Маленькая предыстория.
Где то 5 лет назад, выходя с очередной посылкой с запчастями с отделения почты, встретил я очень мной уважаемую с студенческих лет, преподавательницу моего техникума. Вела она у нас ОТЦ и аппаратуру звукозаписи и воспроизведения. И помня мои заслуги во время учебы, спросила - не хотели бы вы Александр немного помочь, теперь уже колледжу ане техникуму, и пойти к нам преподавателем. Сразу предупредив что платят... В общем согласился я, и с того момента до лета 2023г преподавал там одну дисциплину. Вот и предлагаю на рассмотрение публики некоторые свои лекции. Материал собран из разных источников и некоторые из план конспектов к последнему году преподавания, обрёли на мой взгляд, вполне академический вид (во всяком случае как для колледжа).
Если материал будет интересен, будут ещё статьи с теорией и может даже практические работы.
Начинаем. План лекции.
1. Общая информация
1.1. Определение
1.2. УГО
1.3. Эквивалентная схема конденсатора
1.4. Характеристики конденсаторов
1.4.1. Номинальнае ёмкость
1.4.2. Номинальное напряжение
1.4.3. Допустимое отклонение ёмкости
1.4.4. ТКЕ
1.4.5. Тангенс угла диэлектрических потерь
1.4.6. Диапазон рабочих температур
1.4.7. ESR
1.4.8. ESL
1.4.9. Диэлектрическая абсорбция
1.4.10. Проводимость (утечка), ток утечки
1.4.11. Эффект смещения при постоянном токе (DC-bias)
2. Классификация конденсаторов
2.1.1. По характеру изменения ёмкости (линейные, не линейные)
2.1.2. По назначению (общего, прецизионные, специальные)
2.1.3. По способу монтажа (SMD, SHT, с механическим креплением)
2.1.4. По возможности изменения ёмкости (постоянные, переменные)
2.1.5. По типу и материалу диэлектрика
2.1.6. По характеру рабочего напряжения (полярные, не полярные)
3. Устройство конденсаторов
3.1.1. Устройство постоянных конденсаторов
3.1.1.1. Устройство керамического конденсатора
3.1.1.2. Устройство электролитического конденсатора
3.1.1.3. Устройство танталового конденсатора
3.1.1.4. Устройство ионистора
3.1.2. Устройство переменных конденсаторов
3.1.3. Устройство постоянных SMD конденсаторов
3.1.3.1. Устройство керамических SMD конденсаторов
3.1.3.2. Устройство электролитических SMD
4. Ряды номинальных значений емкостей конденсаторов
5. Условное обозначение конденсаторов
5.1. Современная система обозначения конденсаторов (с 1980г.)
5.2. Устаревшая система обозначения конденсаторов (с 1968 по 1980г.)
5.3. Старая система обозначения конденсаторов (до 1968г.)
6. Маркировка конденсаторов
6.1. Полное обозначение буквенное цифровое выводных конденсаторов
6.2. Кодированное обозначение буквенное цифровое выводных конденсаторов
6.3. Цветовая кодировка выводных конденсаторов
6.4. Цифровая кодировка SMD конденсаторов
6.5. Буквенно- цифровая кодировка SMD конденсаторов
6.6. Цветовая маркировка SMD конденсаторов
7. Специальные конденсаторы
7.1. Высоковольтные
7.2. Вариконд
7.3. Импульсные
7.4. Пусковые
1. Общая информация
1.1. Определение
Конденсатор – это устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Представляет собой двухполюсник с определённым значением ёмкости и малым значение активной проводимости.
Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин, называемых обкладками, разделённых диэлектриком, толщина которого много меньше размеров пластин.
1.2. УГО
1.3. Эквивалентная схема конденсатора
Итак, идеальный конденсатор является носителем только одной полезной величины – электрической ёмкости. Однако как обычно в реальном радиоэлементе имеются различные отклонения от идеального компонента, рассмотрим эквивалентную схему реального конденсатора, и элементы входящие в неё:
· Rd — сопротивление диэлектрика. Диэлектриком может быть воздух, вакуум, бумага, керамика, плёнка, оксидное напыление, потенциальный барьер… Также между выводами конденсатора находится его корпус. Он тоже обладает каким-то сопротивлением и тоже сделан из диэлектрика и относится сюда же. Чем больше это сопротивление тем качественней конденсатор, так как именно через этот параметр происходит саморазряд конденсатора.
· Сo — емкость конденсатора, тот самый параметр идеального конденсатора.
