Лабораторная работа № 1 исследование влияния температуры на емкость конденсатора и диэлектрические потери в нем
Цель работы: определение зависимостей емкости, тангенса диэлектрических потерь и температурного коэффициента емкости конденсаторов от температуры.
Теоретические положения
Конденсатор представляет собой систему из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика. Емкость конденсатора зависит от формы пластин, их размеров, взаимного расположения, а также от диэлектрической проницаемости среды, находящейся между пластинами. Емкость плоского конденсатора, выраженная в фарадах, определяется по формуле
С = ε · εо · S/h,
где S – площадь пластин, м2;
h – расстояние между пластинами, м;
εо – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, εо = 8,85∙10-8 Ф/м;
ε
– относительная диэлектрическая
проницаемость среды между пластинами.
Значение диэлектрической проницаемости электроизоляционного материала не остается постоянным при колебаниях температуры, что приводит к изменению емкости конденсатора. Увеличение температуры конденсатора в процессе работы вызвано наличием диэлектрических потерь энергии, возникающих при воздействии на диэлектрик электрического поля. В технике диэлектрические потери обычно характеризуются углом диэлектрических потерь, или чаще тангенсом этого угла. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз между током I и напряжением U в емкостной цепи (рис. 1.1). Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз и тем больше угол диэлектрических потерь и его функция tg.
Для
правильного выбора условий работы
конденсатора нужно знать, как влияет
увеличение температуры на диэлектрические
потери в нем. Недопустимо большие потери
в электроизоляционном материале могут
вызвать сильный перегрев конденсатора
и привести его к тепловому разрушению.
ТКε = ,
где
ε1 и ε2 – диэлектрическая проницаемость образца
при температурах t1 и t2 соответственно,
причем t2 > t1;
TK – температурный коэффициент, град.
-1
Рис. 1.1. Определение угла диэлектрических потерь
В зависимости от типа материала и температурного диапазона диэлектрическая проницаемость его с ростом температуры может увеличиваться или уменьшаться. Так, для диэлектриков с электронной поляризацией с увеличением температуры поляризованность слабо снижается (в основном за счет расширения тела), т. е. коэффициент ТК ε отрицателен.
В большинстве случаев при ионной поляризации диэлектрики имеют положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости. Эта закономерность объясняется тем, что при повышении температуры ослабляются упругие силы связи между ионами в узлах кристаллической решетки, что облегчает смещение ионов в электрическом поле и приводит к некоторому увеличению диэлектрической проницаемости.
Значительно
сложнее влияние температуры на
диэлектрическую проницаемость материалов
с дипольной поляризацией.
Повышение
температуры действует на дипольную
поляризацию двояко: за счет ослабления
межмолекулярных связей ориентация
диполей должна облегчаться, а за счет
усиления теплового движения – ослабляться,
т.к. сильное тепловое хаотическое
движение будет мешать упорядочению
расположения молекул. При достаточно
низких температурах за счет усиления
межмолекулярных связей и резко пониженной
подвижности молекул дипольная поляризация
проявляется слабо и диэлектрическая
проницаемость оказывается небольшой.
При достаточно высокой температуре за
счет усиления теплового движения,
затрудняющего ориентацию диполей
электрическим полем, дипольная поляризация
тоже будет ослаблена. При оптимальном
значении температуры дипольная
поляризация выражена наиболее сильно
и диэлектрическая проницаемость
достигает максимума. Такую зависимость
имеет, например, совол (рис. 1.2). В
конденсаторах в качестве изоляции может
применяться одновременно несколько
диэлектриков, например, конденсаторная
бумага, пропитанная жидким диэлектриком.
В лабораторной работе измеряется не коэффициент ТКε, а температурный коэффициент емкости ТКС, который определяется по формуле
ТКС = ,
где С1 и С2 – емкости образца при температурах t1 и t2 соответственно. Для практических расчетов важнее знать именно этот коэффициент.
Связь между коэффициентами ТКС и ТК определяется формулой
ТКС = ТК + ,
где – температурный коэффициент линейного расширения.
Рис. 1.2. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для полярного диэлектрика
Лабораторную
работу выполняют на экспериментальной
установке. Внешний вид установки показан
на рисунке 1.
Рис. 1.3. Внешний вид экспериментальной установки
Пленочные чип конденсаторы vs керамические конденсаторы
Пленочные чип конденсаторы необоснованно получили свое забвение уступив место бюджетным керамическим (MLCC) конденсаторам сери X7R, X5R, Y5R и др.
Попробуем восстановить статус-кво пленочных конденсаторов, описав их преимущества в сравнении с керамическими конденсаторами и побудить инженеров-электронщиков к более активному применению пленочных чип конденсаторов Panasonic.
Пленочные конденсаторы в чип корпусах, как и керамические (MLCC) конденсаторы, имеют многослойную структуру.
Рисунок 1. Структура пленочного чип конденсатора
Пленочные чип конденсаторы Panasonic изготавливаются на основе диэлектриков Полифениленсульфид (Polyphenylene sulfide (PPS)), Полиэтиленнафталат (Polyethylene naphthalate (PEN)) или Акрилового пластика (Acrylic resin).
Компания Panasonic предлагает 6 серий пленочных чип конденсаторов. В серии ECHU(X), ECHU(C) применен PPS материал, в сериях ECWU(X), ECWU(C), ECWU(V16) – PEN, и в серии ECPU(A) используется акриловый пластик.
Керамические конденсаторы в сравнении с пленочными конденсаторами имеют бОльшую удельную емкость, но в силу свойств бюджетной керамики, и наличия паразитных эффектов, таких как эффект DC-Bias (зависимость емкости от приложенного напряжения), зависимость емкости от температуры, которые нивелируют это преимущество.
Рисунок 2. Эффект DC-Bias (зависимость емкости от приложенного напряжения) керамического конденсатора
Рисунок 3. Зависимость емкости от температуры MLCC и пленочного конденсатора
Есть и еще один фактор, ограничивающий более широкое применение пленочных чип конденсаторов Panasonic, их рабочие напряжения не превышают 630 вольт прямого тока (VDC), в то время как керамические чип конденсаторы, представленные на рынке, имеют рабочие напряжения в единицы киловольт. Однако эффект DC-Bias и высокий коэффициент абсорбции керамических конденсаторов, в ряде случаев вызывают ограничения по их применению, особенно в высоковольтных цепях.
Рисунок 4. Диэлектрическая абсорбция пленочных и керамического конденсатора
Поэтому, применение пленочных чип конденсаторов в высоковольтных цепях полностью себя оправдывает, а их способность самовосстановления позволяет обеспечить максимальные уровни защиты высоковольтных цепей.
Рисунок 5. Тангенс угла потерь керамического и пленочного конденсатора
Отменные частотные характеристики пленочных конденсаторов обеспечиваются применением материалов, обладающих малым фактором рассеяния (Dissipation Factor) и малым тангенсом угла потерь, позволяющие сохранять основные характеристики в диапазоне частот до 10 МГц.
Стабильные частотные характеристики пленочных конденсаторов обеспечивают меньшие уровни искажения третьих гармоник, уменьшают уровни шума в широкой полосе частот и соответственно обеспечивают более высокую стабильность работы схемы.
Рисунок 7. Уровень искажения третьих гармоник керамического и пленочного конденсатора
Пленочные чип конденсаторы практически не заменимы в цепях ФАПЧ, так как имеют преимущества перед керамическими конденсаторами, в силу отсутствия пьезоэлектрического эффекта, не создают шум, они не поляризованы и как результат приводят к более быстрому времени блокировки сигнала (lockup time).
Рисунок 8. Время закрытия конденсаторов
Проблема пьезоэффекта, чувствительность к вибрациям, и механическая прочность керамических конденсаторов, может стать сильной «головной болью» разработчиков электроники. Обнаружить пьезоэффект и устранить проблему бывает не очень легко, а определить внутренне механическое повреждение керамического конденсатора, без применения специального оборудования невозможно. Причем механические повреждения керамических конденсаторов могут возникнуть как в ходе производства, транспортировки, так и в ходе пайки печатной платы и подготовки устройств к серийному выпуску.
Рисунок 9. Рентгеновский снимок дефекта керамического конденсатора
По данным исследовательского центра Eptac 30% выходящих из строя в процессе эксплуатации компонентов являются конденсаторы. При этом около 34% брака керамических конденсаторов отсеивается уже на производстве, около 25% керамических конденсаторов выходят из строя при механическом воздействии на конденсатор, 23% конденсаторов теряют свои функции в процессе пайки.
Мероприятия по дополнительному входному контролю конденсаторов и выходному контролю готовых плат или серийно выпускаемых устройств, а также сервисное обслуживание готовых устройств несут дополнительные временные и финансовые затраты, которые зачастую не учитываются при расчете стоимости комплектующих и могут составлять в разы более высокие фактические затраты.
Рисунок 10. Пьезоэффект керамических конденсаторов
Многие керамические материалы, используемые в качестве диэлектрика в бюджетных конденсаторах, включают титанат бария (BaTiOз), обладающий высокой диэлектрической проницаемостью и могут генерировать напряжение (проявлять пьезоэффект) при механических деформациях или акустических шумах. Многослойная структура пленочных чип конденсаторов Panasonic включают в себя слои алюминиевой фольги с прослойками диэлектрика из Полифениленсульфида, Полиэтиленнафталата или Акрилового пластика, исключающих пьезоэффект.
Рисунок 11.
Ударные шумы (пьезоэффект) керамического конденсатора
Так, например, применение пленочных конденсаторов в аудиотрактах, является абсолютно оправданным. Пленочные конденсаторы обладают низкими гармоническими искажениями (Total Harmonic Distortion (THD)) и низкими уровнями шумов звукового диапазона, в сравнении с керамическими конденсаторами, что позволяет достигнуть высочайшего уровня звука аудиоустройств и применять пленочные конденсаторы в высококачественных устройствах класса D.
Рисунок 12. Шум керамического конденсатора в цепях переменного тока.
Рисунок 13. Уровень общих гармонических искажений конденсаторов (THD)
Уровень последовательно сопротивления (ESR) пленочных чип конденсаторов сопоставим с ESR керамических конденсаторов, что в свою очередь определяет допустимые значения тока пульсации и ограничения, связанные с тепловыделением конденсаторов. Взаимосвязанные с этим сроки жизни конденсаторов, позволяют смело утверждать о высокой надежности и длительном сроке жизни пленочных конденсаторов.
Срок жизни пленочных конденсаторов рассчитывается по формуле:
В качестве примера сделаем расчет времени жизни пленочного конденсатор используя следующие параметры:
- Vs = 60% номинального напряжения, при температуре 65°C
- Vo = 1.4Vs, при 85°C, время тестирования 1000 часов
В результате полученных расчетов срок жизни пленочного конденсатора при температуре 65°C, составляет более 150 000 часов. Полученные расчеты показывают, что пленочные конденсаторы Panasonic при достаточно жестких условиях эксплуатации, способны обеспечить надежную работу устройства в течение 17 лет.
Конечно, пленочные конденсаторы не могут в полной мере заменить керамические конденсаторы, в том числе и в силу разницы удельной емкости. Но во многих случаях, таких как, фильтрация пульсаций в DC/DC преобразователях, цепи сопряжения аудио трактов, ФАПЧ схемы высокочастотных трактов, схемs фильтрации и др., применение пленочных конденсаторов полностью обосновано.
Обладая высокой точностью, низкими токами утечки, высоким сопротивлением изоляции, низкой величиной абсорбции, высокой температурной стабильностью, пленочные конденсаторы могут применяются во времязадающих цепях, устройствах выборки и хранения или в системах с низким энергопотреблением.
Пленочные конденсаторы превосходят керамические конденсаторы по надежности, стабильности характеристик в широком частотном, температурном диапазоне и сохраняют свои свойства на протяжении всего срока жизни, что позволяет создавать высоконадежные устройства с гарантированно большим сроком эксплуатации, что особенно важно в ряде промышленных применений.
Краткие технические характеристики пленочных чип конденсаторов Panasonic | |||||||
Серия | Емкость, uF | Напряжение, VDC | Точность, % | Тип диэлектрика | Рабочий диапазон температур, °C | Корпус | Размер, мм |
ECWU(V16) | 0. | 250 | 5 | PEN | -55…+85 | 4833 (1913) 6041 (2416) 6050 (2420) | 4.8×3.3 6.0×4.1 6.0×5.0 |
ECHU(X) | 0.0001…0.22 | 16/50 | 2/5 | PPS | -55…+125 | 1608 (0603) 2012 (0805) 3216 (1206) 3225 (1210) 4833 (1913) 6041 (2416) | 1.6×0.8 2.0×1.2 3.2×1.6 3.2×2.5 4.8×3.3 6.0×4.1 |
ECHU(C) | 0.01…0.22 | 100 | 2/5 | PPS | -55…+105 | 4833 (1913) 6041 (2416) 7150 (2820) 7163 (2825) | 4. 6.0×4.1 7.1×5.0 7.1×6.3 |
ECWU(X) | 0.001…0.01 | 100 | 5 | PEN | -55…+105 | 3216 (1206) 3225 (1210) | 3.2×1.6 3.2×2.5 |
ECWU(C) | 0.001…1.0 | 100/250/630 | 5/10 | PEN | -40…+85 | 4833 (1913) 6041 (2416) 6050 (2420) 7150 (2820) 7163 (2825) 7755 (3022) 9863 (3925) | 4.8×3.3 6.0×4.1 6.0×5.0 7.1×5.0 7.1×6.3 7.7×5.5 9.8×6.3 |
ECPU(A) | 0. | 16/50 | 20 | Acrylic resin | -40…+105 | 2012 (0805) 3216 (1206) 3225 (1210) | 2.0×1.2 3.2×1.6 3.2×2.5 |
8×3.3
1…1.0Доступность:
Пленочные чип конденсаторы Panasonic серий ECHU(X), ECHU(C), ECWU(X), ECWU(C), ECWU(V16), ECPU(A) находятся в массовом производстве и доступны для заказа с короткими сроками поставок.
Ресурсы:
Что делает многослойные керамические конденсаторы разными?
Добавлено 15 июля 2018 в 14:07
Сохранить или поделиться
Вы можете обнаружить, что многослойные керамические конденсаторы (MLCC, Multilayer Ceramic Capacitors) доступны в широком диапазоне корпусов, размеров и диэлектрических материалов. В зависимости от их характеристик эти конденсаторы разделены классификацией диэлектриков на классы I, II и III.
Существует несколько типов диэлектриков, каждый из которых имеет различные характеристики. Данная статья представляет различия между классами MLCC конденсаторов в характеристиках смещения постоянным напряжением, старения и пьезоэлектрического шума, присущих многим керамическим конденсаторам.
Обозначения
Стандарт 198 Американского союза электроники (EIA, Electronic Industries Alliance) определяет температурный коэффициент емкости (ТКЕ, он же TCC, temperature coefficient of capacitance) керамических конденсаторов. При использовании этих определений вы увидите такие обозначения диэлектриков MLCC конденсаторов, как Y5V, X7R и C0G. Каждая буква здесь имеет значение. Вы можете использовать таблицы ниже для расшифровки этих обозначений.
ppm – милионная доля, 10-6.
| Буква | Значащее число температурного коэффициента, ppm/°C | Цифра | Множитель значащего числа | Буква | Допустимое отклонение температурного коэффициента, ±ppm/°C |
| C | 0 | 0 | –1 | G | 30 |
| B | 0,3 | 1 | –10 | H | 60 |
| L | 0,8 | 2 | –100 | J | 120 |
| A | 0,9 | 3 | –1000 | K | 250 |
| M | 1,0 | 4 | –10000 | L | 500 |
| P | 1,5 | 5 | +1 | M | 1000 |
| R | 2,2 | 6 | +10 | N | 2500 |
| S | 3,3 | 7 | +100 | ||
| T | 4,7 | 8 | +1000 | ||
| U | 7,5 | 9 | +10000 |
| Буква | Минимальная температура (°C) | Цифра | Максимальная температура (°C) | Буква | Максимальное изменение емкости в температурном диапазоне (%) | |
| Z | +10 | 2 | +45 | A | ±1,0 | Класс 2 |
| Y | –30 | 4 | +65 | B | ±1,5 | |
| X | –55 | 5 | +85 | C | ±2,2 | |
| 6 | +105 | D | ±3,3 | |||
| 7 | +125 | E | ±4,7 | |||
| 8 | +150 | F | ±7,5 | |||
| 9 | +200 | P | ±10 | |||
| R | ±15 | |||||
| S | ±22 | |||||
| *L | от +15 до –40 | |||||
| T | от +22 до –33 | Класс 3 | ||||
| U | от +22 до –56 | |||||
| V | от +22 до –82 |
Класс I
Иногда называемые как NP0, C0G считаются ультрастабильными.
