Что такое конденсатор. Его параметры
Приветствую, друзья!
В первой части статьи мы рассмотрели, как устроен конденсатор.
Вы уже знаете, в каких единицах измеряется его ёмкость, как конденсаторы обозначаются в электрических схемах.
Вы уже знаете, где и как используются конденсаторы в компьютерной технике.
Конденсатор, как и любой компьютерный «кирпичик», обладает параметрами, которые характеризуют его работу.
Давайте углубим наши знания и посмотрим
Какими ещё параметрами характеризуются конденсаторы?
Вообще говоря, таких параметров много. У нас тут не нобелевская лекция, поэтому ограничимся только необходимым минимумом, который пригодится в практической деятельности.
Номинальное рабочее напряжение. Конденсатор может использоваться в режимах, когда напряжение на нём не превышает рабочего.
Использовать, например, электролитический конденсатор с рабочим напряжением 10 В в цепях +5 В или +3 В можно.
Чем больше рабочее напряжение электролитического конденсатора при равной ёмкости, тем больше его габариты.
Рабочее напряжение на керамических и других конденсаторах может явно не указываться или не указываться вообще — особенно, если конденсатор имеет маленькие размеры.
Полная информация о всех параметрах конденсатора имеется в соответствующем даташите (справочных данных), который имеется на сайте фирмы — производителя.
ESR (Equivalent Series Resistance) — эквивалентное последовательное сопротивление.
Это приведет к нагреву конденсатора.
Поэтому на электролитических конденсаторах обычно указывает максимальную рабочую температуру.
В компьютерных блоках питания и материнских платах используются специальные конденсаторы — с пониженным ESR.
Величина ESR может для таких конденсаторов быть в пределах от сотых до десятых долей Ома.
Что будет, если вместо конденсатора с пониженным ESR при ремонте блоков питания или материнских плат поставить обычный? Некоторое время он поработает. Но так как его ESR больше, то через цепь такого конденсатора будет протекать больший ток, который вызовет ускоренную деградацию конденсатора. Поэтому он быстро выйдет из строя.
Величиной ESR можно узнать по специальной маркировке (чаще всего 2 латинских буквы) на корпусе конденсатора. Соответствие этих букв реальным значениям ESR указывается в даташите.
Параллельное соединение конденсаторов
Несколько конденсаторов могут включаться последовательно или параллельно. При параллельном соединении ёмкости всех конденсаторов суммируются. При последовательном соединении общая ёмкость батареи конденсаторов меньше самой маленькой, так как складываются величины, обратные емкости. Но зато напряжение, при котором можно работать такая батарея, будет больше рабочего напряжения одного конденсатора.
На материнских платах в цепи низковольтного источника напряжения, питающего ядро процессора, используется несколько однотипных конденсаторов, соединенных параллельно.
Интересный вопрос: почему бы не поставить один конденсатор емкостью, эквивалентной емкости батареи конденсаторов?
Дело в том, что у параллельно соединенных конденсаторов суммарное ESR будет гораздо меньше, чем ESR одного конденсатора. Потому что при параллельном соединении сопротивлений общее сопротивление уменьшается.
Что будет, если перепутать полярность конденсатора?
Если ошибиться с полярностью электролитического конденсатора – он обязательно выйдет из строя!
Сопротивление конденсатора при обратной полярности небольшое, поэтому через его цепь потечет значительный ток.
Это вызовет быстрый перегрев, закипание электролита, пары которого разорвут корпус.
Такой же эффект вызовет и увеличение рабочего напряжения выше указанного на корпусе.
Чтобы исключить нехорошие последствия, верхняя крышка корпуса делается профилированной, с канавками-углублениями на верхней крышке.
При повышенном давлении внутри крышка расходится по этим канавкам, выпуская пары наружу.
Следует отметить, что электролитические конденсаторы, использующиеся в компьютерных блоках питания и материнских платах, могут выйти из строя после нескольких лет эксплуатации в нормальном рабочем режиме.