· Rs – паразитное активное сопротивление реального конденсатора, включенное последовательно с идеальной емкостью идеального конденсатора, образуется из-за конечной величины проводимости материала выводов и обкладок конденсатора. Поскольку оно включено последовательно с ёмкостью идеального конденсатора, величину этого сопротивления в технической литературе называют эквивалентным последовательным сопротивлением, сокращённо ЭПС или на английском ESR. Измеряется в Омах. Чем ниже величина ЭПС, тем конденсатор лучше, так как ток протекающий через конденсатор вызывает потери энергии на этом активном сопротивлении.
· Li - паразитная индуктивность включенное последовательно с идеальной емкостью идеального конденсатора, образуется из-за наличия индуктивности выводов и обкладок конденсатора, особенно если они принимают форму плоской спирали, рулона. В литературе обозначают как ESI (чаще ESL) — эквивалентная последовательная индуктивность.
1.4. Характеристики конденсаторов
Исходя из выше описанный элементов эквивалентной схемы реального конденсатора, можно составить перечень основных параметров реального конденсатора.
1.4.1. Номинальная ёмкость
Первым, и основным параметром конденсатора является номинальная ёмкость, номинируется в Фарадах [Ф], однако на практике, в виду чрезмерности основной единицы, применяют дольные её части: микрофарады [мкФ], нанофарады [нФ], пикофарады [пФ].
Ёмкость конденсатора выражается формулой:
где
С — это емкость, Фарад
Q — количество заряда на одной из обкладок конденсатора, Кулоны
U — напряжение между пластинами, Вольты
1 Фарад — это когда на обкладках конденсатора хранится заряд в 1 Кулон и напряжение между пластинами 1 Вольт. Емкость может принимать только положительные значения.
Ёмкость плоского конденсатора, который состоит из двух одинаковых пластин, которые параллельны друг другу. Пластины могут быть разной формы. На практике чаще всего можно встретить квадратные, прямоугольные и круглые пластины. Давайте рассмотрим простой плоский квадратный конденсатор.
где :
d — расстояние между пластинами конденсатора, м
S — площадь самой наименьшей пластины, м2
ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками конденсатора
Готовая формула для плоского конденсатора будет выглядеть так:
где С — емкость конденсатора, ф
ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика
ε0 — диэлектрическая постоянная, ф/м
S — площадь самой наименьшей пластины, м2
d — расстояние между пластинами, м
Диэлектрическая проницаемость — эта величина зависит от типа диэлектрика, который находится между обкладками конденсатора. Например, для воздуха и вакуума это значение равняется 1, для некоторых других веществ можете посмотреть в таблице.
Для линейных диэлектриков, используемых главным образом в качестве электроизоляционных и конденсаторных материалов, диэлектрическая проницаемость в большинстве случаев практически не зависит от напряжения. Сильно выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от напряжения, приложенного к диэлектрику, характерна для сегнетоэлектриков
Хотите сделать конденсатор с огромной емкостью, делайте площадь пластин как можно больше, расстояние между пластинами как можно меньше и заправляйте вместо диэлектрика дистиллированную воду.
1.4.2. Номинальное напряжение
Значение напряжения, обозначенное на конденсаторе или указанное в НТД (нормативно-технической документации), при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.
Рабочее напряжение при эксплуатации конденсатора не должно превышать паспортного значения!
Для конденсаторов с номинальным напряжением 10кВ и менее значения номинальных
напряжений устанавливаются согласно ГОСТ 9665-77 из ряда: 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350; 400; 450; 500; 630; 800; 1000; 1600; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000В
1.4.3. Допустимое отклонение ёмкости
Фактическое значение емкости конденсатора Сф может отличаться от номинального в пределах допускаемых отклонений.
Допускаемое отклонение емкости в %:
1.4.4. ТКЕ
ТКЕ - параметр конденсатора, который характеризует относительное изменение емкости от номинального значения при изменении температуры окружающей среды. Этот параметр принято выражать в миллионных долях емкости конденсатора на градус (10-6 / °С). ТКЕ может быть положительным (обозначается буквой «П» или «Р»), отрицательным («М» или «N»), близким к нулю («МП») или ненормированным («Н»).
В зарубежной системе классификации используется деление керамических конденсаторов на три класса:
• Класс 1 - точные термостабильные конденсаторы с практически линейной зависимостью ТКЕ от температуры;
• Класс 2 - конденсаторы с меньшей температурной стабильностью, но, в основном, с большей объёмной ёмкостью.