Используя таблицу для расшифровки «имени», мы можем увидеть, то ТКЕ для C0G составляет ±30 ppm/°C (±30 миллионных долей на градус Цельсия) в номинальном температурном диапазоне. Другими словами, емкость C0G будет меняться незначительно из-за изменений температуры.
Промышленные конденсаторы C0G от KEMET изготавливаются с использованием уникального состава цирконата кальция. Этот материал является параэлектрическим, что обеспечивает его стабильность при прикладывании постоянного напряжения.
Поскольку классификация не определяет используемый материал, другие производители могут использовать различные составы или разные наборы материалов.
Классы II и III
Диэлектрики классов II и III используют немного отличающуюся от класса I систему именования.
- Первая буква представляет собой самую низкую температуру.
- Вторая цифра представляет собой максимальную температуру.
- Третья буква указывает максимальное изменение емкости, которое будет происходить между минимальной и максимальной температурами в заданном диапазоне.
Например, давайте рассмотрим X7R в таблице классов II/III. X означает –55°C, 7 означает +125°C, а R означает изменение емкости ±15% в пределах указанного температурного диапазона.
Разница между классами II и III заключается в том, насколько емкость будет изменяться при определенной температуре. Как правило, в качестве диэлектрика классов II и III используется титанат бария. Данный материал является сегнетоэлектриком, который является источником нестабильности емкости.
Зависимость относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика от температурыПо мере увеличения класса некоторые из отрицательных характеристик диэлектрика усиливаются.
Изменения при прикладывании напряжения
Термины «смещение постоянным напряжением» или «коэффициент напряжения» относятся к потерям емкости при прикладывании напряжения. Этот эффект наблюдается в сегнетоэлектрических материалах, таких как титанат бария, используемый в большинстве конденсаторов X5R и X7R. В зависимости от состава диэлектрика эти конденсаторы могут потерять более 70% номинальной емкости при прикладывании напряжения!
Одним из способов достижения меньших размеров SMD конденсаторов при сохранении того же уровня емкости является уменьшение толщины диэлектрика.
Это различие в конструкции приводит к тому, что более высокое напряжение дает бо́льшую потерю емкости.
K-SIM от KEMET позволяет моделировать напряжение на керамическом конденсаторе при прикладывании постоянного напряжения. Эта утилита также может отображать ожидаемое изменение емкости при прикладывании напряжения. Она доступна на ksim.kemet.com.
Диэлектрики класса I не реагируют на смещение по постоянному напряжению, особенно те, которые изготовлены с использованием цирконата кальция.
Старение
Старение – еще одна характеристика, проявляемая сегнетоэлектриками, или диэлектриками классов II и III. При изготовлении керамического конденсатора диэлектрик подвергается воздействию температур более 1000°C. Для устройств из титаната бария температура Кюри может находиться в диапазоне от 130°C до 150°C, в зависимости от конкретного состава.
При воздействии температуры Кюри кристаллическая структура выравнивается в тетрагональную форму. После охлаждения кристаллическая структура керамики изменяется до кубической.
По мере этих изменений структуры также изменяется диэлектрическая проницаемость материала.
Со временем емкость будет продолжать снижаться. Можно перезагрузить этот цикл старения путем «перезагрузки» материала, подвергнув его температуре Кюри.
Как правило, вы можете найти скорость старения для определенного типа компонента в каталоге. Ниже приведен пример коэффициентов старения.
| EIA код | PME – электроды из драгоценных металлов BME – электроды из недрагоценных металлов | Типовое старение (% / порядок часов) | Типовое время оценки (час) |
|---|---|---|---|
| C0G | PME/BME | 0 | не доступно |
| X7R | BME | 2,0 | 1 000 |
| X5R | BME | 5,0 | 48 |
Старения может изменяться в зависимости от серии компонентов, поэтому смотрите технические описания.
Микрофонный эффект
Наконец, кристаллическая структура титаната бария придает керамике свою пьезоэлектрическую, или микрофонную, характерную особенность. Когда к диэлектрическому материалу применяются внешние напряжения, молекулы титаната начинают колебаться назад и вперед. Электрические сигналы могут механически деформировать диэлектрик. Эта деформация, или движение, создает характерный «жужжащий» шум, который слышат некоторые пользователи при использовании керамических конденсаторов в своих проектах.
Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектричество, также называемое пьезоэлектрическим эффектом, представляет собой способность материала генерировать напряжение и/или электрический сигнал (шум) при воздействии внешнего механического напряжения или вибрации.
По аналогии с термином «микрофонный», многослойные керамические конденсаторы (MLCC), построенные из сегнетоэлектрических материалов, являются по своей природе пьезоэлектрическими и могут преобразовывать внешнее напряжение, подобно тому, как микрофон преобразует звук, в электрический сигнал.
Электрострикция
Электрострикция – это поведение всех диэлектриков, в которых материал испытывает механическую деформацию, или изменение формы, под воздействием электрического поля. Керамические диэлектрики классов II и III производятся с использованием сегнетоэлектрических материалов, которые проявляют большее влияние электрострикционного движения. Вы знаете эти керамические конденсаторы как типы X7R, X5R, Z5V и Y5V.
Когда происходит механическая деформация, результатом может быть звуковое излучение, такое как слышимый гул (т.е. «пение»).
Несколько конденсаторов, установленных на плате близко друг к другу, могут усиливать звук до такой степени, что он станет заметным.
Эффект электрострикции – «поющий» конденсаторЗаключение
Емкость на этикетке, возможно, не является той емкостью, которую вы в итоге получите. Характеристики, обсуждаемые в данной статье, могут изменить величину емкости, которая будет иметь место во время работы или срока службы вашей системы.
Конечно, этот пост не является полным описанием различий между керамическими диэлектриками. Существуют и другие тонкие различия, которые необходимо учитывать при использовании керамических конденсаторов. Но эта информация должна стать хорошей отправной точкой при выборе подходящего керамического конденсатора (MLCC).
Оригинал статьи:
Теги
MLCC (многослойный керамический конденсатор)TCC / ТКЕ (температурный коэффициент емкости)Керамический конденсаторКлассы керамических конденсаторовКодовое обозначениеКонденсаторКонденсатор C0G / NP0Конденсатор X7RКонденсатор Y5VПоющий конденсаторПьезоэлектрический эффектСрок службы компонентовШумЭлектрострикцияСохранить или поделиться
Исследование зависимости емкости конденсаторов постоянной емкости от температуры и определение температурного коэффициента емкости (тке)
РАБОТА № 1
Исследование зависимости емкости конденсаторов постоянной емкости от температуры и определение температурного коэффициента емкости (ТКЕ)
Цель работы – исследование зависимости емкости конденсаторов с различными диэлектриками от температуры и определение (ТКЕ) этих конденсаторов.
Одним из важнейших факторов, характеризующих внешние воздействия на электрические конденсаторы, является температура окружающей среды.
Температурная зависимость емкости конденсаторов характеризуется величиной температурного коэффициента емкости (ТКЕ) :
.
Если зависимость емкости от температуры носит линейный характер, то величину ТКЕ можно вычислить по формуле:
где С температурный коэффициент емкости, град-1;
C1 емкость при комнатной температуре t1 ;
С2 емкость при измененной температуре t2 .
При нелинейной зависимости емкости от температуры указанная формула дает только среднее значение ТКЕ.
Характер зависимости емкости конденсатора от температуры обычно определяется температурной зависимостью диэлектрической проницаемости применяемого в конденсаторе диэлектрика.
Кроме того, зависимость емкости от температуры обуславливается особенностями конструкции конденсатора и изменением его размеров при нагревании.
Температурное расширение обкладок приводит к увеличению емкости, а увеличение толщины диэлектрика – к ее уменьшению.
В плоскости конденсатора с обкладками в виде квадрата со стороной l емкость равняется:
где С емкость конденсатора, nФ;
диэлектрическая проницаемость;
d толщина диэлектрика, мм;
l линейный размер, мм.
Дифференцируя это выражение по температуре, получим:
.
Разделив левую и правую части на выражение для емкости, имеем:
,
или
,
где температурный коэффициент диэлектрической проницаемости;
M коэффициент линейного расширения металлических обкладок;
d коэффициент линейного расширения диэлектрика.
Если конденсатор изготовлен способом металлизации диэлектрика, то расширение обкладок будет определяться не расширением металла, а расширением диэлектрика. В этом случае можно считать, что и формула принимает вид:
.
1. Подключить провода от переключателя к клеммам “R – C – L”. Установить переключатель “Вид измерения” в положение “С”.
2. Установить переключатель “Q – tg” в положение “ tg”.
3. Ручкой установить величину фазы в нулевое положение.
4. Установить переключатели измерений в положение, близкое к номинальному значению.
5. Ручками, объединенными надписью “Отсчет”, добиться наименьшего по модулю показания на микроамперметре.
6. Произвести отсчет измеряемой величины емкости. Она равна сумме отсчетов по шкалам “Отсчет”, умноженной на соответствующий множитель предела измерений. (Порядок формирования измеряемой величины указан на панели моста).
Примечание: При измерениях на частоте 100 Гц отсчет емкости дополнительно должен быть умножен на 10 (загорается предупреждающий индикатор).
Порядок выполнения работы
1. Подготовить прибор к работе.
2. Записать номинал каждого конденсатора.
3. Измерить емкости конденсаторов при комнатной температуре, поочередно подсоединяя их к измерительному прибору при помощи переключателя емкостей.
4. Включить термостат.
5. Измерить емкости конденсаторов при температуре 40, 60, 80 и 100 0С. Данные свести в таблицу.
6. Произвести подсчет ТКЕ. Построить графики С = f (t).
| КМ | ФТ | КСО | МБМ |
| 1100 | 1200 | 3000 | 0,05 |
| Конденсаторы | (t ком.)25° | 40° | 60° | 80° | 100° |
| КМ | 1100 пФ | 1100 пФ | 1100 пФ | 1113 пФ | 1119 пФ |
| МБМ | 0,35 мкФ | 0,5 мкФ | 0,4 мкФ | 0,39 мкФ | 0,39 мкФ |
| ФТ | 1200 пФ | 1200 пФ | 1210 пФ | 1213 пФ | 1219 пФ |
| КСО | 3000 пФ | 3000 пФ | 3040 пФ | 3070 пФ | 3120 пФ |
График С = f (t) для конденсатора КМ
График С = f (t) для конденсатора МБМ
График С = f (t) для конденсатора ФТ
График С = f (t) для конденсатора КСО
Подсчет ТКЕ:
где С температурный коэффициент емкости, град-1;
C1 емкость при комнатной температуре t1 ;
С2 емкость при измененной температуре t2 .
1. Основные понятия
Конденсатор представляет собой радиоэлемент, состоящий из двух металлических пластин (обкладок), разделенных диэлектриком, способный накапливать электрические заряды на обкладках, если к ним приложена разность потенциалов. В качестве диэлектрика применяют бумагу, слюду, стеклоэмаль, керамику, воздух и др. Конденсаторы применяют в схемах для разделения переменной и постоянной составляющих тока и сглаживания пульсаций напряжений выпрямителей. В зависимости от назначения конденсаторы подразделяются на контурные, разделительные, блокировочные, фильтровые и подстроечные. По характеру изменения емкости и в зависимости от конструкции они делятся на три группы: постоянной емкости, полупеременные (подстроечные) и переменной емкости. Конденсаторы постоянной емкости в зависимости от конструкции, параметров и назначения в свою очередь, подразделяются на две группы: низкочастотные (бумажные, металлобумажные и электролитические) и высокочастотные (слюдяные, стеклоэмалевые, керамические, пленочные и металлопленочные).
Рисунок 1 Обозначение конденсаторов на схемах электрических принципиальных: а) постоянной емкости; б) подстроечный; в) переменный; г) электролитический. 2. Основные характеристики конденсаторов Конденсаторы независимо от группы и вида характеризуются параметрами: номинальным значением и допустимым отклонением емкости, рабочим напряжением и электрической прочностью, температурным коэффициентом емкости, допустимой реактивной мощностью и тангенсом угла потерь. 
Номинальное значение емкости конденсатора зависит от геометрических размеров пластин и вида диэлектрика. При изменениях температуры и влажности окружающей среды в процессе эксплуатации изменяются диэлектрические свойства материала и, следовательно, емкость. 3 Маркировка конденсаторов Сокращенные обозначения емкости конденсаторов читаются таким же образом, как и обозначения сопротивлений резисторов. При этом, буквенное обозначение процента отклонения номинального сопротивления или емкости, приведенное ниже, для этих элементов одинаковое.
Что бы не возникла путаница при расшифровке маркировок, следует учитывать, что в большинстве БРЭА процент отклонения резисторов и конденсаторов составляет ±5, ±10, реже ±20.
Конденсаторы с номинальным значением от 100 пикофарад до 0,1микроофарад маркируются в нанофарадах буквой Н или латинской n, например:
Конденсаторы с номинальным значением от 0,1микрофарад и выше маркируются буквой М, например
К группе низкочастотных конденсаторов постоянной емкости относятся бумажные, металлобумажные, электролитические, а также некоторые пленочные конденсаторы. Перечисленные виды конденсаторов обладают большой емкостью и используются в качестве блокировочных, разделительных и фильтрующих элементов в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов. 5. Высокочастотные конденсаторы постоянной емкости К высокочастотным конденсаторам постоянной емкости относятся слюдяные, керамические, стеклокерамические и стеклянные. Их применяют в генераторах, усилителях радио- и промежуточной частот. 6. Подстроечные и переменные конденсаторы
Подстроенные конденсаторы (рисунок 2) применяются для точной подстройки емкостей колебательных контуров. Обычно эти конденсаторы включаются параллельно основным контурным конденсаторам большой емкости. Конструктивно они состоят из двух керамических элементов: неподвижного основания (статора) и подвижного диска (ротора). Рисунок 2. Подстроечные конденсаторы На ротор и статор методом вжигания нанесены тончайшие серебряные обкладки в виде секторов. В зависимости от характера изменения емкости с поворотом оси ротора на угол 1° различают следующие виды конденсаторов: прямоемкостный — с линейной зависимостью между углом поворота и емкостью; прямоволновый — с линейной зависимостью между углом поворота и резонансной длиной волны; прямочастотный — с линейной зависимостью между углом поворота ротора и резонансной частотой; логарифмический (средневолновый) — с постоянным по всей шкале изменением емкости, приходящейся на 1° угла поворота ротора. 
Для конденсаторов постоянной емкости характерны такие неисправности, как пробой диэлектрика, увеличение тока утечки из-за ухудшения изоляции, изменение номинального значения емкости и обрыв выводов. Определить неисправность конденсатора по внешнему виду очень трудно. Сопротивление исправных конденсаторов (за исключением электролитических) составляет десятки и сотни мегом. Измерить его у конденсаторов емкостью до 0,05 мкФ с помощью омметра практически невозможно. Неисправность конденсаторов переменной емкости с воздушным диэлектриком заключается в замыкании между роторными и статорными пластинами. При работе радиоприемника такой дефект выражается в виде шорохов, треска или пропадания приема радиостанций в некоторых точках шкалы. При параллельном соединении емкости конденсаторов складываются: В обоих случаях рабочие напряжения конденсаторов должны быть не ниже максимального действующего напряжения в данной цепи. Литература: С.С. Боровик, М.А. Бродский.
|
В сочетании с катушками индуктивности они образуют резонансные контуры, широко используемые в БРЭА.
У некоторых электролитических конденсаторов допустимое отклонение составляет 50 % и более. Конденсаторы с небольшим допустимым отклонением емкости от номинального значения применяются в каскадах радиочастоты, где требуется повышенная точность настройки контуров, с большим допуском — в блокировочных и развязывающих цепях.
В зависимости от вида конденсатора ТКЕ может быть положительным или отрицательным. Положительный ТКЕ соответствует увеличению емкости при нагревании, отрицательный — уменьшению. Значения ТКЕ выражаются в миллионных долях изменения емкости, отнесенных к 1 °С. Для большинства типов конденсаторов они находятся в пределах от до 1/град. В зависимости от значения ТКЕ конденсаторы постоянной емкости делят на группы. У слюдяных конденсаторов группа обозначается соответствующей буквой на корпусе, у керамических — каждой группе соответствует определенный цвет корпуса или цветная отметка. Кроме того, для обозначения ТКЕ используются буквы, указывающие знак ТКЕ (М — минус, П — плюс, МП — близок к нулю), и цифры, указывающие значение ТКЕ в миллионных долях. Для конденсаторов других типов ТКЕ не регламентируется. Низкочастотные керамические конденсаторы маркируются буквой Н.
Керамические конденсаторы с отрицательным ТКЕ являются термокомпенсирующими и применяются для компенсации изменения емкости конденсаторов колебательных контуров.