Дело в том, что в конденсаторах из-за наличия электролита постоянно протекают электрохимические процессы, усугубляющиеся тяжелым режимом работы и повышенной температурой.
Как правильно заменить неисправные конденсаторы при ремонте материнской платы компьютера можно прочитать здесь.
Как измерить ёмкость и ESR конденсатора?
Ёмкость конденсатора можно измерить с помощью обычного цифрового мультиметра.
Большинство цифровых мультиметров могут измерять не только ток, напряжение или сопротивление, но и ёмкость.
При измерении емкости надо с помощью переключателя выбрать необходимый поддиапазон и использовать отдельные гнёзда с маркировкой «F».
Однако большинство мультиметров измеряет емкость не более 20 микрофарад. А если надо измерить ёмкость в несколько тысяч микрофарад?
В этом случае необходимо использовать комбинированные приборы — измерители ёмкости и ESR.
Существует множество разновидностей таких приборов и приборчиков.
Автор использует в своей практике мультитестер с АлиЭкспресс.
Кроме измерения ESR и ёмкости, им можно проверять полупроводниковые приборы, сопротивления и индуктивности.
Удобная штука, доложу я вам!
Если проверять вздутые электролитические конденсаторы — выяснится, что у них повышенное ESR и сниженная емкость.
Иногда тестер вообще дают ошибку, не опознавая конденсатор как конденсатор. Может быть и так, что конденсатор по внешнему виду абсолютно нормальный, но имеет повышенное ESR (хотя и достаточную емкость).
Поэтому в блоке питания он нормально работать не будет!
Заканчивая, отметим, что конденсаторы небольшой ёмкости, использующиеся в «дежурке» компьютерного блока питания, имеют очень небольшие габариты. Электролита у них внутри немного, поэтому у них «не хватает силы» вздуться.
До встречи на блоге!
Конденсатор электролитический Low ESR 2200 мкФ 6.3V 105°C d8 h31 (10шт)
Описание товара Конденсатор электролитический Low ESR 2200 мкФ 6.
3V 105°C d8 h31 (10шт)Конденсатор электролитический низкоимпедансный Low ESR 2200µF 6.3V 105°C d8 h31 от Интернет-магазина Electronoff – качественный пассивный радиокомпонент. Подобные конденсаторы имеют ряд преимуществ перед прочими электролитическими конденсаторами: они имеют более долгий срок работы, даже при максимально допустимой температуре, также они могут работать в сетях с максимальной частотой импульса тока в 100 кГц. Также, они более устойчивы к перегреву.
Технические характеристики:
- Ёмкость: 2200µF
- Напряжение: 6.3V
- Максимальная температура: 105°C
- Диаметр: d8
- Высота: h31
Особенности электролитического конденсатора Low ESR 2200µF 6.3V 105°C d8 h31
Электролитические конденсаторы отличаются от своих более простых собратьев большой емкостью, надежностью и более совершенной конструкцией. Такие конденсаторы также относят к пассивным электронным компонентам.
Электролитические конденсаторы с низким импедансом имеют немного усложненное строение, что значительно улучшает их технические характеристики. В отличие от простых электролитических конденсаторов, низкоимпедансные:
- Имеют более долгий срок службы;
- Более надежны;
- Работают с током, с частотой пульсации до 100 кГц;
- Имеют повышенную температурную стабильность.
При температуре в 105 °C такой конденсатор способен проработать более 2000 часов.
Но, необходимо учитывать, что такие конденсаторы, как и практически все электролитические – полярные. Это означает, что при их подключении к электрической цепи необходимо учитывать её полярность и подключать выводы конденсатора к соответствующим полюсам.
Применение электролитических низкоимпедансных конденсаторов
Обычно такие конденсаторы применяются в различных устройствах для стабилизации электрического тока. Так, электролитические низкоимпедансные конденсаторы применяются в аудиотехнике.
