджає/розряджає вхідні та вихідні конденсатори.
Протікання струму в джерелі живлення
Графік пульсацій струму у вихідному конденсаторі:
Пульсації струму на виході джерела живлення
Пульсації струму відносно статичного значення не повинні перевищувати значення, заданого виробником. В іншому випадку конденсатор може перегрітися і згоріти/вибухнути. Важливо пам’ятати, що стрибок струму можливий і при різкому застосуванні напруги до обкладок розрядженого конденсатора. Якщо ви бачите, що виходите за межі допустимих значень, рішенням є паралельно встановити ще один конденсатор — таким чином допустимі пульсації зростуть удвічі.
Температурний діапазон
Діапазон, у якому конденсатор може гарантовано працювати. Варто обирати, виходячи з параметрів кінцевого пристрою, а також орієнтуючись на попередні два пункти.
Добротність (Q-factor)
Добротність обернена до тангенса втрат (tanδ) і показує, наскільки ефективно конденсатор накопичує і віддає енергію:
За цим параметром можна зрозуміти, які втрати будуть на певній частоті. Для ланцюгів радіообладнання, осциляторів, високочастотних джерел живлення потрібні конденсатори з високою добротністю, інакше при передачі енергії конденсатор може перегрітися через розсіювання енергії. Керамічні та слюдяні конденсатори мають високу добротність.
Термін служби (Life expectancy)
Важливий параметр для побудови високонадійних систем. Різні типи конденсаторів мають різний термін служби. Електролітичні конденсатори зазвичай мають коротший термін служби порівняно з керамічними або плівковими. При перевищенні максимальних параметрів, заданих виробником, конденсатори деградують швидше. Підвищена температура та агресивне середовище скорочують термін служби.
Неочікувані сюрпризи
Отже, ви знайшли ідеальний конденсатор. Тепер варто згадати про декілька неочікуваних ефектів, на які ви могли не звернути увагу, хоча вони можуть вплинути на ваш пристрій.
Зниження ємності залежно від постійної напруги (DC bias)
Припустимо, ви взяли керамічні конденсатори X5R на 10В для свого джерела живлення 5В. За розрахунками для забезпечення необхідного рівня пульсацій вам потрібна ємність 100мкФ. При отриманні плати і вимірі пульсацій ви отримуєте значення вдвічі гірше. Чому? Справа в тому, що у керамічних конденсаторів є чудова діаграма, яка називається dC/C vs DC bias. При наближенні робочої напруги до максимальної ефективна ємність зменшується (з різною швидкістю в залежності від типу діелектрика). Для мінімізації ефекту варто обирати конденсатори з більшим максимальним напругою або з діелектриком першого класу.
Зміна ємності залежно від прикладеної напруги
Цей ефект стосується лише керамічних конденсаторів. До речі, він також залежить від розміру корпусу — для більших корпусів зменшення ємності менш виражене:
Ефект старіння
Якщо ви розраховуєте на застосування пристрою протягом тривалого часу, варто звернути увагу на цей параметр. Лідери за цим показником — електроліти, які висихають з часом, далі йдуть керамічні конденсатори. У електролітів з часом підвищується ймовірність виходу з ладу, зростає ESR.
Старіння керамічних конденсаторів з часом
Звичайною практикою є заміна електролітів після вичерпання ресурсу. Керамічні ж можна відновити нагрівом до точки Кюрі:
Відновлення ємності керамічного конденсатора після нагріву
П’єзоелектричний ефект
П’єзоелектричний ефект — виникнення поляризації діелектрика під дією механічних напруг. Дуже небажаний ефект для керамічних конденсаторів, що стоять на платі, яка піддається механічним коливанням. Особливо уважно слід аналізувати цей ефект в автомобільних застосуваннях. Механічні вібрації передаються на плату, потім на конденсатор і створюють додаткові пульсації напруги на його обкладках:
Пульсації напруги при згинанні плати з конденсатором
Навіть одиничне механічне коливання перетворюється на перешкоду:
Стрибок напруги при дотику до керамічного конденсатора
Також є й зворотний ефект — пульсації напруги на певній частоті призводять до механічних коливань у діелектрику, створюючи стрибки ESR:
Зворотній п’єзоелектричний ефект у керамічному конденсаторі
Вихід — використовувати високостабільні діелектрики 1 класу, зокрема C0G.
Зміна ємності з амплітудою змінної напруги
Знову страждають керамічні конденсатори з діелектриком 2 і 3 класів. При зміні амплітуди змінного сигналу на обкладках конденсатора змінюється й його ємність. Для діелектриків 1 класу це не характерно, вони зроблені за іншою технологією.
Зміна ємності керамічних конденсаторів від амплітуди змінної напруги
Ефект пам’яті
Цей ефект пов’язаний із тим, що переорієнтація деяких диполів у діелектрику відбувається з затримкою. Це призводить до того, що після повного розряду конденсатора до 0 через деякий час на його виводах з’являється позитивна напруга:
Ефект пам’яті в конденсаторах
Цей ефект особливо впливає на ланцюги точних вимірювань із інтегральною складовою, додаючи значну помилку. Вихід — використання конденсаторів, які мінімізують цей ефект: кераміки 1 класу, плівкових конденсаторів.
Ефект пам’яті для різних типів конденсаторів
Висновок
Сподіваюся, тепер ви знаєте трохи більше про конденсатори і зможете підібрати свого ідеального кандидата. Головне правило — ретельно вивчити документацію, особливо якщо мова про відповідальні застосування.
Автора оригінальної статті не вказую, бо він належить до підмножини протівних сущєств з іншого табору інформаційної війни.
Джерела:
What are MLCC or Multi-Layer Ceramic Capacitors? - Everything RF
Make a SUPER HIGH VOLTAGE Capacitor - ElectroBOOM Youtube channel