• Класс 3 (устаревшие) - т.н. барьерные керамические конденсаторы, имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость и поэтому более высокую объемную ёмкость, чем конденсаторы второго класса. Тем не менее, эти конденсаторы имеют худшие электрические характеристики, в том числе более низкую точность и стабильность. Так как не представляется возможным создание многослойного конденсатора такого типа, на рынке присутствуют лишь выводные конденсаторы третьего класса. По состоянию на 2013-й год конденсаторы третьего класса считаются устаревшими, так как современная многослойная керамика 2 класса может обеспечить более высокую емкость и лучшие параметры в более компактном корпусе.
Для обозначения диэлектриков керамических конденсаторов зарубежом используются два стандарта: EIA RS-198 и IEC/EN 60384-8/21. Согласно этой системе, к первому классу принадлежат следующие диэлектрики:
По стандарту EIA RS-198 керамические конденсаторы 2-го класса различаются по допустимому изменению ёмкости и рабочему диапазону температур.
Пример обозначения, одни из самых распространённых типов диэлектриков:
X7R - ёмкость изменяется на ±15% в диапазоне от -55° до +125°
Y5V - ёмкость может измениться на +22% или -82% в диапазоне от -30° до +85°
В отечественной системе классификации диэлектрики керамических конденсаторов по типу ТКЕ разделяются на три группы:
• Конденсаторы с линейной или близкой к ней зависимостью ТКЕ от температуры
• Керамические конденсаторы различающиеся по допускаемому изменению емкости в интервале температур
• Слюдяные конденсаторы
1.1.1. Диапазон рабочих температур
Таблица. Рабочий диапазон температур конденсаторов
в зависимости от материала диэлектрика
1.1.1. ESR
Эквивалентное последовательное сопротивление обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контактов между ними, а также учитывает потери в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор, вследствие поверхностного эффекта.
В большинстве практических случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение существенно для надёжности и устойчивости работы устройства. В электролитических конденсаторах, где один из электродов является электролитом, этот параметр при эксплуатации со временем деградирует вследствие испарения растворителя из жидкого электролита и изменения его химического состава, вызванного взаимодействием с металлическими обкладками, что происходит относительно быстро в низкокачественных изделиях («конденсаторная чума»).
Некоторые схемы (например, стабилизаторы напряжения) критичны к диапазону изменения ЭПС конденсаторов в своих цепях. Это связано с тем, что при проектировании таких устройств инженеры учитывают этот параметр в фазочастотной характеристике (ФЧХ) обратной связи стабилизатора. Существенное изменение со временем ЭПС применённых конденсаторов изменяет ФЧХ, что может привести к снижению запаса устойчивости контуров авторегулирования и даже к самовозбуждению.
Существуют специальные приборы (ESR-метр (англ.)) для измерения этого достаточно важного параметра конденсатора, по которому можно часто определить пригодность его дальнейшего использования в определённых целях. Этот параметр, кроме собственно ёмкости (ёмкость — это основной параметр), часто имеет решающее значение в исследовании состояния старого конденсатора и принятия решения, стоит ли использовать его в определённой схеме или он прогнозируемо выйдет за пределы допустимых отклонений.
1.1.2. ESL
Эквивалентная последовательная индуктивность ESLобусловлена в основном собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. Результатом этой распределенной паразитной индуктивности является превращение конденсатора в колебательный контур с характерной собственной частотой резонанса. Эта частота может быть измерена и обычно указывается в параметрах конденсатора либо в явном виде, либо в виде рекомендованной максимальной рабочей частоты.
1.1.3. Диэлектрическая абсорбция
Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение на обкладках снова появится, как если бы мы разрядили конденсатор не до нуля. Это явление получило название диэлектрическая абсорбция (диэлектрическое поглощение). Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора.
Подобный эффект можно наблюдать практически на всех типах диэлектриков. В электролитических конденсаторах он особенно ярок и является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. У конденсаторов с твердым диэлектриком (например, керамических и слюдяных) эффект связан с остаточной поляризацией диэлектрика. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с неполярными диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полипропилен и т. п.
Эффект зависит от времени зарядки конденсатора, времени корочения, иногда от температуры. Количественное значение абсорбции принято характеризовать коэффициентом абсорбции, который определяется в стандартных условиях.
Особое внимание в связи с эффектом следует уделять измерительным цепям постоянного тока: прецизионным интегрирующим усилителям, устройствам выборки-хранения, некоторым схемам на переключаемых конденсаторах.
1.1.4. Проводимость (утечка), ток утечки
Предварительно заряженный конденсатор с течением времени теряет запасённую энергию за счёт тока утечки, протекающего через слой диэлектрика между обкладками. Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением:
Rи=U/Iут.
где U — напряжение, приложенное к конденсатору;
Iут — ток утечки.