Их часто используют радиолюбители, для сборки своих любительских приборов.
Замена испорченного или поврежденного конденсатора новым
Если Вы хотите купить конденсатор на замену старому, внимательно изучите этикетку старого конденсатора. Никогда не берите конденсатор, чьи технические характеристики ниже, чем у заменяемого. Например, никогда не берите конденсатор, на замену, если его рабочее напряжение ниже, чем у предыдущего. Так как сеть рассчитана на более высокое напряжение, конденсатор рассчитанный на более низкое в скором времени выйдет из строя.
Техника безопасности
Используя любые полярные электролитические конденсаторы, необходимо быть максимально осторожным, особенно при их подключении. Несоблюдение полярности может привести к вскипанию электролита, что неизбежно повлечет за собой взрыв конденсатора.
Именно для предотвращения взрыва, большинство современных конденсаторов оборудованы специальными клапанами или же имеют насечки на шляпке. Так, в случае вскипания электролита, он не разорвет корпус, а просто вытечет наружу.
Но в любом случае, при попадании электролита на кожу, её необходимо как можно скорее промыть большим количеством проточной воды.
Вы можете купить электролитические низкоимпедансные конденсаторы непосредственно в Интернет-магазине Electronoff, который находится в Киеве. Также мы осуществляем доставку Новой почтой по всей территории Украины.
Автор на +google
Понимание ESR конденсатора в электролитических конденсаторах
Современные микропроцессорные системы требуют источников питания, обеспечивающих высокие токи и сверхбыстрые переходные характеристики с жесткой регулировкой. Это создает потребность в экономичных компактных конденсаторах с высокими значениями емкости. Предпочтительным решением являются электролитические конденсаторы, но важно не только указывать емкость и напряжение, но и рассматривать эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) как показатель качества.
ESR: Легче определить, чем указать
Эквивалентная схема конденсатора состоит из четырех элементов (рис.
1, справа): емкость, эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) – сумма индуктивных элементов, включая выводы, цепь постоянного тока с высоким сопротивлением ( Rp) параллельно с емкостью, и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) – последовательное резистивное воздействие, объединенное в один элемент.
СОЭ зависит от частоты, температуры и изменяется по мере старения компонентов. Обычно это является важным фактором при выборе электролитических конденсаторов.
Изготовление конденсатора
«Мокрые» алюминиевые электролитические конденсаторы имеют анодную пластину, состоящую из алюминиевой фольги, полученной электрохимическим травлением, диэлектрика, сформированного в виде оксидного слоя на этой фольге, бумажной прокладки для удерживания проводящей жидкости, образующей катод, и вторая фольга, которая соединяет электролит и клемму устройства.
Жидкий электролит проникает в поры окисленной анодной фольги, поэтому площадь контакта и, следовательно, емкость максимальны.
Зависимая от температуры проводимость электролита является основным фактором, влияющим на ESR. Омические потери, создаваемые слоем оксида алюминия, зависят от частоты и уменьшаются с увеличением частоты. Жидкий электролит со временем теряется в результате испарения и диффузии, что приводит к постепенному уменьшению количества проводящего материала, уменьшению площади контакта, увеличению ESR и уменьшению емкости.
В алюминиевых электролитах ESR падает с повышением температуры – его влияние уменьшается по мере прогрева сборки.
Высыхание не имеет значения для твердых алюминиевых электролитов или «гибридных» конденсаторов, где жидкий электролит заменяется полимеризованным органическим полупроводниковым материалом. Эта технология демонстрирует удельную проводимость примерно в 10 000 раз больше, чем у жидкого электролита.
Как показано на рис. 2, общее эквивалентное последовательное сопротивление существенно снижается, особенно при низких температурах.
