- Пристрій оксидних конденсаторів
- Порівняльна характеристика оксидних конденсаторів
- Вплив ЕРС конденсатора на параметри джерела живлення
- Оцінка впливу температури корпусу на основні параметри конденсатора
- Вплив частоти на параметри конденсаторів
- Огляд полімерних конденсаторів фірми ТЕАРО
- Висновок
Наши партнеры ArtmMisto
4 грудня 2014 р о 12:15, 1966
У 1983 році на світовому ринку традиційно відомі алюмінієві оксидні конденсатори з рідким електролітом вперше були потіснені їх «молодшими побратимами», що виготовляються за оновленою технології. Багато виробників, в тому числі тайванська фірма ТЕАРO, що зародилася ще в 1956 році як один з підрозділів корпорації SAMPO, замість рідкого електроліту незабаром стали застосовувати спеціальний струмопровідний твердотільний полімер, що дозволило істотно поліпшити параметри таких конденсаторів. У 1983 році на світовому ринку традиційно відомі алюмінієві оксидні конденсатори з рідким електролітом вперше були потіснені їх «молодшими побратимами», що виготовляються за оновленою технології. Багато виробників, в тому числі тайванська фірма ТЕАРO, що зародилася ще в 1956 році як один з підрозділів корпорації SAMPO, замість рідкого електроліту незабаром стали застосовувати спеціальний струмопровідний твердотільний полімер, що дозволило істотно поліпшити параметри таких конденсаторів. У даній статті пояснюються особливості пристрою і маркування твердотільних оксидних конденсаторів, які здійснює фірма ТЕАРО, а також наведено їх порівняльна оцінка з традиційними аналогами.
Пристрій оксидних конденсаторів
Серед загальновідомих електронних компонентів найбільш простим є конденсатор, що містить дві металеві обкладки, розділені діелектриком. Чим більше площа обкладок і тонше шар діелектрика, тим більшою ємністю володіє конденсатор. Настільки нехитрий прилад незамінний практично у всіх електронних пристроях, і перш за все, як фільтруючий елемент, що згладжує пульсує напруга в імпульсних джерелах живлення. Очевидно, що для необхідної досить великої ємності площа обкладок конденсатора виходить досить значною, тому для зменшення габаритів одним з небагатьох конструктивних рішень виконання такого елемента може бути згортання обкладок в компактний рулон. Таку конструкцію оксидного конденсатора ілюструє рис. 1.
Верхня частина малюнка (1a) відповідає зовнішньому вигляду зібраного конденсатора, а середня (1б) - умовно розгорнутому рулону, освіченій обкладинками. Тут добре видно, що дві алюмінієві стрічкові обкладання в центрі рулону з'єднані з висновками, на один з яких (довший - анод) подають позитивну напругу, на інший (катод) - негативне. Рулон з висновками поміщений в алюмінієвий корпус - стакан, у верхній частині якого висновки герметизують за допомогою ущільнювача гумового диска. При згортанні в рулон негативна обкладка з обох сторін виявляється відокремленою від позитивної розділовим шаром, який в конденсаторі з рідким електролітом є пористу папір, просочену спеціальним струмопровідним рідким хімічним складом. У твердотільному конденсаторі як розділовий шар, як згадувалося раніше, використовують струмопровідний полімер. Таку конструкцію межобкладочного простору в оксидному конденсаторі пояснює його великопланових перетин, показане на рис. 1в.
Як можна переконатися, розділовий шар в даній конструкції розділяє обкладки лише фізично, а за своїми електричними властивостями він служить майже ідеальним провідником. Отже, щоб уникнути короткого замикання між обкладинками повинен існувати ще й якийсь діелектрик. Таким діелектриком в оксидних конденсаторах з рідким електролітом служить показана на малюнку тонка плівка з оксиду алюмінію на позитивній обкладанні. У полімерних конденсаторах ізоляційну окисну плівку створюють не на обкладанні, а на поверхні струмопровідного розділового шару. Як в першому, так і в другому випадку окислення виробляють електрохімічним способом. Регулюючи тривалість процесу окислення, отримують таку товщину окисної плівки, щоб з запасом забезпечити її пробивну напругу, що істотно перевищує необхідну максимально допустимий робочий для даного конденсатора.