Из-за тока утечки, протекающего через слой диэлектрика между обкладками и по поверхности диэлектрика, предварительно заряженный конденсатор с течением времени теряет заряд (саморазряд конденсатора). Часто в спецификациях на конденсаторы сопротивление утечки определяют через постоянную времени T саморазряда конденсатора, которая численно равна произведению ёмкости на сопротивление утечки:{\displaystyle T=R_{d}C_{0},}
T= Rи*C0
где T — время, за которое начальное напряжение на конденсаторе, неподключенном ко внешней цепи, уменьшится в e раз.
Хорошие конденсаторы с полимерными и керамическими диэлектриками имеют постоянные времени саморазряда, достигающие многих сотен тысяч часов.
1.1.1. Эффект смещения при постоянном токе (DC-bias)
Керамические конденсаторы изготавливаются на осное диэлектриков разных типов, классифицируемых, в первую очередь, по ТКЕ. Соответственно, ёмкость конденсатора имеет зависимость от температуры. Однако, диэлектрик причисляется к тому или иному классу только в зависимости от его ТКЕ. То есть классифицироваться как "X7R" могут совершенно разные диэлектрики. Более того, оказалось, что керамические конденсаторы меньшего типоразмера больше подвержены изменению ёмкости при повышении приложенного напряжения. Данная зависимость отражена на графике ниже:
Из этого графика можно сделать несколько основных выводов:
a) При увеличении типоразмера уменьшается изменение ёмкости в зависимости от приложенного напряжения, и наоборот.
b) В отличии от типа диэлектрика и типоразмера, номинальное напряжение, похоже, ни на что не влияет. Например, судя по графику для X5R типоразмера 1206 мы видим, что конденсатор на 6,3В на самом деле ведёт себя лучше, чем конденсаторы X5R 1206 на большее номинальное напряжение. Возможно, в данном единичном случае это ошибка в данных даташита, однако зависимость изменения ёмкости от номинального напряжения, похоже действительно отсутствует.
c) Диэлектрик с лучшей термостабильностью при том же типоразмере имеет меньшую чувствительность к изменениям напряжения. Данный вывод можно сделать сравнивая графики X7R и X5R одного типоразмера. Не факт, что данное правило универсально для всех моделей на рынке, но с конденсаторами Murata это так.
Мы видим устойчивое улучшение ситуации по мере роста размера корпуса пока мы не достигнем типоразмера 1210. Дальнейшее увеличение корпуса уже не имеет смысла.
1. Классификация конденсаторов
1.1.1. По характеру изменения ёмкости (линейные, не линейные)
1.1.2. По назначению (общего, прецизионные, специальные)
1.1.3. По способу монтажа (SMD, SHT, с механическим креплением)
1.1.4. По возможности изменения ёмкости (постоянные, переменные)
1.1.5. По типу и материалу диэлектрика
1.1.6. По характеру рабочего напряжения (полярные, не полярные)
2. Устройство конденсаторов
2.1.1. Устройство постоянных конденсаторов
2.1.1.1. Устройство керамического конденсатора
1.1.1.1. Устройство электролитического конденсатора
Алюминиевый электролитический конденсатор радиального типа – электролитическое накопительное устройство постоянной ёмкости. Корпус цилиндрический с однонаправленными проволочными гибкими выводами радиального типа (radial lead), жесткими выводами лепестковыми (snap-in) или с выводами под винт (screw terminal). Представленные серии конденсаторов имеют полярный тип конструкции. Полярность выводов, краткие технические данные, а также маркировка конденсатора нанесены на корпусе с помощью краски.
В цилиндрическом алюминиевом корпусе расположены анодная и катодная фольга – электроды, между которыми находится бумага, пропитанная электролитом, диэлектрик (тонкая оксидная пленка) и бумажный разделитель. В нижней части конденсатора размещен резиновый уплотнитель и вывода. Алюминиевый корпус конденсатора покрыт изолирующей оболочкой. На верхней торцевой части корпуса расположен предохранительный клапан или защитные надсечки (крестообразные, в форме буквы К или Т), которые обеспечивают взрывобезопасность конденсатора при его выходе из строя вследствие перегрева, пробоя или переполюсовки. Суть защитного устройства базируется на возможности выброса накопленного внутри корпуса излишнего давления паров газа электролита. Возрастание внутреннего давления сопровождается выбросом пробки клапана или разрушением корпуса по надсечкам, но без взрыва, разбрасывания обкладок и сепаратора, предотвращая таким образом повреждения соседних элементов схемы. Емкость электролитического конденсатора обратно пропорциональна минусовой температуре: с понижением температуры вязкость электролита увеличивается, тем самым снижая его проводимость. Повышение температурного режима приводит к уменьшению срока службы конденсатора, поэтому при их установке следует избегать близкого расположения тепловыделяющих компонентов.