Низкочастотные конденсаторы постоянной емкости
Обкладки и бумажные ленты свертывают в рулон и заключают в корпус из картона, керамики или металла. Выводы обкладок изготовляют из тонкой медной луженой или посеребренной проволоки. Выводы присоединяются к фольговым обкладкам путем сварки. 
Они используются в цепях с пульсирующим током для отфильтровывания переменных напряжений.
Они обладают высокой стабильностью, малыми допустимыми отклонениями номинальной емкости (±2%), достаточной температуростойкостью, малыми габаритами и массой. Номинальная емкость высокочастотных конденсаторов бывает от единиц до сотен пикофарад, а предельная емкость некоторых из них может быть до 1 мкФ. Наиболее точные и стабильные конденсаторы используют как контурные, а остальные — как разделительные, фильтровые и термокомпенсирующие.
Диэлектриком между обкладками служит керамический материал ротора. Ротор жестко закреплен на оси. При вращении ротора изменяется взаимное положение обкладок статора и ротора, что приводит к изменению емкости конденсатора. Когда сектор или капля припоя на роторе расположены против вывода на статоре, то емкость будет максимальной, а при повороте на 180° относительно указанного положения — минимальной.
В противном случае это указывает на то, что ухудшилась изоляция диэлектрика. Конденсаторы с указанным дефектом необходимо заменить исправными. Следует отметить, что проверка исправности неэлектролитических конденсаторов небольшой емкости при помощи омметра не всегда бывает достаточной, так как при внутреннем обрыве выводов стрелка прибора будет оставаться на месте.
Если стрелка прибора перемещается до значения 50—100 кОм, это указывает на пониженное сопротивление изоляции. Отсутствие показаний прибора при зарядке-разрядке конденсатора свидетельствует о наличии обрыва. Проверку обрыва или уменьшения емкости можно также производить путем параллельного подключения в схему проверяемого конденсатора заведомо исправного конденсатора такой же емкости и с таким же рабочим напряжением. Если работоспособность радиоаппарата восстановится, то проверяемый конденсатор неисправен и его следует заменить.
Так, например, можно заменить бумажный конденсатор в УЗЧ слюдяным такого же номинала. В развязывающих фильтрах, блокирующих цепях можно производить замену другими конденсаторами емкостью в 2—3 раза большей, если позволяют габариты. При замене конденсаторов в колебательных контурах обязательно нужно учитывать не только значения номинальной емкости и допустимого отклонения, но и ТКЕ.
«Ремонт и регулировка бытовой радиоэлектронной аппаратуры». Минск; «Вышэйшая школа», 1989г.Кодовая и цветовая маркировка конденсаторов
Допуски
В соответствии с требованиями Публикаций 62 и 115-2 IEC для конденсаторов установлены следующие допуски и их кодировка:
Таблица 1
| Допуск [%] | Буквенное обозначение | Цвет |
| ±0,1* | В(Ж) | |
| ±0,25* | С(У) | оранжевый |
| ±0,5* | D(Д) | желтый |
| ±1,0* | F(P) | коричневый |
| ±2,0 | G(Л) | красный |
| ±5,0 | J(И) | зеленый |
| ±10 | К(С) | белый |
| ±20 | М(В) | черный |
| ±30 | N(Ф) | |
| -10…+30 | Q(0) | |
-10. ..+50 | Т(Э] | |
| -10…+100 | Y(Ю) | |
| -20…+50 | S(Б) | фиолетовый |
| -20,..+80 | Z(A) | серый |
*-Для конденсаторов емкостью < 10 пФ допуск указан в пикофарадах.
Перерасчет допуска из % (δ) в фарады (Δ):
Δ=(δхС/100%)[Ф]
Пример:
Реальное значение конденсатора с маркировкой 221J (0.22 нФ ±5%) лежит в диапазоне: С=0.22 нФ ± Δ = (0.22 ±0.01) нФ, где Δ= (0.22 х 10-9 [Ф] х 5) х 0.01 = 0.01 нФ, или, соответственно, от 0.21 до 0.23 нФ.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ)
Маркировка конденсаторов с ненормируемым ТКЕ
Таблица 2
| Группа ТКЕ | Допуск при -6О…+85°С[%] | Буквенный код | Цвет* |
| Н10 | ±10 | В | оранжевый+черный |
| Н20 | ±20 | Z | оранжевый+красный |
| Н30 | ±30 | D | оранжевый+зеленый |
| Н50 | ±50 | X | оранжевый+голубой |
| Н70 | ±70 | Е | оранжевый+фиолетовый |
| Н90 | ±90 | F | оранжевый+белый |
* Современная цветовая кодировка, Цветные полоски или точки.
Второй цвет может быть представлен цветом корпуса.
Маркировка конденсаторов с линейной зависимостью от температуры
Таблица 3
| Обозначение ГОСТ | Обозначение международное | ТКЕ [ppm/°C]* | Буквенный код | Цвет** |
| П100 | P100 | 100 (+130…-49) | A | красный+фиолетовый |
| П33 | 33 | N | серый | |
| МПО | NPO | 0(+30..-75) | С | черный |
| М33 | N030 | -33(+30…-80] | Н | коричневый |
| М75 | N080 | -75(+30…-80) | L | красный |
| M150 | N150 | -150(+30…-105) | Р | оранжевый |
| М220 | N220 | -220(+30…-120) | R | желтый |
| М330 | N330 | -330(+60…-180) | S | зеленый |
| М470 | N470 | -470(+60. ..-210) | Т | голубой |
| М750 | N750 | -750(+120…-330) | U | фиолетовый |
| М1500 | N1500 | -500(-250…-670) | V | оранжевый+оранжевый |
| М2200 | N2200 | -2200 | К | желтый+оранжевый |
* В скобках приведен реальный разброс для импортных конденсаторов в диапазоне температур -55…+85°С.
** Современная цветовая кодировка в соответствии с EIA. Цветные полоски или точки. Второй цвет может быть представлен цветом корпуса.
Маркировка конденсаторов с нелинейной зависимостью от температуры
Таблица 4
| Группа ТКЕ* | Допуск[%] | Температура**[°C] | Буквенный код *** | Цвет*** |
| Y5F | ±7,5 | -30…+85 | ||
| Y5P | ±10 | -30…+85 | серебряный | |
| Y5R | -30. ..+85 | R | серый | |
| Y5S | ±22 | -30…+85 | S | коричневый |
| Y5U | +22…-56 | -30…+85 | A | |
| Y5V(2F) | +22…-82 | -30…+85 | ||
| X5F | ±7,5 | -55…+85 | ||
| Х5Р | ±10 | -55…+85 | ||
| X5S | ±22 | -55…+85 | ||
| X5U | +22…-56 | -55…+85 | синий | |
| X5V | +22…-82 | -55..+86 | ||
| X7R(2R) | ±15 | -55…+125 | ||
| Z5F | ±7,5 | -10…+85 | В | |
| Z5P | ±10 | -10…+85 | С | |
| Z5S | ±22 | -10…+85 | ||
| Z5U(2E) | +22…-56 | -10…+85 | E | |
| Z5V | +22. ..-82 | -10…+85 | F | зеленый |
| SL0(GP) | +150…-1500 | -55…+150 | Nil | белый |
* Обозначение приведено в соответствии со стандартом EIA, в скобках – IEC.
** В зависимости от технологий, которыми обладает фирма, диапазон может быть другим. Например: фирма “Philips” для группы Y5P нормирует -55…+125 °С.
*** В соответствии с EIA. Некоторые фирмы, например “Panasonic”, пользуются другой кодировкой.
Рис. 1
Таблица 5
| Метки полосы, кольца, точки | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 3 метки* | 1-я цифра | 2-я цифра | Множитель | – | – | – |
| 4 метки | 1-я цифра | 2-я цифра | Множитель | Допуск | – | – |
| 4 метки | 1-я цифра | 2-я цифра | Множитель | Напряжение | – | – |
| 4 метки | 1 и 2-я цифры | Множитель | Допуск | Напряжение | – | – |
| 5 меток | 1-я цифра | 2-я цифра | Множитель | Допуск | Напряжение | – |
| 5 меток” | 1-я цифра | 2-я цифра | Множитель | Допуск | ТКЕ | – |
| 6 меток | 1-я цифра | 2-я цифра | 3-я цифра | Множитель | Допуск | ТКЕ |
* Допуск 20%; возможно сочетание двух колец и точки, указывающей на множитель.
** Цвет корпуса указывает на значение рабочего напряжения.
Рис. 2
Таблица 6
| Цвет | 1-я цифра мкФ | 2-я цифра мкФ | Множи- тель | Напряже- ние |
| Черный | 0 | 1 | 10 | |
| Коричневый | 1 | 1 | 10 | |
| Красный | 2 | 2 | 100 | |
| Оранжевый | 3 | 3 | ||
| Желтый | 4 | 4 | 6,3 | |
| Зеленый | 5 | 5 | 16 | |
| Голубой | 6 | 6 | 20 | |
| Фиолетовый | 7 | 7 | ||
| Серый | 8 | 8 | 0,01 | 25 |
| Белый | 9 | 9 | 0,1 | 3 |
| Розовый | 35 | |||
Рис.
3
Таблица 7
| Цвет | 1-я цифра пФ | 2-я цифра пФ | 3-я цифра пФ | Множитель | Допуск | ТКЕ |
| Серебряный | 0,01 | 10% | Y5P | |||
| Золотой | 0,1 | 5% | ||||
| Черный | 0 | 0 | 1 | 20%* | NPO | |
| Коричневый | 1 | 1 | 1 | 10 | 1%** | Y56/N33 |
| Красный | 2 | 2 | 2 | 100 | 2% | N75 |
| Оранжевый | 3 | 3 | 3 | 103 | N150 | |
| Желтый | 4 | 4 | 4 | 104 | N220 | |
| Зеленый | 5 | 5 | 5 | 105 | N330 | |
| Голубой | 6 | 6 | 6 | 106 | N470 | |
| Фиолетовый | 7 | 7 | 7 | 107 | N750 | |
| Серый | 8 | 8 | 8 | 108 | 30% | Y5R |
| Белый | 9 | 9 | 9 | +80/-20% | SL | |
* Для емкостей меньше 10 пФ допуск ±2,0 пФ.
** Для емкостей меньше 10 пФ допуск±0,1 пФ.
Рис. 4
Таблица 8
| Цвет | 1-я и 2-я цифра пФ | Множитель | Допуск | Напряжение |
| Черный | 10 | 1 | 20% | 4 |
| Коричневый | 12 | 10 | 1% | 6,3 |
| Красный | 15 | 100 | 2% | 10 |
| Оранжевый | 18 | 103 | 0,25 пФ | 16 |
| Желтый | 22 | 104 | 0,5 пФ | 40 |
| Зеленый | 27 | 105 | 5% | 20/25 |
| Голубой | 33 | 106 | 1% | 30/32 |
| Фиолетовый | 39 | 107 | -2О…+5О% | |
| Серый | 47 | 0,01 | -20…+80% | 3,2 |
| Белый | 56 | 0,1 | 10% | 63 |
| Серебряный | 68 | 2,5 | ||
| Золотой | 82 | 5% | 1,6 | |
Для маркировки пленочных конденсаторов используют 5 цветных полос или точек.
Первые три кодируют значение номинальной емкости, четвертая – допуск, пятая – номинальное рабочее напряжение.
Рис. 5
Таблица 9
| Номинальная емкость [мкФ] | Допуск | Напряжение | |||
| 0,01 | ±10% | 250 | |||
| 0,015 | |||||
| 0,02 | |||||
| 0,03 | |||||
| 0,04 | |||||
| 0,06 | |||||
| 0,10 | |||||
| 0,15 | |||||
| 0,22 | |||||
| 0,33 | ±20 | 400 | |||
| 0,47 | |||||
| 0,68 | |||||
| 1,0 | |||||
| 1,5 | |||||
| 2,2 | |||||
| 3,3 | |||||
| 4,7 | |||||
| 6,8 | |||||
| 1 полоса | 2 полоса | 3 полоса | 4 полоса | 5 полоса | |
Кодовая маркировка конденсаторов
В соответствии со стандартами IEC на практике применяется четыре способа кодировки номинальной емкости.
А. Маркировка 3 цифрами
Первые две цифры указывают на значение емкости в пигофарадах (пф), последняя – количество нулей. Когда конденсатор имеет емкость менее 10 пФ, то последняя цифра может быть “9”. При емкостях меньше 1.0 пФ первая цифра “0”. Буква R используется в качестве десятичной запятой. Например, код 010 равен 1.0 пФ, код 0R5 – 0.5 пф.
Таблица 10
| Код | Емкость [пФ] | Емкость [нФ] | Емкость [мкФ] |
| 109 | 1,0 | 0,001 | 0,000001 |
| 159 | 1,5 | 0,0015 | 0,000001 |
| 229 | 2,2 | 0,0022 | 0,000001 |
| 339 | 3,3 | 0,0033 | 0,000001 |
| 479 | 4,7 | 0,0047 | 0,000001 |
| 689 | 6,8 | 0,0068 | 0,000001 |
| 100* | 10 | 0,01 | 0,00001 |
| 150 | 15 | 0,015 | 0,000015 |
| 220 | 22 | 0,022 | 0,000022 |
| 330 | 33 | 0,033 | 0,000033 |
| 470 | 47 | 0,047 | 0,000047 |
| 680 | 68 | 0,068 | 0,000068 |
| 101 | 100 | 0,1 | 0,0001 |
| 151 | 150 | 0,15 | 0,00015 |
| 221 | 220 | 0,22 | 0,00022 |
| 331 | 330 | 0,33 | 0,00033 |
| 471 | 470 | 0,47 | 0,00047 |
| 681 | 680 | 0,68 | 0,00068 |
| 102 | 1000 | 1,0 | 0,001 |
| 152 | 1500 | 1,5 | 0,0015 |
| 222 | 2200 | 2,2 | 0,0022 |
| 332 | 3300 | 3,3 | 0,0033 |
| 472 | 4700 | 4,7 | 0,0047 |
| 682 | 6800 | 6,8 | 0,0068 |
| 103 | 10000 | 10 | 0,01 |
| 153 | 15000 | 15 | 0,015 |
| 223 | 22000 | 22 | 0,022 |
| 333 | 33000 | 33 | 0,033 |
| 473 | 47000 | 47 | 0,047 |
| 683 | 68000 | 68 | 0,068 |
| 104 | 100000 | 100 | 0,1 |
| 154 | 150000 | 150 | 0,15 |
| 224 | 220000 | 220 | 0,22 |
| 334 | 330000 | 330 | 0,33 |
| 474 | 470000 | 470 | 0,47 |
| 684 | 680000 | 680 | 0,68 |
| 105 | 1000000 | 1000 | 1,0 |
* Иногда последний ноль не указывают.
В. Маркировка 4 цифрами
Возможны варианты кодирования 4-значным числом. Но и в этом случае последняя цифра указывает количество нулей, а первые три – емкость в пикофарадах.
Таблица 11
| Код | Емкость[пФ] | Емкость[нФ] | Емкость[мкФ] |
| 1622 | 16200 | 16,2 | 0,0162 |
| 4753 | 475000 | 475 | 0,475 |
Рис. 6
С. Маркировка емкости в микрофарадах
Вместо десятичной точки может ставиться буква R.
Таблица 12
| Код | Емкость [мкФ] |
| R1 | 0,1 |
| R47 | 0,47 |
| 1 | 1,0 |
| 4R7 | 4,7 |
| 10 | 10 |
| 100 | 100 |
Рис. 7
D. Смешанная буквенно-цифровая маркировка емкости, допуска, ТКЕ, рабочего напряжения
В отличие от первых трех параметров, которые маркируются в соответствии со стандартами, рабочее напряжение у разных фирм имеет различную буквенно-цифровую маркировку.
Таблица 13
| Код | Емкость |
| p10 | 0,1 пФ |
| Ip5 | 1,5 пФ |
| 332p | 332 пФ |
| 1НО или 1nО | 1,0 нФ |
| 15Н или 15n | 15 нФ |
| 33h3 или 33n2 | 33,2 нФ |
| 590H или 590n | 590 нФ |
| m15 | 0,15мкФ |
| 1m5 | 1,5 мкФ |
| 33m2 | 33,2 мкФ |
| 330m | 330 мкФ |
| 1mO | 1 мФ или 1000 мкФ |
| 10m | 10 мФ |
Рис. 8
Кодовая маркировка кондесаторов электролетических для поверхностного монтажа
Приведенные ниже принципы кодовой маркировки применяются такими известными фирмами, как “Panasonic”, “Hitachi” и др. Различают три основных способа кодирования
А. Маркировка 2 или 3 символами
Код содержит два или три знака (буквы или цифры), обозначающие рабочее напряжение и номинальную емкость.