Описана конструктивна особливість породжує два чудових властивості твердотільних конденсаторів, істотно підвищуючи їх якісні показники в порівнянні з аналогами. По-перше, при виникненні електричного пробою в останніх під впливом значного електричного струму скипати електроліт супроводжується бурхливим газовиділенням, вибухом корпусу і нерідко - навіть пошкодженням інших прилеглих на загальній друкованій платі елементів. Але в твердому токопроводящем полімері відсутня як рідка, так і газоподібна фаза, тому і вибух виключений. І по-друге, полімерні конденсатори завдяки електротермічним впливу електричного струму витоку при мікропробоях володіють важливою властивістю самовідновлення, як це пояснює рис. 2.
При нормальній роботі твердотільного оксидного конденсатора (ріс.2a) його структура бездефектне, все елементи (анодна обкладка, струмопровідний шар і діелектрична окісна плівка на ньому) функціонують нормально. Однак під впливом стресу - зовнішнього різкого механічного або термічного впливу, як і при надмірно швидкому зміні напруги на обкладках, в порівняно тонкої ізоляційної плівці, яку можна обчислити мікрометрами, може виникнути МІКРОДЕФЕКТИ (рис. 2б). В силу погіршення ізоляційних властивостей окисної плівки струм витоку між обкладинками може істотно зрости. Його перебіг в такому випадку призводить до електротермічним розігріву полімерного шару (рис. 2в), і капсула розплавленого полімеру «накриває» мікродефектів. При подальшому нагріванні молекулярні зв'язки в провідному ток полімерному сегменті поблизу МІКРОДЕФЕКТИ розриваються, електричний опір провідного шару багаторазово зростає, відповідно струм витоку різко знижується, капсула остигає, і параметри конденсатора швидко приходять в норму (рис. 2г).
Твердотільний струмопровідний полімер за своїми характеристиками виявився також більш життєздатним і термостабільним в порівнянні з рідким електролітом, з роками поступово випаровується крізь різі-новий ущільнювальний диск (рис. 1). Тому провідність рідкого електроліту з часом знижується, негативно впливаючи на основні параметри конденсатора, що підтверджено спеціальними дослідженнями, проведеними в наукових підрозділах компанії ТЕАРО. Про результати цих досліджень далі піде мова в нашій статті.
Порівняльна характеристика оксидних конденсаторів
Для порівняльних досліджень фахівцями були обрані три типу вироблених компанією ТЕАРО конденсаторів з номінальною ємністю 470 мкФ і граничним робочою напругою 16 В: мініатюрний алюмінієвий електролітичний загального застосування (Miniature Aluminum Electrolytic Capacitor) серії SK; електролітичний нізкоімпедансний зі збільшеною довговічністю (Aluminum Electrolytic Low Impedance & Long Life Capacitor) серії TA; твердотільний алюмінієвий з струмопровідних полімером (Conductive Polymer Aluminum Solid Capacitor) серії CG. Перераховані конденсатори порівнювалися як між собою, так і з виробленими сторонніми компаніями танталовими конденсаторами (Tantalum Capacitor), умовно позначеними на малюнках індексом ТТ. У деяких випадках ємність танталових конденсаторів і порівнюваних аналогів відрізнялася від 470 мкФ, про що повідомлялося у вихідних даних проведених експериментів.
Необхідно відзначити, що конденсатори серії SK виробляються з найбільш широкою можливістю вибору як необхідного напруги (6,3 ... 500 В), так і ємності (1 ... 22000 мкФ). Для конденсаторів серії CG цей вибір значно менше - 2,5 ... 25 В і 10 ... 2200 мкФ відповідно. Інтервал робочої напруги і номінальною ємності нізкоімпедансних довговічних конденсаторів становить 6,3 ... 35 В і 33 ... 8200 мкФ. Танталові конденсатори виробляються з допустимим робочим напругою 2,5 ... 63 В і ємністю 0,1 ... 2200 мкФ. Номінальна ємність всіх конденсаторів вимірюється на частоті 120 Гц при температурі навколишнього середовища 20 ° С. З ростом робочої частоти, що необхідно враховувати в проектуванні ПІП, ємність конденсаторів істотно змінюється, причому по-різному для різних тіпов.Габарітние розміри всіх відібраних для порівняльної оцінки конденсаторів приблизно однакові.