ESR (ЭПС), ESL
Из-за скручивания анодной и катодной обкладок в рулон образуется паразитная индуктивность. Величина этой индуктивности составляет 20...200 нГн. Чтобы как-то учесть "паразитную" индуктивность конденсатора стали использовать такой показатель, как ESL (Equivalent Series Inductance) – эквивалентная последовательная индуктивность. В технической литературе обычно применяется именно аббревиатура ESL, а не ESI, хотя можно встретить и то, и то.
Так как электролит, катодная и анодная обкладка, а также переходные соединения и выводы обладают активным сопротивлением, то всё это общее активное сопротивление назвали эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR – Equivalent Series Resistance).
Полное сопротивление конденсатора складывается из трёх составляющих, и включает как активное, так и реактивное сопротивление (ёмкостное XC и индуктивное XL), которое зависит от частоты. С наличием ёмкостного сопротивления всё понятно, ведь речь идёт о конденсаторе. А вот индуктивное сопротивление – это уже следствие наличия ESL (паразитной индуктивности), которая образуется из-за намотки алюминиевой фольги. Формула расчёта импеданса для последовательной цепи выглядит так:
Теперь взглянем на график. На нём показано, как меняется величина ESR (R), XC, XL, Z в зависимости от частоты.
Как видим, с ростом частоты ESR (R) постепенно уменьшается. Также стоит отметить, что с ростом температуры ESR тоже уменьшается, так как удельная электропроводность электролита растёт. Ёмкостное сопротивление XC с ростом частоты (пульсаций) также стремительно падает и в конечном итоге становится меньше того самого ESR (R).
С индуктивным сопротивлением XL, которое обусловлено наличием ESL, всё обстоит наоборот. С ростом частоты оно увеличивается. Реактивное сопротивление индуктивности начинает проявлять себя на частотах выше 100 – 1000 кГц. Это приводит к тому, что на высоких частотах конденсатор всё меньше представляет собой ёмкость. Из этого следует вывод, что чем больше ESL, тем ниже частота, до которой конденсатор ведёт себя как ёмкость. Таким образом, ESL влияет на способность конденсатора работать в цепях с высокой частотой пульсации тока (импульсных источниках питания, цифровых системах и пр.).
Так как индуктивное сопротивление (из-за ESL) является частью полного сопротивления Z (импеданса), также, как и ESR, то конденсаторы, которые имеют низкий ESL и ESR, называют конденсаторами Low Impedance (сокр. Low Imp). Таким образом, конденсаторы, которые имеют низкий импеданс ещё лучше тех, что имеют низкий ESR, так как могут работать ещё и на более высоких частотах. Стоит отметить, что на частоте 100 кГц, которая считается типичной для импульсных источников питания, величина импеданса и ESR отличается незначительно. Поэтому разницы между Low Impedance и Low ESR конденсаторами практически нет. Другое дело, если тот будет работать в более высокочастотной цепи. В таком случае, Low Impedance конденсатор подойдёт лучше.
Не секрет, что высокий ESR плохо сказывается на сроке службы электролитического конденсатора. При любом изменении напряжения на обкладках конденсатора через него протекает импульс тока, так называемый Ripple current – пульсация тока (R.C.). При этом на ESR выделяется тепло, которое разогревает электролит и способствует его испарению. Со временем это приводит к снижению ёмкости конденсатора и его полной неработоспособности.
1.1.1.1. Устройство танталового конденсатора
Вот так выглядит танталовый чип-конденсатор для поверхностного монтажа ёмкостью 1 мкФ и рабочее напряжение 35V. Как известно, на ёмкость конденсатора влияет площадь обкладок, а также толщина диэлектрика, который находится между ними.
В качестве анода в танталовом конденсаторе выступает порошок из тантала высокой степени очистки. Этот порошок прессуют и нагревают в вакууме до высокой температуры (1300 – 2000С). В результате получается пористая структура, похожая на губку. За счёт высокой пористости удаётся получить большую площадь анодной обкладки.