Причем буквы обозначают напряжение и емкость, а цифра указывает множитель. В случае двухзначного обозначения не указывается код рабочего напряжения.
Рис. 9
Таблица 14
| Код | Емкость [мкФ] | Напряжение [В] |
| А6 | 1,0 | 16/35 |
| А7 | 10 | 4 |
| АА7 | 10 | 10 |
| АЕ7 | 15 | 10 |
| AJ6 | 2,2 | 10 |
| AJ7 | 22 | 10 |
| AN6 | 3,3 | 10 |
| AN7 | 33 | 10 |
| AS6 | 4,7 | 10 |
| AW6 | 6,8 | 10 |
| СА7 | 10 | 16 |
| СЕ6 | 1,5 | 16 |
| СЕ7 | 15 | 16 |
| CJ6 | 2,2 | 16 |
| CN6 | 3,3 | 16 |
| CS6 | 4,7 | 16 |
| CW6 | 6,8 | 16 |
| DA6 | 1,0 | 20 |
| DA7 | 10 | 20 |
| DE6 | 1,5 | 20 |
| DJ6 | 2,2 | 20 |
| DN6 | 3,3 | 20 |
| DS6 | 4,7 | 20 |
| DW6 | 6,8 | 20 |
| Е6 | 1,5 | 10/25 |
| ЕА6 | 1,0 | 25 |
| ЕЕ6 | 1,5 | 25 |
| EJ6 | 2,2 | 25 |
| EN6 | 3,3 | 25 |
| ES6 | 4,7 | 25 |
| EW5 | 0,68 | 25 |
| GA7 | 10 | 4 |
| GE7 | 15 | 4 |
| GJ7 | 22 | 4 |
| GN7 | 33 | 4 |
| GS6 | 4,7 | 4 |
| GS7 | 47 | 4 |
| GW6 | 6,8 | 4 |
| GW7 | 68 | 4 |
| J6 | 2,2 | 6,3/7/20 |
| JA7 | 10 | 6,3/7 |
| JE7 | 15 | 6,3/7 |
| JJ7 | 22 | 6,3/7 |
| JN6 | 3,3 | 6,3/7 |
| JN7 | 33 | 6,3/7 |
| JS6 | 4,7 | 6,3/7 |
| JS7 | 47 | 6,3/7 |
| JW6 | 6,8 | 6,3/7 |
| N5 | 0,33 | 35 |
| N6 | 3,3 | 4/16 |
| S5 | 0,47 | 25/35 |
| VA6 | 1,0 | 35 |
| VE6 | 1,5 | 35 |
| VJ6 | 2,2 | 35 |
| VN6 | 3,3 | 35 |
| VS5 | 0,47 | 35 |
| VW5 | 0,68 | 35 |
| W5 | 0,68 | 20/35 |
Рис.
10
В. Маркировка 4 символами
Код содержит четыре знака (буквы и цифры), обозначающие емкость и рабочее напряжение. Буква, стоящая вначале, обозначает рабочее напряжение, последующие знаки – номинальную емкость в пикофарадах (пФ), а последняя цифра – количество нулей. Возможны 2 варианта кодировки емкости: а) первые две цифры указывают номинал в пикофарадах, третья – количество нулей; б) емкость указывают в микрофарадах, знак m выполняет функцию десятичной запятой. Ниже приведены примеры маркировки конденсаторов емкостью 4.7 мкФ и рабочим напряжением 10 В.
Рис. 11
С. Маркировка в две строки
Если величина корпуса позволяет, то код располагается в две строки: на верхней строке указывается номинал емкости, на второй строке – рабочее напряжение. Емкость может указываться непосредственно в микрофарадах (мкФ) или в пикофарадах (пф) с указанием количества нулей (см. способ В). Например, первая строка – 15, вторая строка – 35V – означает, что конденсатор имеет емкость 15 мкФ и рабочее напряжение 35 В.
Рис. 12
Маркировка конденсаторов пленочных для поверхностного монтажа фирмы “HITACHI”
Рис. 13
Лабораторная работа 1 влияние температуры на емкость конденсатора и диэлектрические потери в нем
Подборка по базе: Лабораторная работа 1.docx, Практическая работа.docx, Контрольная работа .doc, Практическая работа №3-1.pdf, Практическая работа.docx, Курсовая работа.docx, Аттестационная работа врача скорой помощи.docx, Курсовая работа Разведение Животных_2курс.docx, Антиплагиат курсовая работа физико-химическая лаборатория для пи, Самостоятельная работа №4 (1).docx
Лабораторная работа № 1
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЕМКОСТЬ КОНДЕНСАТОРА И
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В НЕМ
Цель работы: Определение зависимостей емкости, тангенса диэлектрических потерь и температурного коэффициента конденсаторов от температуры.
Приборы и принадлежности: электропечь, измеритель индуктивности, емкости, сопротивления радиокомпонентов -ELC-131D, конденсаторКСО-12, конденсатор МБИ.
Теоретическая часть:
Конденсатор представляет собой систему из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика. Емкость конденсатора зависит от формы пластин, их размеров, взаимного расположения, а также от диэлектрической проницаемости среды, находящейся между пластинами. Емкость плоского конденсатора, выраженная в фарадах, определяется по формуле
С = ε · ε
о
· S/h, где S – площадь пластин, м
2
; h – расстояние между пластинами, м;
ε
о
– абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, ε
о
= 8,85∙10
-8
Ф/м;
ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами.
В лабораторной работе измеряется температурный коэффициент емкости ТК
С
, который определяется по формуле
ТК
С
=
2 1
1 2
1
C
C
C (t t )
, где С
1
и С
2
– емкости образца при температурах t
1
и t
2 соответственно.
t
ОТН
o
С
C
100 %
C
и t
o tgδ
tgδ=
100 %
tgδ
, где С
0
и С
t
– соответственно емкость конденсатора при комнатной и произвольной температурах; tgδ
o и tgδ
t
– тангенс угла диэлектрических потерь конденсатора при комнатной и произвольной температурах.
Экспериментальная часть:
I этап работы
Исследование конденсатора типа КСО
Я исследую конденсатор КСО-12 с емкостью 1360 микрофарад и тангенсом угла диэлектрических потерь 0.00914. Конденсатор лежит в электропечи и подключен к измерителю ELC-131. Устанавливаю скорость нагрева печи и записываю значения приборов t, С
t
/ С
0
и tgδ
t
/tgδ
o
Таблица 1.1. Значения С
t
/ С
0
при разных температурах.
График 1.1. Зависимость емкости конденсатора от температуры.
Таблица 1.2. Значения температурного коэффициента электрического сопротивления.
График 1.2. Зависимость температурного коэффициента.
Таблицы 1.3. Значения tgδ
t
/tgδ
o
График 1.3. Зависимость тангенса диэлектрических потерь от температуры.
II этап работы
Исследование конденсатора типа МБИ
Я исследую конденсатор МБИ с емкостью 1.50 микрофарад и тангенсом угла диэлектрических потерь 0.
0110. Конденсатор лежит в электропечи и подключен к измерителю ELC-131. Устанавливаю скорость нагрева печи и записываю значения приборов t, С
t
/ С
0
и tgδ
t
/tgδ
o
Таблица 2.1. Значения С
t
/ С
0
при разных температурах.
График 2.1. Зависимость емкости конденсатора от температуры.
Таблица 2.2. Значения температурного коэффициента электрического сопротивления.
График 2.2. Зависимость температурного коэффициента.
Таблицы 2.3. Значения tgδ
t
/tgδ
o
График 2.3. Зависимость тангенса диэлектрических потерь от температуры.
Вывод: В данной лабораторной работе мы определили зависимости емкости, тангенса диэлектрических потерь и температурного коэффициента емкости двух конденсаторов от температуры. Для каждого типа конденсатора по данным таблицы построили графики следующих зависимостей:
C
отн
= f(t), tgδ
t
/tgδ
o
= f(t) и ТКc = f(t).
Влияние температуры конденсатора
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу о конденсаторах
Щелкните здесь, чтобы перейти к Это конденсатор, тупой! стр.
Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу нагрева и температуры
Новое в январе 2019 года. Здесь мы рассмотрим изменения характеристик конденсатора в зависимости от температуры.
Вот сопутствующая страница о вариациях конденсаторов в зависимости от напряжения. Не задерживайте дыхание на странице о старении конденсаторов, но это тоже вполне реально!
Вот отличная статья, опубликованная Presidio в журнале Microwave Journal, которая включает информацию о различных диэлектриках.Он также знакомит с идеей заглубленных однослойных крышек, которые могут решить ряд конструктивных проблем. (BSLC). Поверьте, это стоит прочитать, в частности, посмотрите Таблицу 1.
http://www.microwavejournal.com/articles/3395-technology-and-innovation-in-single-layer-capacitors
Наша цель – обобщить на этой странице то, что нужно знать большинству инженеров по СВЧ. Сообщите нам, в чем мы ошибаемся. Пока что обсуждение ниже относится к керамическим многослойным керамическим крышкам (MLCC), которые обычно демонстрируют наиболее проблемные колебания температуры.
Классы конденсаторов более подробно обсуждаются в Википедии. Стандартные классы конденсаторов – хорошая идея, чтобы помочь инженерам выбирать продукты, но единой всемирной системы не существует. Больше похоже на всемирную неразбериху!
Примечание: обсуждение температурных эффектов обычно приводит к обсуждению температурных коэффициентов … которые представляют собой наклон явления в зависимости от температуры. В реальном мире наклон изменяется в зависимости от температуры, поэтому вы не можете просто использовать один коэффициент, если хотите точные прогнозы.Колпачки класса 1 характеризуются температурным коэффициентом, так как они спроектированы так, чтобы иметь линейный температурный режим. Колпачки класса 2 различаются повсюду, поэтому диапазон изменения указывается в диапазоне температур.
Распространенное заблуждение состоит в том, что конденсаторы «X7R» и «NPO» относятся к материалам, например, «GaN» относится к нитриду галлия. Буквенные коды относятся к диэлектрическим характеристикам.
У настоящих диэлектрических материалов длинные названия, например оксиды титаната бария. Инженерам по СВЧ обычно не нужно углубляться в это.
Немного истории стандартов электроники …
Прежде чем мы углубимся в это обсуждение, вам понадобится немного истории организаций по стандартизации. Эти организации создаются совместными усилиями производителей. Прадедом всех ассоциаций по стандартизации электроники был Associated Radio Manufacturers, образованный в 1924 году, когда радио быстро расширялось. К 1952 году он превратился в Ассоциацию производителей радио и телевидения (RETMA). Возможно, вы знакомы со значениями “RETMA” для компонентов, см. Наше обсуждение на этой странице Microwaves101.RETMA стала Ассоциацией электронной промышленности (EIA) в 1957 году. В 1997 году EIA стала Союзом электронной промышленности. EIA прекратила свое участие в 2007 году, но JEDEC развернулся и продолжает выполнять некоторые задачи. Ассоциациям стандартов требуются деньги для работы, поэтому они продают стандарты в Интернете, а также взимают минимум 6400 долларов, чтобы стать членом. В прошлый раз мы проверили спецификацию конденсатора EIA-198, которая регулирует информацию на этой странице, продается за 83 доллара на веб-сайте IHC Markit. Вы также можете купить его на веб-сайте ECIA Ассоциации производителей электронных компонентов.Может быть, когда-нибудь мы его купим, но он кажется немного крутым для документа, который, вероятно, был написан 50 лет назад. Может быть, у кого-то, читающего это, есть копия, и он может взвесить, как это изменило их жизнь? Между тем, информация из EIA-198 просочилась за эти годы, потому что как вы собираетесь применять стандарт, это все большой секрет? Больше информации об организациях по стандартизации электроники здесь, в Википедии.
Примечание: в Европе существует конкурирующий стандарт Международной электротехнической комиссии (МЭК).Очевидно, много совпадений, но дьявол кроется в деталях. На практике кажется, что европейский стандарт взял верх, просто посетите сайт Digikey. Время идет!
Классы керамических колпачков
Класс 1: Температурная стабильность (для схем с компенсацией температуры возможны линейные изменения), но с ограниченной плотностью емкости (диэлектрическая проницаемость до ~ 40)
Класс 2: большее изменение температуры (очень нелинейное), гораздо более высокая емкость (диэлектрики в тысячах)
Класс 3: Так называемые конденсаторы с барьерным слоем.
Самая высокая плотность емкости, но туда не ходите: это практически заброшенная технология. Диэлектрики Z5U и Y5V часто возникают в контексте того, «чего нельзя делать».
Класс 4: Разработан передовыми инопланетянами на планете Металлуна и используется в Interocitor
.
Как использовать интероцитор ( This Island Earth, 1952)
Серьезно, если вам нравятся научно-фантастические фильмы об их Золотом веке (1950-е годы), вам нужно увидеть этот остров Земля.
Конденсаторы класса 1
В мире СВЧ вы захотите использовать класс 1 для радиочастотных цепей, таких как согласующие сети, фильтры, ГУН. Крышки первого класса определяются температурными коэффициентами и допусками. Если вы построите график зависимости предельного значения класса 1 от температуры, вы увидите почти прямую линию или, по крайней мере, монотонную линию.
Как применить температурный коэффициент? Кажется глупым, что инженер спрашивает об этом, но мы покажем вам здесь, чтобы нам не приходилось время от времени отвечать на вопросы электронной почты по этой теме.
C (T) = C0 * (1 + Tempcoefficient * (25-TempC))
Где:
C (T) – значение емкости при температуре
C0 – значение емкости при комнатной температуре (номинальное)
Tempcoefficient – угадайте, что?
TempC – температура в градусах Цельсия
Обратите внимание, что если температурный коэффициент указан в частях на миллион (ppm), вам необходимо разделить его на 1E6.
Ниже приведен стандарт EIA-198 (США) класса 1:
| Спецификатор керамики | Температурный коэффициент α 10 −6 / K | Допуск температурного коэффициента (ppm / K) |
| P100 | 100 | ± 30 |
| NP0 | 0 | ± 30 |
| N33 | −33 | ± 30 |
| N75 | −75 | ± 30 |
| N150 | -150 | ± 60 |
| N220 | −220 | ± 60 |
| N330 | −330 | ± 60 |
| N470 | −470 | ± 60 |
| N750 | −750 | ± 125 |
| N1000 | -1000 | ± 250 |
| N1500 | −1500 | ± 250 |
Кольцо декодера европейского стандарта EIA-RS-198 резюмируется как:
| Температурный коэффициент α 10 −6 / K | Множитель температурного коэффициента | Допуск температурного коэффициента (ppm / K) |
С: 0. 0 | 0: -1 | г: ± 30 |
| В: 0,3 | 1: −10 | В: ± 60 |
| л: 0,8 | 2: −100 | Дж: ± 120 |
| А: 0,9 | 3: -1000 | К: ± 250 |
| M: 1.0 | 4: +1 | л: ± 500 |
| П: 1,5 | 6: +10 | M: ± 1000 |
| R: 2.2 | 7: +100 | Н: ± 2500 |
| S: 3,3 | 8: +1000 | |
| Т: 4,7 | ||
| В: 5,6 | ||
| U: 7,5 |
Обратите внимание, что европейский стандарт разрешает отдельно указывать температурный коэффициент и его допуск.
NP0 (стандарт EIA) и C0G (стандарт EIS) имеют номинально нулевые температурные коэффициенты. Обратите внимание, что и NP0, и C0G имеют в названии цифру ноль, а не букву O. Ноль означает нулевое отклонение.
Ниже «Подотресно» в Индонезии показана разница между термостабильным устройством и конденсатором по сравнению с более дешевой альтернативой с использованием мультиметра за 30 долларов и бутановой зажигалки. Гениально!
Если вы пойдете в Digikey и откроете все варианты температурных коэффициентов MLCC для керамики 1 пФ, вы найдете алфавитный суп:
A
BG
BP
C0G, NP0
C0H
C0K
CH
CL
M
P2H
P90
R2H
S2H
T2H
U2J
U2K
8XR
Из доступных диэлектриков только P90 соответствует коду EIA.Остальные три буквенных кода соответствуют европейским стандартам (EIS). Однобуквенные и двухбуквенные коды – это коды производителей, вам придется покопаться в некоторых таблицах данных, чтобы понять, что они означают, но именно поэтому они платят вам большие деньги. Если вы думали, что выбрать конденсатор легко, вы, вероятно, никогда этого не делали!
Конденсаторы класса 2
Если вы построили график зависимости емкости конденсатора класса 2 от температуры, вы увидите функцию, которую нельзя описать прямой линией.
Технический термин для этого – «волнистый беспорядок».