Для обліку струму витоку порівнюваних аналогів в таблиці наведено деяка емпірична формула, однакова для танталових і алюмінієвих конденсаторів з рідким електролітом. Значення ємності в формулу підставляють в мкФ, а напруги в вольтах. Якщо результат обчислення перевищує 3 мкА, тоді в інженерних розрахунках керуються цим гранично можливим значенням. Визначити струм витоку можна і практично, подаючи робоча напруга на конденсатор не менше ніж за 2 хв до вимірювань. У полімерного конденсатора струм витоку може бути в десятки разів більше, ніж у аналогів, але не більше 300 мкА.
Наведені в таблиці вартісні показники слід приймати як орієнтовні, оскільки вони схильні до змін з кон'юнктурних міркувань. Але загальна тенденція така, що найбільш низька ціна у алюмінієвих конденсаторів з рідким електролітом. Приблизно вдвічі вище у нізкоімпедансних електролітичних, і в шість разів - у полімерних. Таке співвідношення цін цілком виправдано, і ми це побачимо за результатами вимірювань електричних параметрів. Якщо керуватися тільки таким важливим параметром, як еквівалентний послідовний опір (ЕРС), і перед конструктором при проектуванні імпульсного джерела живлення стоїть завдання забезпечення мінімальних пульсацій його вихідної напруги, то можливих рішень буде два: або застосувати один полімерний конденсатор, або не менше 10 аналогічних алюмінієвих з рідким електролітом. Очевидно, що другий варіант можна прийняти в маловідповідальних проектах. Там, де потрібна надійність джерела живлення і термостабільність параметрів проектованого приладу в цілому, застосування твердополімерних конденсаторів представляється найбільш раціональним. Розглянемо докладніше цей аспект проектування на практичних прикладах.
Вплив ЕРС конденсатора на параметри джерела живлення
Порівняння ЕРС твердотільного полімерного конденсатора з іншими аналогами показує, що воно мінімально і становить 11 мОм. Його вимірюють на стандартній частоті 100 кГц при температурі 20 ° С. ЕРС нізкоімпедансного конденсатора в 8 разів більше, а для алюмінієвого воно збільшується двадцятикратно. Причому на відміну від твердотільного полімерного для обраних аналогів ЕРС вимірюють на частоті 120 Гц, що додатково погіршить їх показники на робочих частотах в десятки кілогерц. Даний параметр сильно залежить від ємності конденсатора, робочої частоти і використовуються у виготовленні матеріалів. Більш докладно ця властивість конденсаторів буде розглянуто нижче.
Для того щоб зрозуміти важливість даного параметра, звернемося до рис. 3, де зображені схема включення конденсатора С і його еквівалентна схема заміщення. На малюнку у вигляді окремого резистора R відображено ЕРС, і як окремий дросель L - еквівалентна послідовна індуктивність (ЕПІ). Конденсатор включений між імпульсним джерелом живлення (ПІП), що перетворює напругу 12 В у більш низьке 5 В, і деякою навантаженням, складеної з цифрових інтегральних мікросхем (ІМС).
В роботі понижуючого ПІП можна спостерігати два напівперіоду, що позначається на вихідному напрузі ПІП, як це показано на рис. 4. На першому напівперіоді відбувається передача певної порції електричної енергії в накопичувальний конденсатор С1 і паралельно в навантаження ІМС, при цьому пульсуюча напруга на навантаженні і фільтрує алюмінієвому конденсаторі з рідким електролітом зростає від 4,93 до 5,07 В (рис. 4а). На другому напівперіоді вихід ПІП відключений від навантаження, і її живлення здійснюється за рахунок енергії, накопиченої конденсатором, при цьому пульсуюча напруга знижується від 5,07 до 4,93 В. Таким чином, розмах пульсацій становить 140 мВ, в той час як середній рівень вихідної напруги, підтримуваний системою регулювання в ПІП, відповідає необхідному значенню 5 В.