Танталовая технология
Замыкания компонента вносят существенный вклад в ESR. В твердотельных конденсаторах диоксид марганца обычно покрывают углеродом, а затем металлом, например серебром, который припаивают к отрицательному проводу или корпусу. В стиле фольги положительное соединение представляет собой сварную никелевую или стальную проволоку, соединенную с танталовой проволокой на аноде. Такие устройства также содержат вторую танталовую фольгу, контактирующую с электролитом.
Рисунок 3: Типичная зависимость между ESR и частотой для танталовых конденсаторов (AVX)
Почему значение ESR важно?
Электролитические конденсаторы используются в качестве входных буферов для подачи энергии, когда входное напряжение сети слишком низкое, для хранения энергии, пока преобразователь переменного тока в постоянный адаптируется к новому уровню мощности, а также для предотвращения попадания коммутационного шума преобразователя в источник питания. На выходе преобразователя они действуют как фильтр и сток тока для индуктивных элементов, а при преобразовании DC/DC действуют как буфер энергии при изменении потребности в выходной мощности.
В обоих случаях потери из-за ESR снижают способность конденсатора быстро накапливать или накапливать заряд.
ESR особенно важен в приложениях с низким коэффициентом заполнения и высокочастотными импульсами тока. Здесь напряжение пульсаций из-за ESR будет больше, чем ожидалось, исходя только из емкости, хотя отрицательная корреляция ESR с температурой означает, что пульсации уменьшаются по мере нагрева сборки.
Кроме того, введение резистивного элемента в чисто реактивную цепь, которую разработчики могут принять за чисто реактивную, может привести к неожиданным сдвигам фазовой характеристики, что опять-таки повлияет на стабильность.
Что можно сделать?
Некоторые конденсаторы разработаны специально для низкого ESR, но производители алюминиевых электролитических конденсаторов не всегда указывают ESR. Обычно указывается значение при 25°C и 100 кГц с формулой для расчета значения на рабочей частоте.
Кроме того, несколько компонентов меньшей стоимости можно использовать параллельно для достижения более низкого высокочастотного ESR за счет места на плате.
Другие усовершенствования
Несколько производителей алюминиевых электролитических конденсаторов комбинируют твердые и жидкие электролиты для производства гибридных компонентов со сверхнизким ESR (низкие десятки мОм), с минимальным изменением температуры, при этом увеличивая выдерживаемое напряжение и обеспечивая высокую пульсацию текущий.
Поскольку ESR зависит от площади внешней поверхности, производители танталовых конденсаторов производят многоанодные устройства для высоконадежных рынков, которые могут указать путь к разработкам для более массовых приложений.
Но низкое ESR не всегда является первоочередным фактором, и в разработке, не относящейся к электролитическим устройствам, Murata фактически увеличила ESR некоторых своих многослойных керамических чип-конденсаторов, чтобы контролировать нежелательные резонансы, которые могут снизить эффективность развязки на пиковых частотах. .
Заключение
Никогда еще инженеры не могли выбирать из столь разнообразного ассортимента электролитических технологий. В частности, для силовых приложений данных, напечатанных на компоненте, редко бывает достаточно, чтобы сделать осознанный выбор. Обращение к независимому специалисту, который может предложить компоненты от крупнейших мировых производителей конденсаторов, — это самый надежный и быстрый путь к поиску наиболее подходящего устройства для любого конкретного применения.
Автор Адам Чидли Авнет Abacus European Senior Product Manager
Источник: AVNET ABACUS
5 вещей, которые вы должны знать
Источники питания для современных цифровых ИС предъявляют строгие требования к производительности, требуя высокой емкости и компактных конденсаторов, которые также являются экономически эффективными. Электролитические конденсаторы являются наиболее очевидным выбором, но при выборе этих устройств важно учитывать, как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) повлияет на производительность.
Вот пять вещей, которые вы должны знать об ESR при выборе электролитического конденсатора для своей конструкции источника питания ИС.
1.) ESR влияет на производительность конденсатора, а также на потери энергии
Все конденсаторы имеют эквивалентное последовательное сопротивление, даже если это сопротивление минимально. Как и при любом сопротивлении, когда через устройство протекает ток, часть энергии рассеивается в виде тепла.
