Как выбрать конденсатор?
При переходе в категорию "конденсаторы" на сайтах популярных дистрибьютеров можно увидеть до миллиона результатов. Какой же выбрать? По каким параметрам искать и какие лучше подходят под ваше устройство?
Классификация
Начнем с классификации. Дерево начинается с разделения на две категории: постоянные и переменные конденсаторы. Из названия групп все понятно, у переменных конденсаторов возможно изменение емкости в определенном диапазоне. У постоянных конденсаторов емкость - константа. В данной статье будут рассмотрены только постоянные конденсаторы.
Стеклянные конденсаторы
В качестве диэлектрика используется стекло, расположенное между двумя электродами. Применяются при высоких требованиях к надежности. Диэлектрик заключен в герметичный корпус, в связи с этим влияние внешней среды минимизировано. Обладают высокой стабильностью, низкими потерями, но невысокой ёмкостью(сотни нФ). Применяются довольно редко.
Масляные/бумажные конденсаторы
Представляют из себя ролл, состоящий из листов диэлектрика, на которые помещается слой проводящей фольги. Далее эта конструкция скручивается и помещается в корпус. Популярны в основном в силовых установках. Способны выдерживать десятки тысяч вольт и сотни ампер. Масляное заполнение улучшает теплопередачу на корпус, что позволяет более эффективно охлаждать конденсаторы. Также у масляных конденсаторов есть замечательное свойство самовосстанавливаться.
Внешний могут выглядеть и так:
Вакуумные конденсаторы
Диэлектриком является вакуум, как можно понять из названия. Нашли применение в высоковольтном оборудовании (десятки кВ), в том числе и высокочастотном. Применяется в установках индуктивного нагрева, могут самовосстанавливаться.
Слюдяные конденсаторы
В качестве диэлектрика используются тонкие слои слюды, чередующиеся со слоями проводника. Еще один тип конденсаторов с высокой стабильностью и точностью. Может выдерживать до тысячи вольт и обладает низкими потерями, в связи с этим используется для задания постоянных времени, создания фильтров. Популярен в оборудовании, работающем на радиочастотах.
Кремниевые конденсаторы
Конденсаторы, выполнение на кристалле кремния. Регулярно встречаются внутри готовых микросхем. Обладают низкой паразитной индуктивностью и сопротивлением, применяются для развязки сигналов на кристалле, фильтрации питания. Самое частое применение - хранение заряда в ячейке памяти DRAM, фильтрация питания. Рассчитаны на десятки вольт.
Пленочные конденсаторы
Конденсаторы, состоящие из множества тонких слоев полимера, расположенных между слоями проводящей фольги. Пленочные конденсаторы способны выдерживать до нескольких киловольт, обладают высокой точностью, низким ESR (об этом параметре позже). Относительно недорогие по сравнению с конденсаторами, перечисленными выше. Применяются в различных областях от источников питания до радиоаппаратуры.
Электролитические конденсаторы
Для электролитических конденсаторов с диэлектриком Al2O3 технология изготовления аналогична бумажным, однако изолирующая бумага пропитывается жидким электролитом:
В случае с танталовыми (Ta2O5, MnO2) внутренняя структура будет несколько отличаться. Для цилиндрических конденсаторов она выглядит так:
Электролиты и танталовые конденсаторы присутствуют практически в любом устройстве. Обладают большой емкостью и способны выдерживать достаточно высокое напряжение (до кВ). Важной особенностью данных конденсаторов является их однополярность. Напряжение на конденсаторе должно быть направлено от анода к катоду. Современные танталы ушли далеко от своих предшественников, сегодня это могут быть конденсаторы с высокой емкостью и очень низким ESR, изготовленные уже, конечно, по другой технологии. Кстати, с танталами стоит быть аккуратнее, они чаще других конденсаторов выходят из строя, не любят резкие броски тока.
Суперконденсаторы
Чем то схожи с электролитическими, но теперь между электродами дополнительно добавляют сепаратор. Он нужен, чтобы не допустить перемещения зарядов от одного электрода ко второму. Являются обладателями максимально возможной емкости. Напряжения, однако, варьируются в пределах пары десятков вольт. Используются для обеспечения бесперебойного питания на коротком промежутке времени.
Керамические конденсаторы
Самая многочисленная группа конденсаторов. В качестве диэлектрика используется различная керамика, которая чередуется с металлом, относящимся к каждому из электродов. Работают в широком диапазоне напряжений (до десятков кВ), имеют высокую удельную емкость, низкий ESR и потери.
В качестве итога классификации можно использовать следующую диаграмму, на ней присутствуют самые популярные типы конденсаторов:
Характеристики конденсаторов
Рассмотрим по каким же критериям и параметрам можно подбирать конденсаторы:
Емкость (Capacitance)
Безусловно, важнейший параметр, по которому отсеется большинство претендентов, думаю тут объяснять не требуется.