Пульсації робочої напруги слід враховувати при виборі конденсатора. Запас максимально допустимого робочої напруги з урахуванням пульсацій, як показано в таблиці, встановлений з коефіцієнтом 1,15 від номінального для твердотільного полімерного конденсатора і 1,25 для інших, що становить 18,4 і 20 В відповідно.
На іншій осциллограмме (рис. 4б) показано, як зміняться пульсації вихідної напруги, якщо замість алюмінієвого з рідким електролітом застосувати твердотільний полімерний конденсатор тій же номінальної ємності 470 мкФ. Тут чітко помітно, що різко знизився розмах пульсацій - від 140 до 30 мВ. Такому фактом можна дати просте пояснення, якщо звернутися до рис. 3. Оскільки ЕРС конденсатора включено паралельно навантаженні, постійна складова струму I = проходить до навантаження безпосередньо, чи не відчуваючи наявності конденсатора. Але на пульсації, тобто змінну складову струму I ~, ЕРС надає шунтуючі вплив, відводячи на загальний провід живлення їх основну частину, як показано на малюнку. Чим менше ЕРС, тим сильніше шунтування, що підтверджує порівняння малюнків 4а і 4б.
Необхідно зауважити, що при зміні фільтруючого конденсатора змінився не тільки розмах пульсацій, а й форма. При цьому приблизно рівними залишаються дуже різкі голчасті кидки напруги. Причина їх присутності обумовлена наявністю в конденсаторах ЕПІ, показаної як окремий дросель на рис. 3. Різка зміна струму при його пульсації породжує на ЕПІ напруга ЕРС самоіндукції, накладають на вихідну напругу. При великих ЕРС відносний внесок голчастих фрагментів в пульсаціях напруги малопомітний, і загальна форма пульсацій носить пилкоподібну форму. При малих ЕРС відносний внесок ЕПІ зростає, тому пульсації замість пилкоподібної набувають експонентну форму. Отже, спостерігаючи за формою пульсацій вихідної напруги, можна зробити певний висновок про вплив на даний параметр ПІП величини ЕРС застосованих конденсаторів і вибрати найкращий.
Як показано на рис. 3, пульсації високочастотного струму породжуються не тільки в історії партії. Навантаження ІМС, яка об'єднує в загальному випадку ряд цифрових пристроїв (комутатор, тригер, схема збігу, лічильник, зсувний регістр і ін.) Є нестаціонарної. В ході спрацьовування окремих елементів в ІМС також можуть виникнути значні імпульсні струми i ~, і якщо ЕРС фільтруючого конденсатора буде недостатньо мало, шунтування вторинних перешкод виявиться неефективним. В цьому випадку перешкоджаючі сигнали від ІМС зможуть проникнути на інші вузли, підключені до загального ПІП, і викликати відмову в роботі приладу в цілому. Тому в відповідальних випадках проектування конструктор повинен усвідомлено вибирати фільтруючий конденсатор таким, щоб він надійно придушував пульсації струму як з боку Інституту історії партії, так і з боку навантаження.
Оцінка впливу температури корпусу на основні параметри конденсатора
У таблиці наведені значення максимально допустимих пульсацій струму в відібраних конденсаторах, що становлять 0,4 А для алюмінієвого з рідким електролітом, 0,84 А для нізкоімпедансного і 5 А для твердотільного полімерного конденсатора. Тут фігурує ефективне значення струму. Звертає на себе увагу значне розходження даного показника для різнотипних конденсаторів, приблизно однакових за габаритами. І цілком обгрунтовано можна припустити, що в даному випадку головну роль грають не габарити, а еквівалентний послідовний опір, настільки різниться в залежності від типу конденсатора і його ємності.
Якщо в основі обмеження напруги на конденсаторі, що містить пульсації, лежить небезпека електричного пробою тонкої діелектричної окисної плівки, про що говорилося раніше, то при обмеженні пульсацій струму враховують інший критерій, пов'язаний з тепловим руйнуванням. Про негативний вплив на довговічність конденсатора підвищеної робочої температури ми поговоримо трохи пізніше. Зараз же лише пояснимо, як враховують і нормують нагрів конденсатора пульсаціями струму.
