Содержание
Сравнение пленочных конденсаторов с электролитическими
В статье рассматриваются особенности конструкции и основные характеристики пленочных конденсаторов. Приводятся области использования пленочных и электролитических конденсаторов. Показано, что алюминиевые электролитические конденсаторы предпочтительно использовать в схемах, где требуется запасать энергию, а пленочные конденсаторы успешнее справляются с задачами в сильноточных и высоковольтных цепях.
Конденсаторы в схемах силовой электроники, как правило, выполняют две функции. Первая из них состоит в сглаживании пульсаций напряжения, а вторая – в фильтрации помех для обеспечения электромагнитной совместимости. Причем, в последнем случае задача разделяется на две подзадачи. Для решения одной из них конденсаторы используются в сетевых помехоподавляющих фильтрах, а для решения другой от конденсаторов требуется «умение» подавлять помехи и всплески напряжения длительностью от десятков наносекунд до нескольких микросекунд, вызванные процессами коммутации силовых ключей.
В настоящей статье акцент сделан на конденсаторах, используемых для сглаживания напряжения. Мы рассмотрим, в основном, пленочные конденсаторы, сравним их с алюминиевыми электролитическими конденсаторами и постараемся определить границы применения каждого типа.
Бесспорным преимуществом алюминиевых электролитических конденсаторов является высокая удельная емкость на единицу объема – по этому показателю они превосходят конденсаторы всех других типов. К сожалению, у электролитических конденсаторов немало и недостатков: срок их службы заметно зависит от температуры, у них большое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), что приводит к саморазогреву от токов пульсаций. Кроме того, у них плохие частотные свойства. Перечисленные недостатки электролитических конденсаторов можно в какой-то степени компенсировать за счет корректного их выбора для конкретных приложений, но полностью от них избавиться не удается, что и дает шанс пленочным конденсаторам.
Пленочные конденсаторы имеют меньшую плотность емкость, чем электролитические, но у них заметно меньше ESR при том же значении произведения CV (C – емкость конденсатора, V – номинальное напряжение конденсатора, указанное изготовителем), что позволяет увеличить допустимый ток пульсаций. Пленочные конденсаторы более терпимы к всплескам перенапряжения.
Конденсаторы этого типа в течение ограниченного интервала времени выдерживают перегрузку по напряжению до 100%, в то время как для алюминиевых электролитических конденсаторов перенапряжение, как правило, не должно превышать 20%. В промышленном оборудовании перенапряжение – не редкость: оно может возникать при разрядах молнии и коммутации мощных токоприемников.
Если накопление энергии не является главной задачей, то пленочные конденсаторы выигрывают у электролитических. Например, на низковольтной шине постоянного тока требуется устанавливать конденсаторы, способные пропускать ток пульсаций величиной в сотни, а иногда и тысячи ампер. В этом случае низкое значение ESR является ключевым параметром.
Кроме того, пленочные конденсаторы хорошо подходят для применения в высоковольтном оборудовании. Их максимально допустимое напряжение достигает нескольких тысяч вольт, тогда как для электролитических конденсаторов этот показатель ограничен в пределах 500–550 В. С помощью последовательного соединения конденсаторов можно увеличить указанный диапазон, но при этом уменьшится эквивалентная емкость соединения, да и выравнивание напряжения на последовательно соединенных конденсаторах едва ли можно назвать легкой задачей.
Ну и, конечно, еще одним несомненным преимуществом пленочных конденсаторов над электролитическими является их неполярность, т. е. они могут работать в цепи переменного тока. В таблице приведены основные параметры различных типов пленочных конденсаторов.
| Параметр | Полиэфирные (PET) | Полипропиленнафталатовые (PEN) | Полипропиленсульфидные | Полипропиленовые (PP) | |
| Относительная диэлектрическая проницаемость при частоте 1 кГц | 3,3 | 3 | 3 | 2,2 | |
| Толщина пленки (мин.), мкм | 0,7–0,9 | 0,9–1,4 | 1,2 | 1,9–3,0 | |
| Влагопоглощение, % | низкое | 0,4 | 0,05 | менее 0,1 | |
| Напряженность поля пробоя, В/мкм | 580 | 500 | 230 | 400 | |
| Рабочие напряжения постоянного тока (ном. |
50–1000 | 16–250 | 16–100 | 40–2000 | |
| Емкость | 100 пФ…22 мкФ | 100 пФ…1 мкФ | 100 пФ…0,47 мкФ | 100 пФ…10 мкФ | |
| Диапазон рабочей температуры, °С | –55…125/150 | –55…150 | –55…150 | –55…150 | |
| Изменение емкости в диапазоне рабочей температуры, % | ±5 | ±5 | ±1,5 | ±2,5 | |
| Фактор рассеивания мощности (коэффициент потерь) (10–6) | 1 кГц | 50–200 | 42–80 | 2–15 | 0,5–5 |
| 10 кГц | 110–150 | 54–150 | 2,5–25 | 2–8 | |
| 100 кГц | 170–300 | 120–300 | 12–60 | 2–25 | |
| 1 МГц | 200–350 | – | 18–70 | 4–40 | |
| Постоянная времени RC, с | 25°С | более 10 тыс. | более 10 тыс. |
более 10 тыс. | более 100 тыс. |
| 85°С | – | – | – | – | |
| Остаточная поляризация (диэлектрическая абсорбция) | 0,2–0,5 | 1–1,2 | 0,05–1 | 0,01–0,1 | |
| Способность к самовосстановлению | средняя | средняя–низкая | низкая | высокая | |
Не менее важным для конденсаторов, работающих в силовых цепях, является фактор рассеивания мощности DF (коэффициент потерь). Чем меньше этот коэффициент, тем меньше потери мощности, и соответственно, меньше нагрев. Напомним формулу (1) для вычисления DF:
DF = ESR/XC = tgσ, (1)
где XC – емкостное сопротивление конденсатора равное 1/(2πfC).