Далее при производстве конденсатора формируется диэлектрик. Это делается с помощью электрохимического окисления. Меняя величину приложенного напряжения, формируют необходимую толщину слоя диэлектрика. На пористой поверхности танталового анода образуется тончайшая плёнка диэлектрика – пентаоксида тантала Ta2O5. Благодаря этому оксиду удаётся получить очень тонкую и непроводящую плёнку. Отметим, что полученный диэлектрик имеет аморфную структуру и не проводит ток. Также существует кристаллический Ta2O5, но в отличие от аморфного он является проводником. Таким образом, толщина слоя диэлектрика у танталового конденсатора составляет от 10 до 100 нанометров , Для сравнения. У рядовых алюминиевых электролитических конденсаторов толщина диэлектрика чуть менее 1 мкм (1 мкм = 0,000 001 метра). Это в 100 раз больше, чем толщина самой тонкой плёнки пентаоксида тантала в 10 нанометров.
В качестве электролита в танталовых конденсаторах используется диоксид марганца MnO2. Данный оксид является твёрдотельным полупроводниковым материалом. Полученную ранее губчатую структуру из пористого танталового порошка с образованным слоем диэлектрика пропитывают солями марганца. Далее с помощью окислительно-восстановительной реакции под нагревом формируют слой твёрдого электролита. Процесс повторяется несколько раз.
Для наилучшего контакта с выводом катода твёрдый электролит MnO2 покрывают слоем графита, а на его поверхность наносят металл, обычно это серебро. Полученную конструкцию запрессовывают в компаунд.
ESR танталовых конденсаторов.
ESR танталового конденсатора на низких частотах определяется сопротивлением диэлектрика Ta2O5, а на высоких частотах его определяет уже сопротивление электролита MnO2. Как известно, импеданс (ёмкостное сопротивление) с ростом частоты падает вплоть до частот мегагерцового диапазона. А поскольку сопротивление электролита MnO2, которое входит в ESR также уменьшается с увеличением температуры, то на высоких частотах ESR тоже уменьшается. Благодаря этому, танталовые конденсаторы прекрасно работают в импульсных источниках питания, рабочая частота которых выше 100 кГц. На высоких частотах ESR их очень мал.
Недостатки танталовых конденсаторов.
Особенностью танталовых конденсаторов является то, что пентаоксид тантала имеет аморфную структуру и не проводит ток. Но, вот кристаллический Ta2O5 является прекрасным проводником. Под действием внешней температуры и высокого напряжения в диэлектрике образуются участки с кристаллическим Ta2O5. Это приводит к резкому возрастанию токов утечки и пробою.
При малых областях кристаллизации Ta2O5 может проявляться эффект восстановления. Возросший ток через область пробоя вызывает сильный нагрев и, как следствие, химические реакции в структуре твёрдого электролита MnO2. В результате нескольких преобразований образуется непроводящий оксид марганца (MnO). Таким образом, место пробоя "закрывается" непроводящим ток оксидом.
Особенности применения танталовых конденсаторов.
В настоящее время в широкой продаже имеются танталовые конденсаторы на номинальное напряжение до 75V. Как оказалось, танталовые конденсаторы очень чувствительны к превышению номинального напряжения. Наблюдения показали, что если снизить рабочее напряжение на 5%, то показатель отказов снижается на 50%. Именно поэтому их рекомендуют использовать в схемах, где рабочее напряжение ниже номинального напряжения.
Обычно танталовые конденсаторы встречаются на печатных платах в виде SMD-элементов жёлто-оранжевого цвета. Несмотря на свои скромные размеры, они обладают ёмкостью в несколько десятков – сотен микрофарад и рассчитаны на рабочее напряжение от 4 до 75 вольт. Со стороны плюсового вывода на их корпус наносится полоса.Танталовые конденсаторы для монтажа в отверстия обычно имеют каплевидную форму, покрыты жёлто-оранжевым компаундом и имеют со стороны плюсового!!! вывода метку в виде линии.
Маркировка танталовых конденсаторов похожа на маркировку керамических. Ёмкость указывается тремя цифрами, последняя указывает на количество нулей. Таким образом, запись 226 говорит нам о том, что ёмкость равна 22 000 000 пикофарад = 22 000 нанофарад = 22 микрофарады. Номинальное напряжение (Rated Voltage) указывается ниже. Далее на фото видно, что номинальное напряжение конденсатора равно 35 вольтам (надпись 35).
На некоторых конденсаторах маркировка иная. После числового значения ёмкости ставится буква µ (микро), а после номинального напряжения конденсатора указывается буква V. На фото показан танталовый конденсатор ёмкостью 10 мкФ и номинальное напряжение 16V.