Похоже, что спецификация EIA-198 все еще широко используется для крышек класса 2. Взгляните … В спецификации EIA-198 Class 2 первая буква относится к более низкой температуре:
| X = -55 ° C |
| Y = -30 ° C |
| Z = +10 ° С |
Второй символ, цифра, указывает на верхний предел температуры:
| 4 = +65 ° C |
| 5 = +85 ° С |
| 6 = +105 ° С |
| 7 = +125 ° С |
| 8 = +150 ° С |
| 9 = +200 ° C |
Третий символ, буква, обозначает допуск.
| P = ± 10% |
| R = ± 15% |
| L = ± 15%, + 15 / -40% выше 125 ° C [10] |
| S = ± 22% |
| Т = + 22 / −33% |
| U = + 22 / −56% |
| В = + 22 / −82% |
Итак, худшим исполнителем будет Z4V.
Реальная история ужасов: давным-давно кто-то тестировал новый MMIC на перегрев.При комнатной температуре он был стабильным, но при 85 ° C колебался. Проблема оказалась в байпасных конденсаторах Y5V, которые потеряли 82% своей емкости при высокой температуре!
Еще впереди … нам нужно добавить несколько сюжетов!
Характеристики, зависящие от температуры | Дизайн | Руководство по безопасности для многослойных конденсаторов с керамической стружкой | Электронные компоненты и устройства
Климатические факторы
Характеристики, зависящие от температуры
Перед тем, как выбрать подходящие характеристики, рассмотрите фактор изменения температуры внутри оборудования.
Электрические характеристики конденсатора меняются в зависимости от температуры.
Факторы изменения температуры в оборудовании
- (1) Сезонные колебания (например, зима и лето)
- (2) Изменение температуры днем (например, днем и ночью)
- (3) Рабочее состояние оборудования, то есть рабочий режим или режим ожидания
- (4) Температура в конденсаторе повышается за счет теплопроводности или лучистого тепла от соседних компонентов.
Влияние рабочей температуры на электрические характеристики См. Ниже
- (1) При высокой температуре ： – Уменьшение емкости
– Увеличение ESR на высокой частоте
– Уменьшение сопротивления изоляции - (2) При низкой температуре ： – Уменьшение емкости
– Увеличение ESR на низкой частоте
Поскольку в керамическом конденсаторе используется керамический диэлектрик, диэлектрическая постоянная которого зависит от температуры, емкость конденсатора
может значительно измениться в широком диапазоне рабочих температур.
Рекомендуются следующие действия для обеспечения подходящей емкости.
- (1) При проектировании электронного прибора рекомендуется ограничивать колебания рабочей температуры путем выбора компонентов и расположения компонентов, чтобы минимизировать изменение емкости при изменении температуры.
- (2) Емкость может измениться, даже если температура окружающей среды находится в пределах номинальной температуры.
В дополнение к вышеупомянутой проблеме, характеристика напряжения постоянного тока и старение емкости конденсатора должны быть приняты во внимание при выборе конденсатора, если конденсатор будет использоваться для схемы, которая требует небольшого допуска емкости, такого как постоянная времени. схема.
Руководство по безопасности для многослойных керамических чип-конденсаторов Все списки
Изменяется ли емкость керамических конденсаторов в зависимости от температуры? / Каковы емкостные температурные характеристики конденсаторов? ｜ Q&A Corner
Изменяется ли емкость керамических конденсаторов в зависимости от температуры?
Каковы емкостные температурные характеристики конденсаторов?
Емкость керамических конденсаторов изменяется в зависимости от температуры окружающей среды.Это изменение называется емкостными температурными характеристиками.
Это вызвано материалом, используемым в керамических конденсаторах, и обычно встречается на керамических конденсаторах.
других компаний.
На следующем рисунке показан коэффициент изменения емкости нашего продукта LMK212BJ105KD-T в зависимости от температуры.
Что касается температурных характеристик керамических конденсаторов, то широко используются два стандарта.Один – это Японские промышленные стандарты (JIS), а другой – стандарт Electronic Industries Alliance (EIA).
Производители керамических конденсаторов, включая нашу компанию, предоставляют символ температурных характеристик
оба / либо JIS, либо EIA для каждого продукта. Из этой информации вы можете узнать операционную
температурный диапазон и коэффициент емкости в пределах
диапазон рабочих температур или коэффициент изменения емкости для каждого продукта.В следующей таблице показан типичный список символов температурных характеристик JIS и EIA.
и список также показывает соответствующий диапазон рабочих температур,
температурный коэффициент и коэффициент изменения емкости.
| Символ | Диапазон рабочих температур [℃] | Температурный коэффициент [ppm / ℃] | |
|---|---|---|---|
| JIS | EIA | ||
| КГ | C0G | -55 до +125 | 0 ± 30 |
| CH | C0H | 0 ± 60 | |
| CJ | C0J | 0 ± 120 | |
| СК | C0K | 0 ± 250 | |
| UJ | U2J | -750 ± 120 | |
| Великобритания | U2K | -750 ± 250 | |
| SL | – | -1000 до +350 | |
| Символ | Диапазон рабочих температур [℃] | Коэффициент изменения емкости [%] | |
|---|---|---|---|
| JIS | EIA | ||
| B | – | -25 до +85 | ± 10 |
| – | X5R | -55 до +85 | ± 15 |
| – | X6S | -55 до +105 | ± 22 |
| – | X7R | -55 до +125 | ± 15 |
| – | X7S | -55 до +125 | ± 22 |
| – | X7T | -55 до +125 | -22 / + 33 |
| ф | – | -25 до +85 | + 30 / -80 |
| – | Y5V | -30 до +85 | + 22 / -82 |
* Эталонная температура составляет 20 ℃ в JIS и 25 ℃ в EIA.
Температурный коэффициент и коэффициент изменения емкости можно рассчитать по формуле емкость C T при рабочей температуре T и емкость C T0 при эталонной температуре T0 используя следующие формулы. Эти значения должны находиться в пределах диапазона, указанного в приведенной выше таблице.
Пожалуйста, обратитесь к TY-COMPAS по каждому продукту где вы можете искать технические характеристики и характеристики нашей продукции.
Зависимость конденсаторов MLCC от смещения постоянного и переменного тока, включая температурную зависимость – Блог о пассивных компонентах
Источник: статья
о электрической целостности. Следуя инициативе EPCI по исследованию проблем MLCC BIAS, которая обсуждается здесь на симпозиуме PCNS 2019, EPCI рада получить разрешение автора на публикацию статьи, написанной Иштваном Новаком и его коллегой.
о реальном измерении эффекта MLCC DC BIAS. Иштван Новак и его команда в этой статье измерили характеристики нескольких различных устройств MLCC и сравнили их характеристики, включая влияние температуры.Также будет показано, как одна и та же номинальная деталь от разных производителей может вести себя по-разному, а также как некоторые конденсаторы X7R могут вести себя так же или даже хуже, чем детали X5R. Также будет рассмотрено влияние условий измерения, например, предварительной подготовки и / или времени выдержки.
Исходный документ, опубликованный на конференции DesignCon East 2011, можно загрузить в формате pdf с веб-страницы «Электрическая целостность» здесь.
Абстрактные
Емкость некоторых конденсаторов зависит не только от выбранного материала диэлектрика, геометрии и температуры, но также от смещения постоянного и переменного тока, приложенного к детали.Некоторые керамические конденсаторы с высокой объемной плотностью сегодня сильно зависят от смещения постоянного и переменного тока.
Для достижения высоких значений емкости начальную диэлектрическую проницаемость керамического материала повышают до наивысших практических значений и в то же время минимизируют толщину отдельных диэлектрических слоев. Диэлектрическая проницаемость и емкость изменяются, когда рабочая точка перемещается по гистерезисной кривой из-за смещения переменного и постоянного тока. Последние достижения снизили толщину слоя до уровня однозначных микрометров, и это выдвинуло проблему на категории материалов, такие как X5R и X7R, которые ранее демонстрировали гораздо меньшую зависимость от смещения.В этой статье будут показаны измеренные характеристики нескольких различных устройств MLCC и сравнены их характеристики в этом отношении, включая влияние температуры. Также будет показано, как одна и та же номинальная деталь от разных производителей может вести себя по-разному, а также как некоторые конденсаторы X7R могут вести себя так же или даже хуже, чем детали X5R. Также будет рассмотрено влияние условий измерения, например, предварительной подготовки и / или времени выдержки.
В промышленности давно известно, что емкость многослойных керамических конденсаторов с сегнетоэлектрическими диэлектрическими материалами зависит от смещения постоянного и переменного тока.Несколько лет назад детали из керамики класса II (с допустимым отклонением емкости + -15% или менее в указанном диапазоне температур) демонстрировали умеренное снижение максимальной емкости от 20 до 40% во всем рабочем диапазоне постоянного тока, и только керамика класса III (с допустимое изменение емкости + -22% или более в указанном диапазоне температур) приходилось с максимальной потерей емкости 60% или выше. На рисунке 1 показана такая иллюстрация из каталога поставщика.
Рис. 1: Типичная зависимость смещения постоянного тока из прошлого для трех различных типов MLCC.Данные с рисунка 8 из [1].
Однако сегодня фактические данные поставщиков часто показывают гораздо более значительную потерю емкости даже для деталей класса II.
Чтобы увеличить емкость MLCC в заданном размере корпуса (с фиксированными L, W и H), у поставщиков конденсаторов есть два основных варианта: улучшить материал для достижения более высоких значений ε r или увеличить количество диэлектрических слоев (N). за счет уменьшения толщины диэлектрических слоев (th) и / или проводящих слоев. Сегнетоэлектрические материалы, такие как керамика, имеют высокие значения ε r , но по мере увеличения ε r они имеют цену повышенной чувствительности к температуре и смещению.В то же время, если мы увеличим количество слоев за счет уменьшения th, заданное напряжение на выводах конденсатора создаст более высокую напряженность поля (смещение) на диэлектрических слоях.
Рисунок 2: Конструкция MLCC и приблизительный расчет емкости. N – количество диэлектрических слоев в конденсаторе. V – напряжение, приложенное к конденсатору, E – напряженность поля на каждом диэлектрическом слое.
Диэлектрические материалы для MLCC бывают трех категорий.
Материалы класса I (для деталей COG и NPO) очень стабильны, но могут достигать только низких значений ε r . Материалы класса II долгое время были лучшим выбором, предлагая компромисс между умеренно высокой диэлектрической проницаемостью и разумной стабильностью. Материалы класса III имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость, но также обладают высокой нестабильностью. Наиболее типичными категориями класса II являются X5R и X7R. Оба имеют максимально допустимое изменение емкости + -15% с температурой в диапазоне температур от -55 до +85 и +125 ° C, соответственно, для X5R и X7R.Сегнетоэлектрические материалы, как и ферромагнетики, проявляют гистерезисный отклик на возбуждение. Классическую и подробную теорию можно найти, например, в [2]; более современное резюме можно найти в [3].
Многослойные керамические конденсаторы от каждого производителя поставляются с различными значениями емкости, допусками, номинальными напряжениями, размерами корпусов, типами корпусов и температурными характеристиками.
Количество доступных различных моделей настолько велико, что не имело смысла проводить систематическое изучение всего предложения.Чтобы ограничить перестановки, несколько характеристик были определены и проанализированы у некоторых основных поставщиков. До сих пор общепризнано, что керамика класса I имеет очень небольшую или совсем не зависит от постоянного и переменного напряжения смещения, поэтому они не были включены в исследование.
Аналогичным образом, конденсаторы класса III (и класса IV, которые теперь считаются устаревшими), которые, как известно, имеют очень плохую стабильность и большую чувствительность к смещению постоянного и переменного тока, также были исключены из исследования. Из керамики класса II были выбраны две температурные характеристики, X5R и X7R, в первую очередь потому, что раньше эти конденсаторы демонстрировали относительно умеренную зависимость от смещения, а также было распространенным предположением, что конденсаторы X7R имели меньшую зависимость от смещения, чем их аналоги X5R (при условии, что все остальное одинаково.
).
Всего было протестировано более двух десятков различных моделей конденсаторов от шести разных производителей MLCC. Для справки были также испытаны одна модель электролитического и одна полимерная танталовые конденсаторы, все остальные были MLCC. Шесть поставщиков обозначены буквами от A до F. Чтобы еще больше ограничить количество деталей, корпуса MLCC были ограничены размерами 0402, 0603, 0805, 1206 и 1210, а номинальное напряжение деталей было ограничено диапазоном от 4 до 16 В.
Чтобы получить представление о зависимости чувствительности к смещению от производителя, некоторые конденсаторы с одинаковыми номинальными характеристиками были получены от нескольких поставщиков.Некоторые другие конденсаторы того же производителя сравнивались с температурными характеристиками X5R и X7R, при этом емкости, размеры корпуса и номинальное напряжение были одинаковыми.
III. КИП Приборы показаны на Рисунке 3 [4]. Были разработаны сценарии для управления прибором и для пошагового перехода через заранее определенные диапазоны напряжений смещения постоянного тока, в то время как смещение переменного тока поддерживалось постоянным, как описано в [4].
При любом заданном уровне смещения переменного тока смещение постоянного тока изменялось с шагом 1% от номинального напряжения, а профиль импеданса измерялся в 201 частотной точке в диапазоне частот от 100 Гц до 10 МГц.Сценарии допускали различные способы пошагового изменения напряжения смещения постоянного тока: последовательный монотонный, возврат к нулю, а также чередование положительных и отрицательных значений, начиная с максимума и приближаясь к нулю. Отдельные параметры скриптов получали точки данных в определенное пользователем время после изменения условий смещения. Большинство деталей измерялись несколько раз в течение не менее 100 секунд после каждого изменения настройки смещения, в результате чего общее время измерения на каждом уровне смещения переменного тока составляло от шести до десяти часов.
Рис. 3. Измерительная установка для измерения чувствительности MLCC к смещению постоянного и переменного тока.
Большинство измерений в этом исследовании проводилось только при комнатной температуре; Температурные зависимости приведены в конце раздела IV.
Во время измерений данные записывались на встроенный жесткий диск прибора, и отдельные сценарии использовались для чтения файлов и объединения фрагментов данных в различных формах, например, для отображения емкости на трехмерных графиках как функции напряжения смещения постоянного тока. и частота.
В этом разделе приводится сводка различных результатов измерений.
Варианты от единицы к агрегату
Различия между блоками проиллюстрированы на примере чувствительности к смещению постоянного тока, измеренной на десяти образцах компонентов X5R 1 мкФ 0603 16 В от поставщика-F (см. Таблицу 1). Данные представлены на Рисунке 4. Когда мы убираем начальный допуск емкости, процент потерь емкости показывает плотное распределение. Было обнаружено, что это типично для всех измеренных образцов, что подтверждает, что различия, наблюдаемые между деталями от разных поставщиков, характерны для материалов и процессов конкретного поставщика, а не случайные отклонения от детали к детали.
Рис. 4. Распределение зависимости смещения постоянного тока между десятью образцами компонентов X5R 0603 размером 1 мкФ на 16 В от одного производителя.
Сравнение чувствительности к смещению постоянного тока деталей X5R и X7R
Для проверки преобладающего предположения о том, что детали X7R могут иметь более низкую чувствительность к смещению, чем сопоставимые детали X5R, были измерены различные группы деталей. В каждой группе были детали X5R и X7R от разных производителей, но все остальные характеристики были одинаковыми.Одна такая группа представлена в таблице 1. Группа состояла из восьми различных моделей MLCC размером 1 мкФ 0603 с номерами деталей по каталогу 16 В от пяти разных поставщиков. Пять моделей получили рейтинг X5R, три из них – X7R. Производитель-F имел два разных номера детали X5R с разной чувствительностью к смещению. Сегодня деталь 1 мкФ 16 В размера 0603 не считается высокой плотностью, и поэтому с этими деталями мы можем проверить предположения, что детали X7R могут иметь более низкую чувствительность к смещению постоянного тока.
Таблица 1: Распределение поставщиков для сравнения деталей X5R и X7R 1 мкФ 0603 16 В.
Детали были измерены при двух постоянных уровнях смещения переменного тока: 10 мВ среднекв. И 500 мВ среднеквадр. Смещение постоянного тока изменялось последовательно с шагом 0,2 В от -20 В до +20 В. Показанные здесь данные представляют собой показания, снятые через 100 секунд после каждого изменения условий смещения. На рисунке 5 представлена общая картина, включающая все восемь частей.
Рис. 5. Зависимость общей емкости от смещения для всех моделей 1 мкФ 0603 16 В, измеренная при 100 Гц и смещении 10 мВ переменного тока. Слева: абсолютная емкость.Справа: процентная емкость по сравнению с максимальным значением.
На рисунке 6 сравнивается процентное изменение емкости отдельно для компонентов X5R и X7R.
Рисунок 6. Процентное сопротивление емкости от смещения для моделей 1 мкФ 0603 16 В, измеренное при 100 Гц и смещении 10 мВ переменного тока.
Слева: детали X5R. Справа: детали X7R.