Максимальное рабочее напряжение (Maximum rated voltage)
Второй важнейший параметр, по которому следует вести поиск. Однако не для всех конденсаторов можно выбирать напряжение вплотную к максимальному напряжению на схеме. Для некоторых танталов, электролитов и керамики рекомендуется выбирать напряжение с двойным запасом. Однако все зависит от конкретного конденсатора, современные танталы могут работать отлично и при 100% от максимального напряжения, и даже чуть выше.
Полярный/не полярный
Для определённых приложений возможно использовать полярные конденсаторы, например, они популярны на входе и выходе источников питания, где напряжение не меняет полярность. Полярные конденсаторы обладают большей емкостью, однако подойдут не для всех схем.
Точность
Важный параметр для прецизионных схем. При большом разбросе емкости вы можете получить некорректную работу схемы, особенно если емкость стоит в фильтре, осцилляторе, времязадающей цепи. Конденсаторы с высокой точностью - слюдяные, пленочные, некоторые типы керамических.
Паразитные параметры (ESR, ESL, Rp)
Как мы знаем, у всех компонентов есть паразитные параметры. Конденсаторы не стали исключением. У электродов любого конденсатора присутствует ненулевые сопротивление и индуктивность, диэлектрик также не идеален и имеет большое, но не бесконечное сопротивление. Эквивалентная схема конденсатора с паразитными параметрами выглядит следующим образом:
ESR - последовательное cопротивление, его составляющие: сопротивление электродов и внутренних соединений (которое зависит от частоты из - за скин эффекта), диэлектрические потери, также зависимые от частоты;
ESL - последовательная индуктивность выводов и внутренних соединений;
Rp(IR) - параллельное сопротивление, которое иллюстрирует утечки в диэлектрике.
В связи с этим полный импеданс конденсатор описывается следующей формулой:
При работе конденсатора на низких частотах ESL, ESR не берутся в расчет, однако, когда вы доходите до резонансной частоты (когда реактивный компонент Xl становится равен Xc) паразитные параметры играют огромную роль. При повышении рабочей частоты выше резонансной, конденсатор начинает действовать как индуктивность. В этом случае он больше не выполняет свою функцию.
Таким образом, чтобы не получить индуктивное поведение, которое ведет к дополнительным пульсациям, стоит использовать конденсатор с меньшим ESL. Чаще всего это будут керамические конденсаторы поверхностного монтажа, есть даже специальные корпуса, в которых индуктивность минимизирована.
ESR также играет важную роль. В случае больших пульсаций тока через конденсатор, например, в источниках питания, ток будет создавать падение напряжения на ESR. Это приведет к дополнительным помехам, потерях в конденсаторе и деградации импеданса подсистемы питания. ESR также растет с повышением температуры. А вот так выглядит распределение ESR для разного типа конденсаторов:
Популярным приемом является каскадирование различных типов конденсаторов (комбинация электролитов/танталов и керамики разных номиналов), чтобы получить требуемый импеданс подсистемы питания с учетом ESR и ESL. Низкий импеданс на высоких частотах позволяет нагрузке резко менять потребление энергии без просадок напряжения. Пример построения подсистемы питания для высокопроизводительной микросхемы:
И, наконец, Rp(IR) - параллельное сопротивление, в документации чаще всего Insulation resistance. Данный параметр важен в случае если ваш конденсатор используется в устройстве с низким потреблением, например, в носимых устройствах с батарейным питанием или медицинском оборудовании.
Тип монтажа (поверхностный/выводной)
При выборе типа монтажа стоит ориентироваться на несколько параметров: свободное место на плате, удобство размещения других компонентов, технологичность производства, стоимость компонента, паразитные параметры. Чаще всего выводные компоненты стоят дешевле, но обладают большими ESR, ESL, а при их пайке требуется дополнительная технологическая операция.
Тип диэлектрика
Особенно актуально для керамических конденсаторов. У разных типов диэлектриков отличается удельная ёмкость (больше емкости в том же корпусе), температурный диапазон, изменение емкости от температуры. Таблица для класса 2 и 3 керамических диэлектриков:
Для класса 1 таблица выглядит так:
Далее выбор за вами, к какому изменению емкости на всем температурном диапазоне вы готовы. Самые популярные диэлектрики для индустриальных применений: X7R, Y6S, C0G. Для потребительской электроники: X5R, X7R, Y5V. Для военной - в основном C0G, хотя все зависит от температурного диапазона и предназначения конденсатора.
Для сравнения можно посмотреть на изменение емкости для электролитических конденсаторов относительно керамических:
Максимальный пульсирующий ток через конденсатор (Ripple current)
Больше всего актуально при построении источников питания. На каждом цикле работы преобразователя ток заряжает/разряжает входной и выходной конденсаторы.