Відомо, что при проходженні Струму I через резистор опором R на ньом віділяється електрична Потужність P, яка вимірюється в ватах. Дане співвідношення справедливо і по відношенню до конденсатору, якщо врахувати, що в якості струму підставляють ефективне значення пульсацій струму в амперах, а еквівалентний послідовний опір - в Омасі (щоб потужність вимірювалася в ватах), а не мілліомах, як раніше. Що виділяється на конденсаторі потужність пульсацій призводить до зростання температури корпусу на ΔT градусів, яку визначають [2] за формулою:
ΔT = I2R / AH
де А- ефективна система охолодження поверхню конденсатора, що залежить від його типорозміру, см 2; Н коефіцієнт теплового випромінювання, чисельно рівний приблизно 1,5 ... 2 мВт / см2 ° С. Як можна зробити висновок, градієнт температури в прилеглому до конденсатору просторі прямо пропорційний значенню ЕРС і зведеному в квадрат ефективному значенню пульсацій струму і обернено пропорційний ефективної охолоджуючої поверхні конденсатора.
Прийнято вважати, що умови експлуатації конденсатора цілком прийнятні, якщо різниця температури корпусу і навколишнього середовища не перевищує 5 ° С. Саме з цих міркувань розраховують максимальне значення пульсацій струму, наведене в таблиці. Однак цілком зрозуміло, що умови розсіювання тепла при температурі навколишнього середовища 25 і 85 ° С дещо відрізняються. Тому для врахування впливу максимально допустимих пульсацій струму на нагрів конденсатора вводять додатковий поправочний коефіцієнт, графічна залежність якого від температури представлена на рис. 5.
Припустимо, кілька застосованих на виході ПІП фільтруючих конденсаторів ємністю 100 мкФ і граничним робочою напругою 10 В повинні розсіяти пульсації струму з ефективним значенням 3000 мА. Температура всередині корпусу ПІП становить 95 ° С. Оскільки для полімерного конденсатора допустимі пульсації струму складають 2320 мА, з урахуванням поправочного коефіцієнта це значення, як показано на малюнку, при підвищеній температурі не зміниться. Отже, два полімерних конденсатора з великим запасом забезпечать необхідну надійність ПІП. У разі застосування аналогічних танталових конденсаторів враховуємо, що вони при кімнатній температурі здатні розсіяти пульсації струму тисяча сто сорок дев'ять мА, і при температурі 95 ° С слід враховувати температурний коефіцієнт 0,9. В результаті допустимі пульсації струму для них складуть 1 034 мА, і для нейтралізації пульсацій 3000 мА буде потрібно як мінімум три танталових конденсатора, що свідомо невигідно як з надежностной, так і економічної точки зору. Вартість танталових конденсаторів може бути в кілька разів більше, ніж у полімерних аналогів.
Поправочний температурний коефіцієнт слід також враховувати при виборі максимально допустимого робочої напруги конденсатора, для чого служить діаграма на рис. 6. Якщо, наприклад, для живлення деякого пристрою буде потрібно застосувати ПІП з вихідною напругою 10 В в умовах навколишньої температури 95 ° С, в та- кому разі без найменшого збитку для надійності можуть бути застосовані твердотільні полімерні конденсатори з гранично допустимим робочим напругою 10 В, і ні в якому разі - танталові, у яких поправочний температурний коефіцієнт при заданій температурі 95 ° С дорівнює 0,92, тобто допустима напруга знизиться до значення 10 • 0,92 = 9,2 В. Якщо граничне робоча напруга для танталових конд нсаторов при температурі 85 ° С вибрати рівним 16 В, то при 95 ° С допустима напруга складе 16 • 0,92 = 14,72 В, що цілком задовольняє умовам експерименту. Однак тут не враховується термостабільність танталового конденсатора, про що буде пояснено далі, тому в жорстких умовах виправданим виявляється застосування тільки полімерних конденсаторів.