Количество рассеиваемой энергии будет зависеть от того, насколько велико ESR, поэтому конденсаторы с очень низким ESR могут помочь повысить эффективность источника питания, поскольку меньше энергии теряется в виде тепла.
Однако, помимо увеличения неэффективности, эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR) влияет на его характеристики несколькими способами. Во-первых, энергия, теряемая в виде тепла, нагревает устройство и его окрестности, что может быстро сократить срок службы некоторых типов электролитических конденсаторов.
Другие показатели производительности также затронуты. Чем выше ESR конденсатора, тем меньше он способен быстро заряжаться или заряжаться. Так как наша ИС для питания требует низких пульсаций, необходимо использовать электролитические конденсаторы с достаточной выходной емкостью в сочетании с низким ESR, так как ESR напрямую влияет на пульсации напряжения.
2.) ESR для «влажных» алюминиевых конденсаторов зависит от возраста, температуры и частоты.
значения емкости и являются экономически эффективными. Имеют жидкий электролит, образующий катод; жидкость лучше контактирует с окисленной фольгой анода, поверхность которого шероховатая для увеличения площади поверхности. ESR имеет тенденцию быть лучше для больших размеров корпуса, а иногда и для более длинных/тонких форм корпуса.Сопротивление материала жидкого катода зависит от температуры, при этом ESR конденсатора уменьшается с повышением температуры. Этот эффект может быть значительным даже в диапазоне температур, с которым сталкивается прикладная печатная плата в полевых условиях, поскольку некоторые компоненты выделяют тепло в систему, а конденсаторы нагреваются.
При этом сопротивление оксидированного анода зависит от частоты; она уменьшается с увеличением частоты.
Третьим эффектом, который необходимо учитывать, является старение. По прошествии некоторого времени жидкость, образующая катод, со временем начинает испаряться внутри банки, а также диффундировать в другие части конструкции.
Поскольку объем жидкости меньше, ее меньше в контакте с анодом, поэтому емкость уменьшается, а ESR увеличивается. Этот эффект называется «высыхание» и происходит гораздо быстрее при повышенных температурах.
3.) ESR для гибридных алюминиевых конденсаторов ниже и в целом более стабильно.
Гибридные алюминиевые конденсаторы имеют твердый электролит, изготовленный из полимеризованного органического полупроводникового материала, который заменяет жидкость во влажных электролитических конденсаторах.
Гибриды имеют более низкое ESR, чем влажные типы, особенно при низких температурах, и ESR гораздо более стабильна во всем диапазоне рабочих температур. Их ESR по-прежнему зависит от частоты, но на высоких частотах оно ниже, чем у влажных алюминиевых конденсаторов, что делает их популярными для импульсных источников питания.
Как и Panasonic, гибридные электролитические конденсаторы превосходят влажные электролитические конденсаторы по ESR, особенно при низких температурах.
4.) ESR для танталовых конденсаторов в значительной степени зависит от частоты
В типичном твердотельном танталовом конденсаторе танталовый анод покрыт изолирующим слоем оксида тантала, затем слоем диоксида марганца, затем обычно слоем углерода и слой металла, такого как серебро, который припаивается к свинцу или корпусу. Это прекращение является основным виновником, когда речь идет о СОЭ. Преобладают потери в оксидном слое, который сильно зависит от частоты, причем наиболее значительные потери приходятся на низкочастотные сигналы. Эти потери уменьшаются с увеличением частоты и становятся гораздо менее значительными на очень высоких частотах.
ESR танталового конденсатора уменьшается на высокой частоте, как и у этого конденсатора AVX.
5.) ESR указывается непоследовательно
Иногда бывает сложнее, чем кажется, напрямую сравнить данные из спецификаций производителей, чтобы указать конденсатор для источника питания ИС, потому что ESR может быть указан в более чем в одну сторону.