У двух поставщиков были детали X5R и X7R. На рис. 7 сравниваются компоненты X5R и X7R от каждого из этих поставщиков.
Рисунок 7: Сравнение процентной емкости от смещения для моделей 1 мкФ 0603 16 В, измеренных при 100 Гц и смещении 10 мВ переменного тока.Детали X5R и X7R от поставщика-B (слева) и от поставщика-F (справа).
Обратите внимание, что не было заметной разницы между деталями X5R и X7R от Продавца-B. Также обратите внимание, что детали X5R и X7R от Vendor-F показали результат, противоположный ожидаемому: деталь X7R оказалась более чувствительной, чем детали X5R. Те же тесты были повторены при смещении переменного тока 500 мВ (среднеквадр.). На рисунках 8, 9 и 10 показаны результаты. Первый рисунок 8 показывает общее сравнение для всех частей.
Рисунок 8: Зависимость общей емкости от смещения для всех моделей 1 мкФ 0603 16 В, измеренная при 100 Гц и смещении 500 мВ переменного тока.
Слева: абсолютная емкость. Справа: процентная емкость по сравнению с максимальным значением.
Рис. 9: Зависимость емкости от смещения в процентах для моделей 1 мкФ 0603 16 В, измеренная при 100 Гц и смещении 500 мВ переменного тока. Слева: детали X5R. Справа: детали X7R.
Рисунок 10: Сравнение емкости в процентах от смещения для моделей 1 мкФ 0603 16 В, измеренных при 100 Гц и смещении 500 мВ переменного тока. Детали X5R и X7R от поставщика-B (слева) и от поставщика-F (справа).
Тенденции и наблюдения те же, что и для случая смещения 10 мВ переменного тока. Единственная разница в том, что теперь абсолютная емкость для всех частей выше. Мы рассмотрим это позже, когда будем проводить развертку смещения переменного тока.
Все поставщики, включенные в это исследование, опубликовали на своих веб-сайтах некоторое количество данных о зависимости от предвзятости. Поставщики A и F имеют загружаемые исполняемые файлы с соответствующими данными, включенными в базу данных.
Поставщики B, C и D предлагают онлайн-инструменты.Все эти поставщики имеют информацию о зависимости смещения постоянного тока; некоторые также имеют данные о смещении переменного тока.
На следующих рисунках данные производителей сравниваются с нашими измеренными данными при смещении переменного тока 500 мВ (среднеквадр.) При 100 Гц и комнатной температуре. Не все производители указывают условия (температура, смещение переменного тока, частота) для своих данных смещения постоянного тока, но наши данные о смещении переменного тока 500 мВ (среднеквадратичное значение), похоже, с большей вероятностью соответствуют условиям поставщика, чем набор данных 10 мВ среднеквадратичного значения. На рисунках 11 и 12 сравнивается каждая деталь в группах X5R и X7R соответственно.Обратите внимание, что поставщик-B и поставщик-C имеют очень хорошее согласие между измеренным и прогнозируемым поставщиком падением емкости. Данные для поставщика-A и поставщика-F показывают большие различия, и оба прогноза недооценивают потери емкости.
Рис. 11. Сравнение емкости в процентах от смещения для моделей 1 мкФ 0603 X5R 16 В, измеренных при 100 Гц и смещении 500 мВ переменного тока. На всех графиках маркеры в виде зеленого треугольника обозначают данные поставщика; сплошная синяя линия показывает наши измеренные данные.
Рисунок 12: Сравнение процентной емкости от смещения для моделей 1 мкФ 0603 X7R 16 В, измеренное при 100 Гц и смещении 500 мВ переменного тока. На всех графиках маркеры в виде зеленого треугольника обозначают данные поставщика; сплошная синяя линия показывает наши измеренные данные.
Обратите внимание, что от поставщика-B не только измеренные данные смещения постоянного тока близко совпадают между деталями X5R и X7R, но и информация о смещении поставщика также полностью одинакова для этих двух деталей. Это снова предполагает, что этот поставщик может использовать одну и ту же деталь (или, по крайней мере, тот же диэлектрический состав и толщину слоя) для этих деталей со спецификациями X5R и X7R.
Аналогичным образом, данные поставщика от Vendor-F подтвердили результаты измерений, что детали X7R имеют более высокую чувствительность к смещению постоянного тока, чем их детали X5R.
Вариация ESR и ESL при смещении постоянного тока
Разумно предположить, что ESR и ESL не меняются заметно из-за смещения постоянного тока. Измеренные данные подтверждают предположение для ESL, а также для ESR на уровне SRF детали и выше. Однако ниже SRF ESR изменяется пропорционально изменению емкости. Это происходит потому, что ниже SRF потери преобладают за счет параллельных диэлектрических потерь.Для одного и того же тангенса угла потерь более низкая емкость означает меньшую параллельную проводимость, которая преобразуется в более высокое сопротивление в последовательной эквивалентной схеме.
Рисунок 13: ESR детали X5R 16V размером 1 мкФ 0603. Слева линейный график, справа трехмерный график.
На рисунке 13 показано измеренное значение ESR как функция смещения постоянного тока.
Обратите внимание, что при SRF и выше ESR не изменяется при смещении постоянного тока. При увеличении смещения несколько ниже SRF увеличиваются пики: это проявление пьезоэлектрических эффектов.
Остерегайтесь деталей
При массовом производстве наличие альтернативных источников компонентов является важным требованием. При выборе альтернативных источников нам необходимо определить, какие части считаются взаимозаменяемыми. Можно подумать, что если альтернативная часть будет иметь корпус с идентичной площадью основания, но меньшей высотой, она будет удовлетворять требованиям.
Рис. 14: Зависимость емкости от смещения в процентах для трех моделей 0603 16V 1 мкФ.Данные прогнозируются поставщиком-C.
На рис. 14 показана ситуация, когда это может не сработать. В приведенном выше сравнении X5R и X7R от Vendor-C у нас была деталь X5R в корпусе высотой 0,8 мм. Чтобы сравнить яблоки с яблоками, мы убедились, что все остальные части в сравнительной смеси имеют одинаковую номинальную высоту упаковки 0,8 мм.
Однако, например, Vendor-C также предлагает другие варианты деталей 1 мкФ 16V 0603: деталь X5R с номинальной высотой 0,5 мм и деталь X7R с номинальной высотой 0,8 мм. На рисунке 14 показана зависимость емкости от напряжения смещения постоянного тока для этих трех частей, рассчитанная по базе данных поставщика.Обратите внимание, что компонент X5R высотой 0,5 мм, возможно, из-за более тонких диэлектрических слоев, имеет значительно большие потери емкости при том же напряжении смещения.
Зависимость от переменного тока смещения
Емкость также зависит от уровня смещения переменного тока. Чтобы показать это более подробно, несколько деталей были измерены последовательно с разными фиксированными уровнями смещения переменного тока.
Рисунок 15: Зависимость от напряжения смещения переменного тока для образца X5R размером 4,7 мкФ 0805 16 В от поставщика-F.Вверху слева: абсолютная емкость при 100 Гц. Вверху справа: потеря емкости в процентах.
Внизу: абсолютная емкость как функция смещения переменного тока с смещением постоянного тока в качестве параметра. На всех графиках параметр смещения указан в порядке следования графиков.
На рис. 15 показаны данные для детали X5R размером 4,7 мкФ 0805, 16 В, от Vendor-F. Обратите внимание, что емкость не сильно меняется, пока смещение переменного тока не превысит 50 мВ среднеквадратического значения. Зависимость от смещения переменного тока является наибольшей при смещении 0 постоянного тока и становится очень маленькой, когда смещение постоянного тока приближается к номинальному номинальному напряжению.
Зависимость от тайминга и типа развертки
После приложения смещения мы можем наблюдать мгновенный скачок емкости, за которым следует более медленная релаксация. Можно было бы ожидать, что части, демонстрирующие более высокий начальный скачок, также будут демонстрировать большую релаксацию, но это не обязательно так. Мы проиллюстрируем это на двух частях: Часть 1 от поставщика A, деталь X5R размером 47 мкФ 1206, 6,3 В; Часть 2 от производителя D, деталь X7R размером 4,7 мкФ 0805, 16 В.
Графики на Рисунке 16 показывают емкость, измеренную при комнатной температуре, частоте 100 Гц и напряжении смещения 10 мВ среднеквадратичного значения.Показания были взяты из измерений частоты качания; одна развертка заняла 9,5 секунды. Часть 2 показала более медленный распад, поэтому был применен более длительный период испытаний, превышающий 150 секунд. Между каждым шагом смещения постоянного тока детали снижались до нуля.
Рис. 16. Сравнение изменения емкости во времени на двух разных частях после приложения смещения постоянного тока. Графики слева: Часть 1 от поставщика A, размер 47 мкФ, 1206, 6,3 В, X5R. Правый график: Часть-2 от Продавца-D, 4.7 мкФ 0805-размер 16V X7R часть. Обратите внимание на логарифмическую шкалу времени на нижних графиках
Обратите внимание, что относительная релаксация после первого шага в значении емкости оказывается экспоненциальной. Это иллюстрируется точным соответствием прямой линии процентному изменению емкости как функции логарифма времени.
Отметим также, что наиболее сильное затухание происходит при относительно умеренном смещении. Тот же эффект также показан на трехмерных графиках емкости-смещения, см. Рисунки 17 и 18.Часть с медленной релаксацией (рис. 18) демонстрирует заметное падение емкости даже после 100 секунд выдержки, когда напряжение смещения переходит в меньшие абсолютные значения (см. Левый край графиков).
Рис. 17: Поверхностный график емкости как функция частоты и смещения постоянного тока на участке быстрой релаксации. Левый график: показания, полученные через 10 секунд после изменения смещения. Правый график: показания сняты через 100 секунд после изменения смещения.
Рис. 18: Поверхностный график емкости как функция частоты и смещения постоянного тока на участке медленной релаксации.Левый график: показания, полученные через 10 секунд после изменения смещения. Правый график: показания сняты через 100 секунд после изменения смещения.
Температурная зависимость
Керамика класса II имеет стандартизованное окно допустимой температурной зависимости для каждого подкласса.
Две типичные категории класса II, X5R и X7R, имеют максимально допустимое изменение емкости + -15% в зависимости от температуры в диапазоне температур от -55 до +85 и от -55 до +125 ° C, соответственно. Температурная зависимость указана без смещения постоянного тока.Чтобы увидеть, влияет ли температура на зависимость смещения постоянного тока, некоторые детали были протестированы при различных температурах.
Образец, который нужно было измерить, был припаян к небольшому испытательному приспособлению (показанному на рисунке 3), и установка была откалибрована при комнатной температуре. Затем приспособление было помещено в температурную камеру, и калибровка была повторно проверена при различных настройках температуры, чтобы убедиться, что такая же калибровка для приспособления и участка кабеля внутри испытательной камеры действительна во всем используемом диапазоне температур.
Зависимость тестируемого устройства от напряжения смещения постоянного тока была измерена при ряде температурных настроек от -5 до +70 градусов.
Поскольку в каждой температурной точке проверка зависимости смещения от постоянного тока занимает около половины дня, количество температурных точек было ограничено следующей последовательностью: -5 ° C, +20 ° C, +45 ° C, +70 ° C, -5 ° C. Последняя точка температуры была добавлена для проверки долговременного дрейфа или памяти. Зависимость смещения от постоянного тока измерялась с независимым от частоты смещением переменного тока 10 мВ среднеквадр.
Смещение переменного тока 10 мВ (среднеквадратичное значение) достаточно мало, поэтому даже если уровень переменного тока на конденсаторе отклоняется от калиброванного уровня из-за изменения емкости, он оказывает незначительное влияние на чувствительность к смещению постоянного тока.Показанные здесь данные были собраны на образце X5R размером 1 мкФ 0603 16 В от поставщика B.
Рисунок 19: Изменение емкости в зависимости от температуры при 100 Гц. Регистрируется максимальная емкость как функция смещения постоянного тока.
Значения абсолютной емкости слева, значения относительной емкости справа.
На рисунке 19 показана максимальная емкость при 100 Гц. Обратите внимание, что максимальная емкость возникает при небольшом положительном смещении (см. Рисунок 20), поскольку смещение постоянного тока последовательно изменялось от -20 В до +20 В.Относительное изменение емкости в диапазоне температур -5… +70 ° C составляет менее 10%. Температурный коэффициент положительный.
Начальные и конечные точки данных при одинаковой температуре -5 ° C находятся в пределах 1% от значения. На рисунке 20 показаны фактические кривые чувствительности к смещению постоянного тока при различных значениях температуры. Слева показаны абсолютные значения емкости, справа – нормализованное относительное изменение кривых емкости. Обратите внимание на точное отслеживание нормализованных кривых, указывающее на то, что зависимость смещения не зависит от температуры.Трехмерные графики при -5 и 70 ° C показаны на рисунке 21.
Рис. 20. Кривые чувствительности к смещению постоянного тока конденсатора X5R емкостью 1 мкФ 0603 16 В от поставщика B при различных значениях температуры.
Рисунок 21: Зависимость емкости от смещения постоянного тока и частоты при температуре -5 ° C (слева) и температуре +70 ° C (справа)
Рисунок 22: Изменение ESR в зависимости от частоты, смещения постоянного тока и температуры.Верхние графики: температурная зависимость при нулевом смещении постоянного тока, полный вид слева, увеличенный вид справа. Нижние графики: температурная зависимость со смещением 50% постоянного тока, полный вид слева, увеличенный вид справа.
Рисунок 13 показывает, что при комнатной температуре ESR не зависит от смещения постоянного тока выше последовательной резонансной частоты, а изменяется вместе с изменением емкости ниже последовательного резонанса. На Рисунке 22 показана аналогичная тенденция ниже резонанса; изменяется ли емкость из-за смещения или температуры, ESR изменяется вместе с ним.
Вокруг и выше последовательного резонанса мы можем выделить две тенденции: а) с повышением температуры ESR увеличивается и б) пьезоэлектрический резонанс увеличивает ESR больше при повышенных температурах.
Керамические конденсаторы широко используются в современных электронных схемах. Многие из них находят применение в сетях распределения электроэнергии. В высокоскоростных каналах передачи данных они используются в качестве конденсаторов блокировки постоянного тока, а иногда и как часть RC-заделки.Аналоговые схемы также используют их для синхронизации и блокировки постоянного тока. В следующих разделах мы рассмотрим два приложения для распределения энергии, в которых используется большинство MLCC с высокой плотностью размещения.
Конденсаторы, включенные параллельно
В PDN есть две разные категории приложений, в которых может потребоваться учитывать зависимость MLCC от смещения постоянного и переменного тока.
Первое применение – это когда мы используем MLCC с разными значениями емкости параллельно (рисунок 23). Если предполагается, что конденсаторы идеальны, как показано слева на рисунке, все, что нам нужно сделать, это просуммировать различные емкости по мере их изменения смещения постоянного и переменного тока.Если принять во внимание и их паразитные свойства, необходимо также учитывать изменения последовательного и параллельного резонансов. Изменение емкостей приведет к сдвигу последовательного и параллельного резонансов в сторону более высоких значений, а добротность также может немного измениться. Если относительная скорость изменения емкости одинакова для всех конденсаторов, то в основном мы получаем сдвиг профиля импеданса в сторону более высоких частот и более высокой добротности на резонансах.
Рис. 23. Эквивалентная принципиальная схема двух параллельно соединенных конденсаторов.Слева: без паразитов. Справа: с паразитами.
Наихудший случай имеет место, когда некоторые из параллельно включенных емкостей уменьшаются, а некоторые другие либо не увеличиваются, либо фактически могут увеличиваться, возможно, из-за условий смещения переменного тока.
Такой сценарий проиллюстрирован данными измерений на Рисунке 24. Два конденсатора были подключены параллельно в испытательном приспособлении: компонент X7R размером 1 мкФ 0603 16 В от поставщика-D и компонент X5R размером 6,3 В емкостью 47 мкФ от поставщика-E. Минимум около 1 МГц – это частота последовательного резонанса части 47 мкФ.Минимум около 7 МГц – это последовательная резонансная частота части 1 мкФ. Пик около 4 МГц – это антирезонанс между емкостью 1 мкФ и индуктивностью 47 мкФ. Обратите внимание, что все три резонанса перемещаются в сторону более высоких частот, указывая на то, что емкости обеих частей уменьшаются с увеличением смещения постоянного тока.
Рисунок 24: Величина импеданса двух параллельно соединенных MLCC разных типов.
Конденсаторы в LC-фильтрах
Вероятно, одна из худших ситуаций – это когда несколько компонентов, объединенных в одну сеть, реагируют на смещения постоянного и переменного тока в противоположных направлениях.
Типичный сценарий такого рода – использование последовательных катушек индуктивности или ферритовых шариков для усиленной фильтрации, за которыми следуют шунтирующие конденсаторы.