Зміна температури корпусу призводить також до зміни номінального значення ємності алюмінієвих конденсаторів з рідким електролітом, і майже не робить ніякого впливу на нізкоімпедансний і твердотільний полімерний конденсатор, як це ілюструє рис. 7 для конденсаторів ємністю 15 мкФ на частоті 100 кГц. Навіть при температурі -30 ° С алюмінієвий конденсатор зменшує свою ємність на 25%, що робить неможливим його застосування в умовах негативних температур. Нізкоімпедансний конденсатор по термостабільності номінальної ємності незначно перевершує твердотільний полімерний, але вибір останнього більш кращий, тому що він набагато перевершує нізкоімпедансний по термостабільності ЕРС, про що наочно свідчить рис. 8. На малюнку приведені діаграми зміни ЕРС трьох конденсаторів ємністю 15 мкФ на частоті 100 кГц. При зниженні температури корпусу від 25 до -20 ° С ЕРС алюмінієвого конденсатора з рідким електролітом змінюється в інтервалі 1,5 ... 7 Ом (збільшується в 4,7 рази), нізкоімпедансного 0,68 ... 0,9 Ом (збільшується на 32%), у твердотільного полімерного не змінюється і становить 18 мОм.
Тепер звернемося до рис. 3, і повторимо вимірювання з твердотілим полімерним конденсатором ємністю 470 мкФ і граничним робочою напругою 16 В. Результат даного виміру повторює отриманий раніше (рис. 4б). Підкреслимо, що дані вимірювання проведені при кімнатній температурі 25 ° С. На наступному етапі досліджень за рахунок зовнішнього охолодження знизимо температуру конденсатора до -20 ° С, і відзначимо, що при цьому розмах пульсацій залишається колишнім. Спробуємо замість полімерного конденсатора застосувати три алюмінієвих конденсатора з рідким електролітом ємністю 470 мкФ, з'єднаних паралельно. При кімнатній температурі пульсації напруги ілюструє рис. 9а. Знову охолодити конденсатори (рис. 9б), і, як бачимо, розмах пульсацій зростає більш ніж в 2 рази. На підставі проведених вимірювань можна зробити висновок: застосування замість одного полімерного декількох конденсаторів з рідким електролітом дозволяє отримати порівнянно малі пульсації напруги, однак при негативних температурах вони неприпустимо зростають за рахунок зміни ємності і ЕРС останніх, що виключає їх використання у відповідальних проектах.
Розглянутий вище докладний облік впливу температури на параметри конденсаторів підтверджує, що найбільш термостабільним серед них є твердотільний полімерний. Однак при цьому вплив частоти піднімалося лише побічно, тому більш детально зупинимося на частотної стабільності параметрів.
Вплив частоти на параметри конденсаторів
На рис. 3 представлена загальноприйнята схема заміщення конденсатора, що включає в себе електричну ємність, ЕРС і епі. Потреба реального обліку ЕРС і ЕПІ в конденсаторах виникла після того, як схемотехническое побудова джерел живлення (ІП) як в промисловій, так і побутовій електроніці зазнало якісний стрибок. Використовувані раніше низькочастотні ІП з трансформаторами, які працюють на частоті 50 Гц, за якесь десятиліття майже повсюдно були витіснені ПІП завдяки їх більш досконалим габаритними показниками і більш високому ККД. Однак при цьому принцип імпульсного перетворення енергії на частотах в десятки кілогерц припускав, що робочі частоти фільтруючих конденсаторів повинні істотно зрости, оскільки спектральні складові таких комутуючих імпульсів розміщуються в діапазоні сотень кілогерц - одиниць мегагерц.
Для цього треба було враховувати повний опір конденсатора Z, характер зміни якого з частотою f визначають місткість складова XC = 1 / 2πfC і індуктивна XL = 2πfL, як це зображено на рис. 10. Оскільки ємнісний опір конденсатора обернено пропорційно частоті, з ростом частоти воно зменшується.