1.1.1.1. Устройство керамических SMD конденсаторов
Керамические конденсаторы SMD (чип) – многослойные керамические конденсаторы постоянной ёмкости для поверхностного монтажа, диапазон накапливаемого заряда от 0,5пФ до 3,3мкФ при напряжении от 25В до 1000В. Допустимое отклонение ёмкости составляет ±5%, ±10%, ±20%. Конструктивно конденсаторы для поверхностного монтажа в зависимости от габаритных размеров подразделяются на несколько типоразмерных групп: 0603 (1,6х0,8 мм), 0805 (2,0х1,2 мм), 1206 (3,2х1,6 мм), 1210 (3,2х2,5 мм), 1812 (4,5х3,2 мм), 2225 (5,6х6,4 мм).
В представленных керамических SMD конденсаторах используется несколько типов неорганического диэлектрика:
· высокостабильный диэлектрик NPO, характеризирующийся высокой добротностью и линейной температурной зависимостью диэлектрики типов X7R
и Y5V – имеют более высокие уровни потерь и полустабильную температурную зависимость.
Увеличения емкости можно добиться уменьшением толщины слоев диэлектрика, увеличением числа электродов, их активной площади, повышением диэлектрической проницаемости диэлектрика. Уменьшение толщины диэлектрика и связанная с этим возможность увеличения количества электродов — основной способ увеличения емкости керамических конденсаторов. Но снижение толщины диэлектрика приводит с снижению напряжения пробоя. Потому конденсаторы большой емкости трудно найти на высокое рабочее напряжение. Увеличение числа слоев диэлектрика — процесс, технологически связанный с уменьшением толщины единичного слоя
Естественной областью применения подобного спектра керамических конденсаторов большой емкости может быть замена ими танталовых и алюминиевых конденсаторов для поверхностного монтажа в схемах подавления пульсаций, разделения постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, интегрирующих цепочках. Однако при этом необходимо учитывать принципиальные различия между этими группами деталей, делающие, в большинстве случаев, бессмысленными замены типа электролитический конденсатор номинал×напряжение на аналогичные номинал×напряжение керамического конденсатора. Рассмотрим коротко основные причины этого.
Частотные свойства конденсаторов определяет зависимость их импеданса и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) от частоты.
Существенная разница в импедансе на частотах выше 1 кГц с алюминиевыми электролитическими и свыше 10 Гц с танталовыми конденсаторами позволяет в некоторых случаях использовать для сглаживания пульсаций напряжения номиналы меньшей емкости для получения аналогичного эффекта. Разница в величине сглаживания паразитных синусоидальных пульсаций различных частот конденсаторами разного типа, но одинаковой емкости — 10 мкФ — дана в таблице.
Таким образом, для обеспечения одинакового с танталовым конденсатором в 10 мкФ уровня подавления пульсаций частотой 1 МГц можно использовать керамический конденсатор емкостью 1,0–2,2 мкФ. Экономия места на плате и денег очевидна.
Низкое эквивалентное последовательное сопротивление и связанные с ним малые потери позволяют значительно сильнее нагружать керамические конденсаторы, нежели электролитические, несмотря на их значительно более скромные габаритные размеры, не вызывая при этом критического для детали разогрева.
Еще одним, и немалым плюсом керамических конденсаторов является их способность кратковременно держать высокие напряжения перегрузки, многократно превышающие номинальные. Ибо там в моменты запуска и выключения могут генерироваться импульсы до нескольких значений выходного напряжения, заставляя использовать электролитические конденсаторы с большим запасом по напряжению.
При всех своих достоинствах керамические конденсаторы большой емкости производятся с использованием диэлектриков типа X7R/X5R и Y5V. Их отличительной особенностью является сильная зависимость диэлектрической проницаемости, а с ней и емкости, от температуры и приложенного напряжения.
При достаточно жестких требованиях к стабильности номинала, например во времязадающих цепях, или при развязке постоянной и переменной составляющих, на замену электролитическим конденсаторам можно рекомендовать только керамические с диэлектриком X7R, который может оказаться еще более интересным, если принять во внимание его диапазон рабочих температур: –55 — +125 °С, позволяющий ему найти применение как в аппаратуре, рассчитанной на работу на улице в условиях севера, так и в автомобильной технике, с ее жесткими требованиями к сохранению работоспособности при высоких температурах. Однако для сглаживающего конденсатора стабильность номинала не является критическим параметром. Потому можно рассчитывать на высокую востребованность и емкостей на основе менее стабильной керамики Y5V, из которой можно получить детали меньшего габарита и стоимости.
1. Условное обозначение конденсаторов
1.1. Современная система обозначения конденсаторов (с 1980г.)