На рисунке 1 показана зависимость коэффициента рассеяния DF от температуры и частоты. Как видно из рисунка, эта зависимость невелика. Заметим, что коэффициент рассеяния DF у пленочных конденсаторов существенно ниже, чем у электролитических.
Рис. 1. Зависимость коэффициента рассеяния DF от температуры и частоты
На рисунке 2 схематично показано устройство пленочного конденсатора. При их производстве применяются две технологии. В первой из них используется металлизированная фольга, а во второй – напыление металлов. В первой технологии металлическую фольгу толщиной 5 мкм, играющую роль обкладки конденсаторов, помещают между слоями диэлектриков. Вторая технология предполагает напыление алюминия, цинка или сплавов цинка, разогретых примерно до 1200°C, на полипропиленовую пленку толщиной 20–50 нм.
Рис. 2. Устройство пленочного конденсатора
При использовании металлической фольги обеспечиваются высокие значения допустимых токов, но в таких конденсаторах отсутствует или крайне слабо проявляется эффект самовосстановления. У конденсаторов, изготовленных путем напыления металлов, имеется способность самовосстанавливаться после некоторых аварийных ситуаций, что повышает надежность системы в целом. При пробое такого конденсатора возникает электрическая дуга, причем температура в месте пробоя может достигать 6000°C. В этом случае металл испаряется в течение примерно 10 мкс, благодаря чему исчезает проводящий тракт и восстанавливается диэлектрическая прочность поврежденного участка. После процесса самовосстановления может немного уменьшиться емкость конденсатора.
Иногда область металлизации разбивается на множество участков (вплоть до нескольких миллионов), которые соединяются между собой узкими проводниками, играющими роль предохранителей. В этом случае несколько уменьшается максимально допустимый ток, но увеличивается запас прочности, позволяющий повысить допустимое напряжение. Иногда совмещают обе технологии изготовления для получения компромиссных характеристик между максимальным пиковым током и способностью к самовосстановлению.
Рис. 3. Типичная топология системы питания
Приведем несколько примеров использования конденсаторов. На рисунке 3 показана типичная топология системы питания. Рассмотрим случай, когда конденсатор С1 используется для накопления энергии. Допустим, мощность DC/DC-преобразователя составляет P = 1 кВт, а его КПД = 0,9. При этом требуется, чтобы при пропадании входного напряжения в течение t = 20 мс (один период питающего напряжения) величина напряжения на конденсаторе не стала бы менее 300 В. В таком случае емкость конденсатора С1 можно определить из выражения (2):
P ∙ t/КПД = С ∙ (VN2 – VD2)/2, (2)
где VN = 400 В – начальное напряжение конденсатора С1; VD = 300 В – конечное напряжение конденсатора в момент времени t = 20 мс.
Подставляя принятые в примере значения, получим С = 654 мкФ. При этом номинальное напряжение конденсатора должно составить 450 В. В ассортименте известных производителей, выпускающих оба типа конденсаторов, например компании TDK, имеется электролитический конденсатор B43508, который вполне удовлетворяет предъявленным требованиям: его емкость составляет 680 мкФ, и он рассчитан на напряжение 450 В.
Эта же компания производит пленочные конденсаторы серии B32678. Их максимальная емкость с нормированным напряжением составляет 180 мкФ. Таким образом, если мы выберем этот конденсатор, нам потребуется соединить четыре компонента параллельно. Разумеется, это решение не является удовлетворительным – оно не экономично и его габариты велики. Следовательно, в данном случае счет 1:0 в пользу электролитических конденсаторов.