Індуктивне, прямо пропорційне частоті, навпаки - зростає. Існує також деяка резонансна частота fрез, на якій місткість складова опору по модулю зрівнюється з індуктивної. Явищем резонансу обумовлений характер зміни модуля повного опору, що включає в себе геометричну суму всіх компонентів - активного R = ЕРС і реактивних XL, XC: 
Геометричне підсумовування можна виконати на малюнку складанням окремих графічних компонентів і переконатися, що модуль повного опору спочатку монотонно зменшується, потім стабілізується на рівні, близькому до еквівалентного послідовного опору, після чого починає рости.
Підставивши в вищенаведену формулу параметри порівнюваних нізкоімпедансного і полімерного конденсаторів, можна отримати діаграму зміни модуля їх повного опору, наведену на рис. 11. Але це, якщо можна так висловитися, «теоретичний продукт», що не враховує, що ємність конденсаторів зі зміною частоти аж ніяк не стабільна. На практиці ця залежність досить сильна, особливо для танталового конденсатора, як це ілюструє рис. 12. Алюмінієві конденсатори з рідким електролітом, поступаються танталові за своїми параметрами, розглядати в даному аспекті не має сенсу. Порівнюючи графіки для полімерних і танталових конденсаторів, бачимо, що на частоті 1 кГц ємність танталового конденсатора знижується майже на 13%, на 10 кГц - на 27%, і коли частота досягає 100 кГц - зменшується в 2 рази! Чи можна такий конденсатор застосовувати в відповідальних проектах? Відповідь цілком очікуваний.
При тих же умовах твердотільний полімерний конденсатор свою ємність майже не змінює і має незаперечну перевагу перед аналогами як по частотної стабільності своїх параметрів, так і температурної, про що йшла мова в попередньому розділі статті. Але при цьому ніяк не було порушено питання про вплив температури на довговічність конденсаторів. Розглянемо його особливо.
Вплив температури на довговічність конденсаторів
Як встановлено багаторічними дослідженнями, на довговічність оксидних конденсаторів визначальний вплив робить температура корпусу, яка залежить як від температури навколишнього повітря (зовнішньої теплоти), так і теплоти, яку породжує всередині конденсатора (внутрішньої теплоти). Зовнішня теплота викликає прискорену деградацію утворюють конденсатор елементів (рис. 1) - гумового ущільнювального диска, електроліту, алюмінієвих обкладок, а також випаровування електроліту, як згадувалося раніше. Ці руйнівні процеси прискорюються внутрішньої теплотою, основним джерелом якої є детально розглянуте в попередньому розділі розсіювання на ЕРС конденсатора пульсацій струму. Саме так створюється якийсь порочне коло негативних, взаємно прискорюють один одного процесів: тепло породжує погіршення параметрів конденсатора, погіршення параметрів призводить до зростання температури конденсатора.
Швидкість протікання деградаційних процесів в твердотільному полімерному конденсаторі набагато менше, ніж в конденсаторах з рідким електролітом, оскільки стійкість полімеру незрівнянно вище. Виконаємо розрахунок довговічності конденсаторів в залежності від умов експлуатації за допомогою табличного процесора Excel на основі допоміжних матеріалів від фахівців фірми TEAPO. Відштовхуючись від максимально допустимої робочої температури 85 ° С для алюмінієвих конденсаторів з рідким електролітом і 105 ° С для твердотільних полімерних, будемо в розрахунках знижувати робочу температуру ступенями по 10 ° С, одночасно змінюючи пульсації робочого струму на рівні 25%, 50%, 75% і 100% від максимально допустимого значення. Результати розрахунку представлені в таблиці 2. Аналізуючи отримані дані, можна переконатися в безперечну перевагу твердотільних полімерних конденсаторів, оскільки при будь-яких умовах їх довговічність виявляється в 3 ... 6 разів вище в порівнянні з конденсаторами на основі рідкого електроліту. Та й самі вихідні умови для полімерних конденсаторів незрівнянно важче. Наприклад, максимально жорсткий режим у конденсаторів з рідким електролітом відповідає температурі 85 ° С і пульсаціям струму 0,4 А, а у полімерних - 105 ° С і 5 А. Аналогічний висновок можна отримати при аналізі діаграм, розміщених на рис. 13. Тут враховують необоротне зменшення ємності конденсатора в процесі експлуатації і вважають, що конденсатор підлягає заміні при зниженні ємності більш допустимих технічними умовами (ТУ) меж - 10 або 20%.