График пульсаций тока в выходном конденсаторе:
Пульсации тока относительно статического значения не должны превышать значения, заданного производителем. В ином случае конденсатор может перегреться и сгореть/взорваться. Важно помнить, что бросок тока возможен и при резко приложенном напряжении к обкладкам разряженного конденсатора. Если же вы видите, что выходите за пределы разрешенных значений, решением является поставить параллельно еще один конденсатор - таким образом, допустимые пульсации возрастут в два раза.
Температурный диапазон
Диапазон в котором конденсатор может гарантировано работать. Стоит выбирать исходя из параметров конечного устройства, а также ориентируясь на предыдущие два пункта.
Добротность (Q-factor)
Добротность обратна к тангенсу потерь(tanб) и говорит нам о том, насколько эффективно конденсатор накапливает и отдает энергию:
По этому параметру можно понять насколько большие потери вы получите на определенной частоте. Для цепей радиооборудования, осцилляторов, высокочастотных источников питания требуются конденсаторы с высокой добротностью, иначе, при передаче энергии, конденсатор может перегреться за счет рассеивания энергии. Керамические и слюдяные конденсаторы обладают высокой добротностью.
Срок службы(Life expectancy)
Важный параметр для построения высоконадежных систем. Различные типы конденсаторов имеют разный срок службы. Электролитические конденсаторы обычно имеют более короткий срок службы по сравнению с керамическими или пленочными конденсаторами. При превышении максимальных параметров, заданных производителем, конденсаторы деградируют быстрее. Повышена температура и агрессивная окружающая среда сокращают срок службы.
Неожиданные сюрпризы
И вот вы нашли ваш идеальный конденсатор. Теперь важно упомянуть о паре неожиданных эффектов, на которые вы могли не обратить внимание, хотя это может повлиять на ваше устройство.
Снижение емкости в зависимости от постоянного напряжения (DC bias)
Предположим, вы взяли керамических конденсаторов X5R на 10В для своего источника питания на 5В. По расчетам для обеспечения необходимого уровня пульсаций на выходе вам потребовалась емкость 100мкФ. Вам приходит плата, вы замеряйте уровень пульсаций и получайте значение в 2 раза хуже. Почему? Все дело в том, что у керамических есть замечательный график, который называется dC/C vs DC bias. При приближении рабочего напряжения к максимальному, ваша эффективная емкость будет снижаться(с разной скоростью, в зависимости от типа диэлектрика). Для минимизации эффекта стоит выбирать конденсаторы с бОльшим максимальным напряжением, либо с диэлектриком первого класса.
Данный эффект затрагивает только керамические конденсаторы. Кстати, он еще зависит и от размера корпуса, для больших корпусов уменьшение емкости снижается:
Эффект старения
Если рассчитываете на применение в устройстве на протяжении долгого срока стоит обратить внимание на этот параметр. В лидерах электролиты, которые высыхают со временем, далее идут керамические конденсаторы. У электролитов со временем повышается вероятность выхода из строя, растет ESR.
Обычной практикой является замена электролитов после выработки своего ресурса. Керамические конденсаторы же можно восстановить нагревом до точки Кюри:
Пьезоэффект
Пьезоэффект - эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. Очень неприятный эффект для керамических конденсаторов, стоящий на плате, подвергающейся механическим колебаниям. Особенно внимательно стоит анализировать данный эффект в автомобильных приложениях. Механические вибрации передаются на плату, далее прикладываются к конденсатору и создают дополнительный пульсации напряжения на его обкладках:
Даже единичное механическое колебание преобразуется в помеху:
Также присутствует и обратный эффект, пульсации напряжения на определённой частоте приводят к механическим колебаниям в диэлектрике, создавая скачки ESR:
Выходом является использовать высокостабильные диэлектрики 1 класса, в частности C0G.
Изменение емкости с изменением амплитуды переменного напряжения
И опять страдают керамические конденсаторы с диэлектриком 2 и 3 классов. При изменении амплитуды переменного сигнала на обкладках конденсатора изменяется и его емкость. На 1 класс диэлектриков это не распространяется, они сделаны по другой технологии.
Эффект памяти
Данный эффект связан с тем, что переориентирование некоторых диполей в диэлектрике происходит с задержкой. Это приводит к тому, что после полного разряда конденсатора до 0 через некоторое время на его выводах появится положительное напряжение:
Данный эффект оказывает особое влияние на цепи точных измерений с интегральной составляющей, добавляя значительную ошибку. Выходом является использование конденсаторов, минимизирующих данный эффект: керамики 1 класса, пленочные конденсаторы.
Заключение
Надеюсь, теперь вы знаете чуть больше о конденсаторах и сможете подобрать своего идеального кандидата. Главное правило - досконально изучить документацию, особенно если речь об ответственных применениях.