Рис. 25. Эквивалентная схема фильтра PI с последовательным ферритовым элементом и параллельным MLCC на выходе. Слева: установка без смещения постоянного тока через L1. Справа: настройка с постоянным током смещения через L1.
Если эта схема фильтра должна выдерживать значительный постоянный ток, а индуктивный элемент не имеет надлежащего размера, его индуктивность может упасть из-за постоянного тока, протекающего через деталь.Если в то же время отфильтрованное постоянное напряжение снижает емкость MLCC-части на выходе фильтра, мы получаем уменьшенную индуктивность и уменьшенную емкость, что приводит к значительному сдвигу частоты среза фильтра. Этот эффект был протестирован на схеме, показанной на рисунке 25.
Тестируемая схема представляла собой простой фильтр PI, состоящий из двух байпасных конденсаторов и ферритовой шайбы.
Конденсатор C1 на входной стороне фильтра представлял собой конденсатор емкостного типа на органических полупроводниках емкостью 390 мкФ 16 В.Был выбран органический полупроводниковый конденсатор, чтобы имитировать низкое значение входного импеданса питания, а также потому, что они, как известно, мало зависят от постоянного и переменного смещения или не имеют ее. Конденсатор C2 на выходе представлял собой MLCC размером 47 мкФ 6,3 В X5R 1206 от Vendor-E. Элемент серии L1 представлял собой имеющийся в продаже ферритовый шарик, рассчитанный на максимальный ток 2 А.
Фильтр был измерен с помощью тестового порта усиления / фазы анализатора цепей LF-RF E5061B путем измерения отношения напряжений на выходе и входе.Коэффициент передачи напряжения был измерен вместо передаточного импеданса (Z 21 ), потому что в типичных таких приложениях входной поток исходит от шины с более высоким током, эффективно накладывая на вход шумовое напряжение, в отличие от шумового тока, что было бы условием для передаточного сопротивления [5].
Входное сопротивление обоих тестовых портов было переключено на 1 МОм, что означает, что мы измеряем ненагруженное выходное напряжение фильтра.
Рисунок 26: Передаточная функция выходного / входного напряжения LC-фильтра, показанного на рисунке 21.Параметр: напряжение смещения постоянного тока.
На рис. 26 показана измеренная передаточная функция напряжения с напряжением смещения постоянного тока, приложенным к конденсаторам, но без постоянного тока через L1. Напряжение смещения постоянного тока изменялось от 0 В до 10 В (намеренное напряжение C2 превышало его номинальное напряжение) с шагом 0,5 В. На левом графике рисунка показан широкополосный вид передаточной функции от 100 Гц до 10 МГц.
Как и ожидалось, на низких частотах фильтрации нет. Мы замечаем нарастание некоторого затухания около 10 кГц.Прежде чем передаточная функция перейдет в крутой наклон, мы получим небольшой пик от индуктивности феррита и емкости C2. Крутой наклон в конечном итоге сглаживается выше 1 МГц.
В зависимости от напряжения смещения постоянного тока мы не видим изменений ниже 10 кГц и выше 1 МГц. Однако пиковая частота и соответствующая частота среза крутизны фильтрации существенно меняются.
При смещении 0 В пик приходится на 24 кГц; при смещении 10 В пик смещается до 55 кГц. График справа на Рисунке 26 показывает те же данные, увеличенные в диапазоне от 10 кГц до 100 кГц.На следующих рисунках показаны характеристики фильтра при комбинированном смещении постоянного напряжения на конденсаторах и постоянного тока через феррит.
Рисунок 27: Передаточная функция фильтра, показанного справа на Рисунке 19. Четыре графика показывают данные с напряжениями смещения 0, 2, 4 и 8 В постоянного тока. На всех четырех графиках параметром является постоянный ток через феррит.
Рисунок 28: Передаточная функция фильтра, показанного справа на Рисунке 19.На четырех графиках показаны данные с постоянным током смещения 0, 0,5, 1 и 1,5 А через ферритовый валик.
На всех четырех графиках параметр представляет собой напряжение смещения постоянного тока на конденсаторах.
Рисунок 29: Передаточная функция фильтра, показанного справа на Рисунке 19. Два графика показывают совокупные переходные характеристики из Рисунков 21 и 22. Левый график: диапазон смещения ограничен значениями 0–4 В и 0–1 А. Правый график: диапазон смещения 0-16 В и 0-1,5 А.
На рисунке 29 мы показываем все кривые данных с предыдущих графиков.На графике слева напряжение смещения постоянного тока и ток ограничены разумными диапазонами 0–4 В и 0–1 А соответственно. Пределы смещения постоянного тока 4 В и 1 А составляют 63% и 50% от номинальных 6,3 В и 2 А соответственно. На графике по двум осям отмечены два диапазона: диапазон изменения величины передаточной функции на частоте 260 кГц составляет 50 дБ; диапазон изменения частоты на уровне -50 дБ составляет приблизительно 3,2: 1. На графике справа показаны все кривые для полного измеренного напряжения смещения 0–16 В и 0–1.
Диапазоны тока смещения 5А. На этом графике также отмечены два диапазона: на частоте 260 кГц изменение величины передаточной функции составляет 68 дБ; диапазон изменения частоты на уровне -50 дБ составляет примерно 7,2: 1.
Выводы
За последние годы многослойные керамические конденсаторы претерпели значительные улучшения. Объемная плотность увеличилась в несколько раз. К сожалению, это привело к значительному увеличению чувствительности к смещению постоянного и переменного тока для многих деталей.В частности, детали X5R и X7R, которые ранее демонстрировали лишь умеренную зависимость от смещения, демонстрируют падение емкости, которое ранее наблюдалось в основном для керамики класса III. Повышенная зависимость от смещения создает дополнительные проблемы для пользователей на этапе проектирования и проверки и увеличивает сложность проектирования, поскольку фильтры с одинаковыми требованиями фильтрации теперь могут потребовать выбора другого компонента, если им нужно работать в разных средах смещения.
Чтобы помочь пользователям, все основные поставщики сегодня предоставляют информацию о смещении по крайней мере постоянного тока вместе с деталями MLCC.Даже в этом случае дополнительная проблема для пользователя заключается в том, как уложить зависящие от смещения данные поставщика в среду моделирования.
Измеренные данные, собранные в ходе исследования, показали, что зависимость смещения для одной и той же номинальной детали от разных поставщиков может сильно отличаться. Более того, было показано, что чувствительность к смещению деталей X7R не обязательно лучше, чем у деталей X5R, иногда даже от того же производителя. Было также показано, что в дополнение к немедленному изменению емкости с приложенным смещением существует также более длительная экспоненциальная релаксация, которая может изменить емкость на целых 25% в течение нескольких минут.Было обнаружено, что чувствительность емкости к постоянному смещению не зависит от температуры. Однако ESR действительно зависит от температуры на высоких частотах, и он действительно зависит от температуры и смещения постоянного тока вокруг частоты пьезоэлектрического резонанса..jpg)
Некоторые поставщики начали предлагать улучшенные детали с низкой чувствительностью; один из них показан на Рисунке 10 (стандартные детали X5R и улучшенные детали X5R от Vendor-F). Поставщики теперь также имеют возможность соответствовать требованиям нового стандарта JEITA [6], который устанавливает предел изменения емкости в зависимости от смещения постоянного тока, а тестовый уровень переменного тока также снижен, чтобы лучше соответствовать типичным приложениям.
Благодарность
Авторы выражают благодарность поставщикам, предоставившим образцы для исследования. Особая благодарность Марку Д. Во из Мураты, Джону Примаку и Питеру Блейсу из Кемета за их ценные комментарии и обсуждения.
Список литературы
[1] Файл каталога конденсаторов Kemet F3102CE.pdf с сайта www.kemet .com
[2] Х. Фрёлих: Теория диэлектриков – диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери.Оксфорд в Clarendon Press, 1958.
[3] Марк Д. Во, «Проектные решения для смещения постоянного тока в многослойных керамических конденсаторах», Ceramic Industry, октябрь 2009 г. http://www.ceramicindustry.com/Articles/Advanced_Ceramics/BNP_GUID_9-5-2006_A_10000000000000668375
[4] Новак-Мори-Рессо, «Повышение точности измерений импеданса PDN в диапазоне низких и средних частот», Труды DesignCon 2010, Санта-Клара, Калифорния, 1-4 февраля 2010 г.
[5] Новак-Миллер: Характеристики распределительных сетей в частотной области.Artech House, Кантон, Массачусетс, 2007.
[6] Стандарт JEITA RCX-2326: Конденсаторы постоянной емкости для использования в электронном оборудовании – Многослойные керамические конденсаторы для поверхностного монтажа, класс 2A
Биография автора (ов)
Иштван Новак – старший главный инженер в Oracle. Помимо проектирования целостности сигналов высокоскоростных последовательных и параллельных шин, он занимается проектированием и описанием характеристик сетей распределения питания и пакетов для серверов среднего уровня.
Он создает имитационные модели и разрабатывает методы измерения распределения электроэнергии.Иштван имеет более чем двадцатилетний опыт проектирования высокоскоростных цифровых, ВЧ и аналоговых схем и систем. Он является научным сотрудником IEEE за его вклад в методологии измерения целостности сигналов и радиочастотного моделирования.
Барри Вильямс является главным инженером и членом технического персонала Oracle-Sun Microsystems с 2005 года. До прихода в Oracle-Sun Microsystems он 17 лет работал главным инженером в Digital Equipment Corp – Hewlett Packard Co, работая в VAX и Группы Alpha Systems.Автор книги «Системы распределения питания для электронных схем» и является соавтором нескольких представленных документов DesignCon. Выпускник Северо-Восточного университета.
Джейсон Р. Миллер (Jason R. Miller) – главный инженер по аппаратному обеспечению в Oracle Corporation, где он занимается разработкой ASIC, упаковкой ASIC, моделированием и характеристикой межсоединений, а также системным моделированием.
Он опубликовал более 40 технических статей по таким темам, как высокоскоростное моделирование и симуляция, и является соавтором книги «Частотная характеристика сетей распределения электроэнергии», опубликованной Artech House.Он получил докторскую степень. по электротехнике Колумбийского университета.
Густаво Дж. Бландо (Gustavo J. Blando) – главный инженер по аппаратному обеспечению с более чем десятилетним опытом работы в отрасли. В настоящее время в корпорации Oracle он отвечает за разработку новых процессов и методологий в области широкополосных измерений, высокоскоростного моделирования и моделирования систем. Он получил свой M.S. из Северо-Восточного университета.
Натаниэль Шеннон (Nathaniel Shannon) – инженер по аппаратному обеспечению целостности сигналов в корпорации Oracle.Он отвечает за разработку моделирования целостности сигналов и моделирования высокоскоростных последовательных и параллельных шин, а также моделирования сетей распределения электроэнергии. Он получил свой M.S. из Северо-Восточного университета.
Дополнительные технические документы 2-го симпозиума PCNS можно просмотреть и загрузить в формате pdf на веб-сайте EPCI Academy e-Proceedings :
Алюминиевый электролитический конденсатор Технические примечания / Гибрид, конденсатор, блоки питания RUBYCON CORPORATION
4.Режимы отказа
Здесь можно найти типичный режим отказа и его факторы.
5. Жизнь
Алюминиевые электролитические конденсаторы сильно зависят от условий использования (условия окружающей среды, электрические нагрузки и т. Д.), И срок их службы заканчивается из-за уменьшения емкости и увеличения тангенса угла потерь (tanδ). Ухудшение этой характеристики вызвано уменьшением содержания электролита в конденсаторном элементе и обычно объясняется как явление диффузии, при котором электролит растворяется в уплотнительном резиновом материале и испаряется наружу.
5-1 Температура окружающей среды и срок службы
Срок службы алюминиевого электролитического конденсатора в значительной степени зависит от температуры, а соотношение между температурой окружающей среды и сроком службы выражается уравнением 7, основанным на теории (закон 10 ° C в 2 раза), согласно которому срок службы удваивается при снижении температуры на 10 ° C.
Диффузия электролита из уплотнительного резинового материала обычно является доминирующим фактором в сроке службы алюминиевого электролитического конденсатора, а его скорость (коэффициент диффузии) соответствует закону Аррениуса.На рисунке 20 показано сравнение закона Аррениуса и «2-кратного закона 10 ° C», обычно используемого для расчета срока службы электролитических конденсаторов. Закон Аррениуса и «2-кратный закон 10 ° C» демонстрируют хорошую согласованность в диапазоне от 70 ° C до 90 ° C, но есть некоторое отклонение от «2-кратного закона 10 ° C» в диапазоне температур <60 ° C или> 105 ° C.
Рис. 20 Закон Аррениуса в сравнении с двукратным законом 10 ° C (основание 105 ° C)
Таким образом, формула расчета срока службы, описанная в следующем разделе, в основном применяется к изделиям с верхним пределом температуры 105ºC или ниже.Для оценки ожидаемого срока службы продуктов с верхним пределом температуры категории 125 ° C или выше, свяжитесь с нами.
5-2 Пульсации тока и срока службы
Алюминиевый электролитический конденсатор генерирует Джоулева тепло (самонагревание) при подаче пульсаций тока из-за более высоких потерь по сравнению с другими типами конденсаторов. Из-за этого самонагрева внутренняя температура ядра конденсатора (на элементе) выше, чем температура окружающей среды или температура поверхности конденсатора.Поскольку ESR конденсатора увеличивается из-за высыхания электролита, тепловыделение из-за пульсаций тока продолжает расти. Следовательно, необходимо учитывать ускорение, превышающее уравнение 7, для оценки ожидаемого срока службы при применении тока пульсаций.
(1) Температура на поверхности корпуса и в сердечнике конденсатора при подаче пульсирующего тока
Повышение температуры конденсатора при подаче пульсирующего тока выражается уравнением 8.
Значение β обычно уменьшается с увеличением площади поверхности.Приближение значения β выражается уравнением 9
Где β – коэффициент, при котором нагревание измеряется на поверхности конденсатора.
(2) Наклон температуры между сердечником и поверхностью корпуса конденсатора
Наклон температуры между сердечником и поверхностью корпуса конденсатора выражается уравнением 10
Таблица 1 Коэффициент разницы температур (SMD / радиальные свинцовые конденсаторы)
| Диаметр корпуса (мм) | Φ4 ∼ Φ8 | Φ10 Φ12.5 | Φ14,5, Φ16 Φ18 |
| 1,0 | 1,1 | 1,2 |
Таблица 2 Коэффициент разницы температур (защелкивающийся тип)
| Диаметр корпуса (мм) | Φ20 | Φ22 | Φ25 | Φ30 | Φ35 |
| 1,3 | 1,3 | 1,4 | 1,5 | 1,6 |
Примечание 1 ΔT 0 указано для каждой серии.Пожалуйста, узнайте подробности.
Примечание 2 Частотный коэффициент указан для каждой серии. Измеряя действующее значение пульсации
ток для каждой частоты фактического использования и деленный на частотный коэффициент
описанный в каталоге продукции, номинальный пульсирующий ток можно преобразовать в действующее значение при
определенная частота. (Уравнение 11)
(см. множитель пульсаций тока в каталоге продукции)
Для промышленного и прочего оборудования осуществляется принудительное воздушное охлаждение вентилятором и охлаждение днища конденсатора водяным охлаждением.В таком случае необходимо произвести расчет по более точной тепловой модели конденсатора. Пожалуйста, узнайте подробности.
(3) Повышение температуры за счет пульсаций тока и расчетный срок службы
Мы экспериментально рассчитали влияние пульсаций тока и его влияние на жизнь. Он оценивается, как показано в уравнении 12. Кроме того, поскольку степень влияния пульсаций тока на срок службы зависит от типа (размера) продукта, а также от явления высыхания, этот эффект выражается коэффициентом k.
5-3 Приложенное напряжение и срок службы
Для изделий большого размера с удержанием электролита, таких как защелкивающиеся или винтовые клеммы, не только высыхание электролита, но и расход электролита из-за тока утечки, протекающего при приложении напряжения, также влияет на срок службы. Формула расчета срока службы, учитывающая этот эффект, показана в уравнении 13.
Где Min [A, B] означает меньшее значение A и B.
Уравнение 13 означает, что, когда он используется при 80% или менее номинального напряжения, срок службы конденсатора в κ раз больше, чем при приложении номинального напряжения.Поинтересуйтесь, сколько стоит κ.
Эта зависимость от напряжения применима только для защелкивающихся и винтовых клемм с номинальным напряжением 160 В и более. Он не применяется к устройствам малого размера, таким как SMD и выводные провода, или с номинальным напряжением 100 В или меньше. Это связано с тем, что эффект высыхания больше для продуктов небольшого размера, а зависимость от напряжения не наблюдается для продуктов с низким напряжением.