Підводячи підсумок проведеному порівняльному аналізу параметрів трьох розрізняються за технологією виготовлення типів конденсаторів, можна зробити висновок про безперечну перевагу параметрів полімерного конденсатора серії CG. Компанія TEAPO виробляє також безліч інших серій полімерних конденсаторів, але в рамках однієї статті докладно їх висвітлити просто неможливо, тому обмежимося лише загальною характеристикою.
Огляд полімерних конденсаторів фірми ТЕАРО
Повну номенклатуру конденсаторів, які здійснює фірма ТЕАРО, і детальну характеристику параметрів можна почерпнути з джерела [4]. Коротенько познайомимося лише з твердотільними полімерними, представленими в таблиці 3.
Мал. 14. Габаритні розміри полімерних конденсаторів серії CG
Користуючись наведеними в таблиці даними, конструктор відповідно до технічного завдання на опрацьовується проект зможе вибрати такий тіпономінала твердотільного полімерного конденсатора, який дозволить без праці досягти необхідних технічних параметрів пристрою. Дані по ЕРС для конкретного конденсатора є деяке значення в інтервалі, показаному в таблиці, причому, як це пояснювалося раніше, зі зменшенням ємності обраного конденсатора його ЕРС зростає, і навпаки.
Габаритні розміри твердотільних полімерних конденсаторів також сильно різняться в залежності від серії, ємності і максимально допустимого робочої напруги. Наведемо дані лише для використовуваних нами в випробуванні конденсаторів серії CG (рис. 14). Тут діаметр корпусу D може набувати значень від 4 до 10 мм, діаметр висновків d - 0,45 ... 0,6 мм, висота корпусу H - 5,4 ... 12,5 мм, межвиводное відстань P - 1,5 ... 5 ± 0,5 мм. Для інших типономиналов необхідні характеристики без праці можна знайти в [4].
Маркування конденсаторів проводиться на торцевій стороні корпусу так, як це показано на рис. 15.
Висновок
Стрімкий розвиток ринку електронної техніки в даний час прискорюється завдяки зародженню і становленню все нових і нових прикладних цифрових і інтернет-технологій. Виробники в сегменті інноваційних приладів і обладнання, прагнучи забезпечити собі конкурентні переваги на ринку за рахунок бездоганної надійності своїх продуктів, змушені застосовувати комплектуючі компоненти з високими технічними параметрами. Також одним з визначальних критеріїв вибору елементної бази служить репутація її постачальника. Вдалим прикладом виробника з світовим ім'ям, який одночасно з постійним високонауковим забезпеченням свого виробництва керується грамотним менеджментом в області цінової політики реалізуються на ринку пасивних елементів, заслужено слід визнати компанію Teapo Electronic Corporation.
Дана фірма здійснює прямі поставки своєї продукції більш ніж чотирьохсот провідним виробникам комп'ютерної техніки і телекомунікаційного устаткування, блоків живлення і побутової електронної техніки, серед яких можна назвати всесвітньо відомі компанії LiteOn, Dell, Asus, Gigabyte, Elitegroup, Motorola, Hewlett Packard і багато інших.
Наведена аргументація стратегії вибору елементної бази поряд з широкою технічною підтримкою своєї продукції, що здійснюється компанією Teapo Electronic Corporation, для будь-якого конструктора, що вибирає в своїй практичній діяльності полімерні конденсатори від даного виробника, служить переконливою гарантією того, що розроблений ним прилад не погіршить технічні показники протягом всього розрахункового терміну служби.
Додаткову інформацію про продукцію Teapo Electronic Corporation можна отримати у офіційного дистриб'ютора в Росії і Україні - компанії PT Electronics, [email protected] .
література
1. www.teapo.com.tw
2. ptelectronics.ru
3. Introduction of Life Calculation Formula - ptelectronics.ru
4. Full Page Catalog teapo.com
Станіслав КОСЕНКО,
Ольга Синякова,
[email protected]
Стаття опублікована в журналі «Вісник Електроніки» №3 2014