В соответствии с ОСТ 11.074.008-76 условное обозначение конденсаторов бывает сокращённым и полным. Сокращённое обозначение состоит из трёх элементов:
· первый элемент – буква или сочетание букв (К – конденсатор постоянной ёмкости, КТ – конденсатор подстроечный, КП – конденсатор переменной ѐмкости, КН – конденсатор нелинейный, КС – конденсаторная сборка и др.), обозначающих подкласс конденсаторов;
второй элемент – число, определяющее группу конденсаторов в соответствии с табл.
· третий элемент – регистрационный (порядковый) номер разработки
Например, обозначение К10-17 означает керамический конденсатор на напряжение до 1,6 кВ с порядковым номером разработки 17, а КН2-2 –термоконденсатор с регистрационным номером 2.
Полное условное обозначение конденсатора состоит из:
- сокращённого обозначения;
- варианта конструктивного исполнения;
- значений основных параметров конденсатора;
- климатического исполнения;
- обозначения документа на поставку.
Основные параметры конденсаторов указываются в следующей последовательности:
- номинальное напряжение;
- номинальная ёмкость;
- допускаемое отклонение ёмкости от номинального значения;
- группа по температурному коэффициенту ёмкости (ТКЕ)
Например, полное условное обозначение К73-15-160В – 0,33 мкФ ±10 % – ВОЖ0.461.107ТУ определяет полиэтилентерефталатный конденсатор постоянной ёмкости (К73) с порядковым номером разработки 15 наноминальное напряжение 160 В, номинальной ёмкостью 0,33 мкФ и допускаемым отклонением ±10%, все климатического исполнения (В), поставляемого по ОЖ0.461.107ТУ
1.1. Устаревшая система обозначения конденсаторов.
Сокращённое обозначение разработанных до 1976 г. и выпускаемых ПО настоящее время конденсаторов осуществляется по конструктивным, технологическим, эксплуатационным и другим признакам (КД – конденсаторы дисковые; ФТ – фторопластовые теплостойкие; КТ – конденсаторы трубчатые, КСО – конденсатор слюдяной опрессованный и т.п.).
1.2. Старая система обозначения конденсаторов (до 1968г.)
1. Маркировка конденсаторов
1.1. Полное обозначение буквенное цифровое выводных конденсаторов
1.2. Кодированное обозначение буквенное цифровое выводных конденсаторов
Маркировка конденсаторов осуществляется в соответствии с ГОСТ 28883–90 и рекомендациями МЭК буквенно-цифровым способом и заключается в нанесении на корпус марки конденсатора, значений номинального напряжения и ёмкости, допустимого отклонения ёмкости, группы ТКЕ и даты изготовления.
Для конденсаторов малых размеров обычно применяют сокращённую маркировку с использованием кодированных обозначений. Незащищённые конденсаторы не маркируются, а их характеристики указывают на упаковке. Коды номинального напряжения, наносимые на корпус конденсатора в виде букв латинского алфавита, приведены в табл.
Существует система обозначения где напряжение может указываться двумя символами – один буква указывающая на мантиссу действующего напряжения, а второй показатель степени десятичного множителя, а кодировка ёмкости и допуска остаётся прежней.
Кодированное обозначение номинальных ёмкостей состоит из трёх или четырёх знаков, приём буква кода из латинского или греческого алфавита обозначает множитель, составляющий ёмкость, и определяет положение запятой десятичного знака: F – 1; m – 10-3 ;μ – 10-6; n – 10-9 ;p – 10-12. Например, надписи 15p, p10, 51n, 100μ, 2μ2 обозначают 0,15 пФ, 10 пФ,1,5 нФ, 100 мкФ и 2,2 мкФ соответственно. Код допускаемого симметричного отклонения ёмкости от номинального значения маркируется буквами латинского алфавита по аналогии с резисторам и в соответствии с табл.
Кодировка группы ТКЕ также осуществляется с использованием букв латинского алфавита согласно табл. 2.2.9.
Например, сокращённая буквенно-цифровая маркировка на конденсаторе 47p KV обозначает номинальную ёмкость 47 пФ с допускаемым отклонением±10% и температурной нестабильностью группы М1500. Надпись m20KJ определяет конденсатор ёмкостью 200 мкФ с допуском 10% на 50 В.
1.1. Цветовая кодировка выводных конденсаторов.
Для маркировки миниатюрных конденсаторов широко используется цветовая кодировка, которую выполняют по ГОСТ 26192–84 для обозначения номинальной ёмкости и ещё допустимого отклонения, номинального напряжения от 1,6 до 63 В и группы ТКЕ Маркировку наносят в виде цветных точек или полосок. Необходимо отметить, что в случае кодирования группы ТКЕ двумя цветами второй цвет может быть представлен цветом корпуса конденсатора.
1.1. Буквенно- цифровая кодировка SMD конденсаторов