5-4 Формула расчета срока службы для каждого вида продукции
Принимая во внимание влияние температуры окружающей среды, пульсации тепловыделения, приложения напряжения, наши формулы расчета срока службы следующие.
‹Тип SMD / выводного провода (максимальная температура категории 105 ºC или ниже)›
①Указанная долговечность изделий при применении номинального пульсирующего тока
②Указанная долговечность изделий при номинальном постоянном напряжении
* Если применимо ниже, свяжитесь с нами.
· Случай, когда повышение температуры () превышает 20ºC из-за применения пульсирующего тока.
· Продукт, максимальная температура которого () превышает 105 ° C.
‹Тип защелки› (Не применимо к сериям HXG и THC)
① Изделие с номинальным напряжением 100 В или менее
② Изделия с номинальным напряжением 160 В и более
* Если повышение температуры () превышает 30 ° C из-за воздействия пульсаций тока, свяжитесь с нами.
* Для серий HXG и THC свяжитесь с нами.
‹Тип винтовой клеммы›
① Изделие с номинальным напряжением 100 В или менее
② Изделия с номинальным напряжением 160 В и более
* Максимальное повышение температуры () пульсациями тока указано для каждой температуры окружающей среды и составляет
используется для продукта. Пожалуйста, узнайте подробности.
Обратите внимание, что расчетный срок службы является ориентировочным, а не гарантированным значением.Поэтому выберите продукт с достаточным запасом на расчетный срок службы оборудования. Если результат расчета срока службы превышает 15 лет, верхним пределом будет 15 лет. Пожалуйста, свяжитесь с нами, если вам нужна дальнейшая жизнь.
Обновление керамических конденсаторов
Обновление керамических конденсаторов
Крейг Хиллман, доктор философии
Керамические конденсаторы – это компоненты микросхемы, которые состоят из чередующихся слоев диэлектрического материала и металлических проводников (обычно сплавов AgPd или Ni).Керамические конденсаторы в основном используются для фильтрации высокочастотных электрических сигналов из-за их чрезвычайно высоких значений удельной емкости (C / V).
Критические функциональные параметры керамических конденсаторов определяются как емкость (C), эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), сопротивление изоляции (IR) и коэффициент рассеяния (DF). Эти параметры связаны между собой следующей схемой
., где Rp – сопротивление изоляции, а Rs – ESR. Как и в случае с электролитическими конденсаторами, сопротивление изоляции и, следовательно, ток утечки в основном определяются поведением диэлектрика.Сопротивление изоляции керамических конденсаторов относительно высокое, что приводит к незначительному току утечки. СОЭ в первую очередь определяется поведением электролита. Физически импеданс (Z) – это сумма всех сопротивлений конденсатора, включая сопротивления упаковки. Электрический, Z представляет собой суммирование СОЭ и либо емкостное сопротивление (ХС), при низкой частоте, или индуктивность (LESL), при высокой частоте (см Ошибки! Источник не найден.). Коэффициент рассеяния – это отношение ESR к XC.Следовательно, низкое ESR дает низкий импеданс и низкий коэффициент рассеяния.
Функциональные параметры (указаны в паспорте)
Пример изменения функциональных параметров, которые могут быть указаны в технических паспортах производителей, указан ниже
Зависимость емкости от температуры
Хорошо известно, что диэлектрикикласса II имеют значения емкости, которые могут быть очень чувствительны к температуре (см. Рисунок 3). Поскольку Y5V является характеристикой EIA и не определяет конкретную смесь, поведение емкости в заданном диапазоне температур может сильно варьироваться, при этом оставаясь в пределах требований + 22% / -82%.Некоторые характеристики емкости, показанные на рисунках 1–3, предполагают, что конденсаторы Y5V могут упасть ниже -82%, когда температура достигнет -40 ° C.
Однако, как только к этим конденсаторам приложено какое-либо существенное смещение, фактическая емкость резко падает, а изменение емкости при изменении температуры сводится к минимуму (см. Рисунок 4).
Зависимость сопротивления изоляции от температуры
Как правило, сопротивление изоляции логарифмически уменьшается с увеличением температуры (см. Рисунок 5 и Рисунок 6).Существует несколько вариантов определения сопротивления изоляции производителями.
TDK и MuRata не указывают указанную температуру для значения сопротивления изоляции. Следовательно, значение, указанное в их технических паспортах, можно интерпретировать как то, что производитель гарантирует этот максимальный ток утечки в указанном диапазоне температур. Это также может объяснить, почему их значения сопротивления изоляции ниже, чем у Epcos, который четко указывает значение сопротивления изоляции при 20 ° C, и Taiyo Yuden, который указывает, что все испытания проводятся в «стандартных условиях испытаний».
Хотя неспособность Epcos и Taiyo Yuden обеспечить сопротивление изоляции в указанном диапазоне температур действительно представляет определенный риск, обзор результатов испытаний в литературе, по-видимому, указывает на то, что уменьшение сопротивления изоляции более чем на один порядок величины от комнатной температуры до 85 ° C маловероятно. . Это все равно обеспечит сопротивление 100 M, которого должно хватить для большинства приложений. Кроме того, спецификации EIA требуют, чтобы величина RxC превышала 1000 Ом-Фарад (часто выражается как 1000 МОм-микрофарад) при 25 ° C и 100 Ом-Фарад при 125 ° C (10% значений таблицы G-1. (см. рисунок 7)).
Зависимость СОЭ от температуры
Производители керамических конденсаторов не указывают значения ESR в своих таблицах и не указывают максимальное изменение ESR в указанном диапазоне температур. Хотя это может показаться несколько разборчивым, значения ESR керамических конденсаторов обычно очень низкие (керамические конденсаторы часто выбирают в приложениях, требующих низкого ESR).
Тем не менее, показано поведение коэффициента рассеяния, на которое напрямую влияет ESR, в зависимости от температуры.
Зависимость коэффициента рассеяния от температуры
Сложность керамической микроструктуры и результирующие множественные точки Кюри совокупных поликристаллических компонентов в любой данной рецептуре не позволяют четко предсказать поведение DF в зависимости от температуры, за исключением того факта, что DF обратно пропорционален температуре. При повышенных температурах ниже точки Кюри DF относительно стабилен. Однако при низких температурах, особенно ниже 0 ° C, коэффициент рассеяния может увеличиваться в 5 раз по сравнению со спецификациями производителя (см. Рисунок 8 и Рисунок 9).
Однако, как и в случае с емкостью, это значительное увеличение сводится к минимуму при приложении любого значительного смещения.
Функциональные параметры (не указаны в спецификации)
Все функциональные параметры указаны в техническом паспорте производителя
Электрическое перенапряжение1 (устойчивость)
Керамические конденсаторымогут испытывать отказ от электрического перенапряжения из-за приложения чрезмерного напряжения или чрезмерного тока.
Номинальное напряжение
Изготовители конденсаторов не предоставляют никаких указаний на изменение прочности на пробой в зависимости от температуры.Однако два действия производителя, как правило, ограничивают любые опасения по поводу изменения номинального напряжения. Во-первых, стандартный промышленный экран должен подавать вдвое номинальное напряжение. Во-вторых, стандартные отраслевые испытания на долговечность требуют испытаний при удвоенном номинальном напряжении и максимальной номинальной температуре в течение от 1000 до 2000 часов. Таким образом, конструкция конденсатора продемонстрировала устойчивость к пробою диэлектрика до крайних значений, указанных производителем.
Номинальный ток или мощность
Керамические конденсаторы могут нагреваться из-за приложения повышенного тока или мощности.Производители конденсаторов часто устанавливают рекомендуемые пределы тока или мощности для предотвращения повышения температуры более чем на 20 ° C или температуры, превышающей указанную максимальную температуру. Обзор существующих таблиц данных показал минимальную информацию о необходимости снижения номинальных характеристик за пределами MuRata и Syfer (см. Рисунок 10 и рисунок 11).
Поведение при износе
Характеристики износа керамических конденсаторов, ухудшение сопротивления изоляции из-за миграции вакансий, хорошо известны и отражены в стандартной модели износа
.где t – время, V – напряжение, T – температура (K), n – постоянная (1.5-7), Ea – это энергия активации (от 1,3 до 1,5), а KB – постоянная Больцмана (8,62 x 10-5 эВ / K). Износ керамических конденсаторов обычно не является проблемой, но растущая миниатюризация привела к появлению материалов и архитектур конденсаторов, которые могут изнашиваться в течение 10 лет (см. Рисунок 12). Это поведение зависит от соотношения емкость / объем (C / V).
Обеспокоенное отношение C / V примерно больше 5-10 мкФ / мм3. Это соответствует толщине диэлектрика примерно от 2 до 3 микрон.К сожалению, большинство покупателей керамических конденсаторов часто не знают о толщине компонентов, что не позволяет рассчитать C / V. Поэтому альтернативный подход состоит в том, чтобы перечислить уровни емкости, вызывающие озабоченность, для данного размера корпуса и диэлектрического материала. Один из примеров – X5R в корпусе размера 0805. Оценки надежности следует проводить при уровне емкости 10 мкФ или выше.
Конденсаторытакже известны «старением», что со временем вызывает падение емкости (см. Рисунок 13). Возраст диэлектрика Y5V составляет примерно 5-7% за десятилетие.Количественная информация об изменении скорости старения в зависимости от температуры не была получена, но считается, что она относительно не зависит от температуры, поскольку движущая сила старения уменьшается с повышением температуры.
Заключение
Основной риск при использовании керамических конденсаторов сверх номинальных температур – это потенциальная недостаточная надежность керамических конденсаторов с повышенным номиналом (высокое отношение C / V).
Рисунок
ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ
DfR означает, что были предприняты разумные усилия для обеспечения точности и надежности информации в этом отчете.Тем не менее, DfR Solutions не дает никаких явных или подразумеваемых гарантий в отношении содержания этого отчета, включая, помимо прочего, наличие каких-либо скрытых или патентных дефектов, коммерческой ценности и / или пригодности для конкретного использования. DfR не несет ответственности за потерю использования, выручку, прибыль или любые особые, случайные или косвенные убытки, возникшие в результате, связанные с информацией, представленной в этом отчете, или возникшие в результате ее использования.
Электролитические конденсаторы определяют срок службы источника питания
Здравоохранение Технологии Полуфабрикат Промышленное Продолжительность жизни Надежность Источники питания AC-DC
Срок службы производителя важен, как и конкретное приложение.
Обзор:
- Электролитические конденсаторы в источниках питания переменного и постоянного тока имеют ограниченный срок службы.
- Производители предоставляют оценку своей вероятной долговечности, чтобы помочь покупателям выбрать наиболее подходящее решение.
- Другие переменные в различных приложениях также влияют на срок службы.
- Наш технический директор Гэри Бокок резюмирует расчеты производителя и рекомендует дополнительную проверку в процессе эксплуатации.
Электролитические конденсаторы являются важным компонентом источников питания переменного и постоянного тока. Они обеспечивают высокую емкость x напряжение (CV) и низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) в корпусах небольшого объема. Нет альтернативы, которая могла бы сделать работу рентабельно .
Определить срок службы блока питания
Срок службы этих электролитических конденсаторов становится все более важным параметром при проектировании источников питания. Требования к удельной мощности растут, и электролитические конденсаторы являются единственным изнашивающимся компонентом источника питания.Итак, тип используемого в конструкции электролитического конденсатора определяет срок службы блока питания. Он также определяет срок службы или интервал обслуживания конечного применения в обслуживаемом оборудовании.
Топология и применяемый пульсирующий ток, проектная схема, расчетный срок службы конденсатора, номинальная температура конденсатора и эффект местного нагрева варьируются от одного продукта к другому. Они также могут изменяться в условиях низкого и высокого уровня входного сигнала.
Эффекты внешнего нагрева могут перевесить эффекты внутреннего нагрева, особенно в современных компактных конструкциях.Фактический срок службы также зависит от повышения температуры, которое может произойти при установке источника питания в приложении. Профиль миссии конечного оборудования – еще один фактор, определяющий среднюю рабочую температуру в течение срока службы оборудования и количество часов использования в день.
Разработчики электролитических конденсаторов учитывают все эти факторы при определении срока службы своей продукции. Давайте посмотрим, с какими расчетами они работают.
Расчетный срок службы при номинальной температуре
Производители электролитических конденсаторов указывают расчетный срок службы при максимальной номинальной температуре окружающей среды, обычно 105 ° C.Этот расчетный срок службы может варьироваться от 1000 часов до 10000 часов и более. Чем больше расчетный срок службы, тем дольше прослужит компонент при данном применении и температуре окружающей среды.
Производители предоставляют расчеты для определения срока службы приложения. Они основаны на уравнении Аррениуса для температурной зависимости скорости реакции. Это определяет, что скорость реакции удваивается на каждые 10 ° C повышения температуры. Это означает, что срок службы удваивается на каждые 10 ° C снижения температуры, поэтому конденсатор, рассчитанный на 5000 часов при 105 ° C, будет иметь срок службы 10 000 часов при 95 ° C и 20 000 часов при 85 ° C.
Основное уравнение приведено ниже. Кривая отображает зависимость срока службы от температуры окружающей среды.
Прикладываемый пульсирующий ток и рабочая частота
Помимо температуры окружающей среды и эффектов местного нагрева, приложенные пульсирующие токи дополнительно нагревают сердечник конденсатора. Процессы переключения и выпрямления на входном и выходном каскадах источника питания генерируют токи пульсации. Это вызывает рассеяние мощности внутри электролитического конденсатора.
Величина и частота этих пульсирующих токов зависят от топологии, разработанной для активной коррекции коэффициента мощности (PFC), где она используется. Они также зависят от силового каскада главного преобразователя, оба они варьируются от конструкции к конструкции. Мощность, рассеиваемая внутри конденсатора, определяется среднеквадратичным значением пульсационного тока и ESR конденсатора на приложенной частоте.
Повышение температуры сердцевины компонента связано с рассеиваемой мощностью, коэффициентом излучения корпуса компонентов и коэффициентом разницы температур или крутизной от сердцевины к корпусу.Эти значения определяются производителем компонентов.
Максимальный ток пульсаций, который может быть приложен к конденсатору, обычно указывается при максимальной температуре окружающей среды и 100/120 Гц. Могут применяться коэффициенты умножения в зависимости от температуры окружающей среды при фактическом использовании и частоты применяемого пульсирующего тока: ESR уменьшается с увеличением частоты.
Преимущества систем охлаждения
Источники питания закрытого типа с собственными охлаждающими вентиляторами менее восприимчивы к среде конечных приложений при правильном развертывании.Температура окружающей среды должна оставаться в пределах спецификации, и должен быть достаточный зазор для охлаждения.
В приведенной ниже таблице указан расчетный срок службы конденсаторов с расчетным сроком службы 2 000 и 5 000 часов при различных температурах. Он предполагает работу в режиме 24/7 при переводе часов работы в годы эксплуатации. Оборудование с менее интенсивным профилем миссии – например, восемь-десять часов в день, пять дней в неделю – будет иметь значительно более длительный срок службы.
Другие переменные могут влиять на долговечность силовых приложений
Производители блоков питания применяют правила снижения номинальных характеристик, чтобы обеспечить достаточный срок службы изделия.
Но эти правила не учитывают профиль миссии, окружающую среду, ориентацию установки, расположение, окружающее пространство, приложенную нагрузку и устройства для охлаждения или вентиляции системы после того, как источник питания установлен в конечном оборудовании.
Срок службы конденсатора, особенно в среде с конвекцией или естественным охлаждением, следует дополнительно оценить в зависимости от конкретной установки.Измерять применяемые пульсирующие токи непрактично, но измерение эффективной рабочей температуры даст точные показания срока службы. Операторы могут измерить температуру корпуса и применить уравнение Аррениуса и профиль миссии к базовому сроку службы, указанному производителем компонента.
На механическом чертеже ниже обозначены компоненты, а кривые показывают ожидаемый срок службы источника питания в зависимости от температуры двух конденсаторов (C6 и C23).
Во многих технических паспортах источников питания, таких как серии XP Power GCS, указаны ключевые компоненты, определяющие срок службы продукта. Сюда входят те, которым требуется оконечное оборудование для обеспечения внешнего охлаждения, и те, которые предназначены для систем с конвекционным охлаждением. Эта информация, наряду с данными об операционной среде приложения, помогает разработчикам системы более точно определять срок службы источника питания в конечном приложении.
РЕЗЮМЕ: для точного прогнозирования срока службы источника питания важно оценить его в вашем конкретном приложении, используя точки измерения и данные, предоставленные производителем, и применяя профиль миссии для конечного оборудования на основе средней температуры и использования в день .
Основное руководство по источникам питания – , независимо от того, разрабатываете ли вы источник питания AC-DC или преобразователь DC-DC.