Рассмотрим еще один пример системы питания, но большей мощности. В тяговых системах также используется шина питания 400 В, но конденсатор С1 в таком случае предназначен только для сглаживания пульсаций. Допустим, требуется, чтобы пульсации не превышали 4 В при среднеквадратичном значении токе пульсации 80 А и частоте пульсаций f = 20 кГц. Тогда емкость конденсаторов вычисляется из (3):
С = IСКЗ/(2πfVП) = 160 мкФ. (3)
Максимально допустимый ток пульсаций электролитического конденсатора равен примерно 3,5 А (используем известное эмпирическое правило для электролитических конденсаторов: 20 мА/мкФ). Таким образом, потребуется примерно 23 электролитических конденсатора, включенных параллельно. В то же время с этой же задачей способен справиться один-единственный пленочный конденсатор серии B32678. В данном случае бесспорное преимущество уже не на стороне электролитического компонента, и счет становится 1:1. Следует добавить, что из-за меньшего ESR и коэффициента потерь DF полипропиленового конденсатора уменьшится и рассеяние тепла.
Мы привели этот простой пример с единственной целью – показать, что нельзя однозначно вынести суждение о том, какой из рассмотренных конденсаторов лучше или хуже: каждый из них хорош в разных условиях. Для подтверждения этой «умной мысли» бросим на чашу весов еще экономические соображения.
В [1] приводятся следующие данные по конденсаторам, рассмотренным в примере выше. Удельная стоимость энергоемкости алюминиевого электролитического конденсатора составляет 0,47 долл./Дж, а у пленочного конденсатора этот показатель заметно больше и достигает 3 долл. /Дж. Однако если обратиться к удельным показателям на единицу пульсирующего тока, то ситуация изменится на противоположную: удельная стоимость электролитических конденсаторов составит 2,68 долл./А, а пленочных – 0,42 долл./А.
Приведем пример использования пленочных конденсаторов, в котором проявляется их другая сильная сторона – неполярность. На рисунке 4 показано типовое использование этих компонентов в цепи переменного тока на выходе инвертора. Неполярные конденсаторы других типов проигрывают пленочным в данном случае практически по всем параметрам.
Рис. 4. Использование пленочных конденсаторов в цепи переменного тока на выходе инвертора
Литература
- Rudy Ramos. Film capacitors: Characteristics and uses in power applications
Электролитический конденсатор: история, производство, конструкция
Содержание
- 1 История происхождения электролитических конденсаторов
- 2 Производство электролитических конденсаторов
- 3 Конструкция электролитического конденсатора
Электролитический конденсатор – это конденсатор, где диэлектриком служит слой оксида металла на аноде, а катодом – электролит. В результате достигается чрезвычайно большая ёмкость при сравнительно высоком рабочем напряжении, обуславливая популярность подобных изделий.
История происхождения электролитических конденсаторов
Эффект электрохимического оксидирования ряда металлов открыт французским учёным Eugène Adrien Ducretet в 1875 году на примере тантала, ниобия, цинка, марганца, титана, кадмия, сурьмы, висмута, алюминия и прочих материалов. Суть открытия: при включении в качестве анода (положительный полюс источника питания) на поверхности нарастал слой оксида, обладающий вентильными свойствами. Фактически образуется подобие диода Шоттки, в избранных работах оксиду алюминия приписывается проводимость n-типа.
Получается, место контакта обладает выпрямляющими свойствами. Теперь легко предположить дальнейшее, если вспомнить о качествах барьера Шоттки. Это низкое падение напряжения при включении в прямом направлении. Применительно к конденсаторам низкое – означает впечатляющую величину. Что касается обратного включения электролитических конденсаторов, люди наслышаны про опасность подобных экспериментов. Барьер Шоттки развивает повышенные токи утечки, за счёт которых слой оксида начинает немедленно деградировать. Немалая роль отведена туннельному пробою. Протекающая химическая реакция сопровождается выделением газов, обеспечивающих негативный эффект. Теоретики говорят, что указанное явление ведёт к выделению тепла.
Конденсаторы разного типа
Годом изобретения электролитического конденсатора называют 1896, когда 14 января Карол Поллак подал заявку в патентное бюро Франкфурта. Итак, на аноде электролитического конденсатора наращивается слой оксида под действием положительного потенциала. Процесс называется формовкой, в условиях современного развития техники длится часами и сутками. По указанной причине в процессе работы рост или деградация оксидного слоя незаметны. Электролитические конденсаторы применяются в электрических цепях с частотой до 30 кГц, что означает время смены направления тока в десятки мкс. За этот промежуток ничего не произойдёт с оксидной плёнкой.
Вначале в российской практике промышленный выпуск электролитических конденсаторов не считался экономически выгодным. В научных журналах даже рассматривалось, как наладить производство. К подобным заметкам относится статья Миткевича (Журнал Русского физико-химического общества, физика №34 за 1902 год). Рассматриваемый электролитический конденсатор состоял из плоского алюминиевого анода и двух железных катодов, расположенных по бокам. Конструкция помещалась в 6-8% раствор пищевой соды. Формовка велась постоянным напряжением (см. ниже по тексту) 100 В до остаточного тока 100 мА.
Первые серьёзные наработки отечественной принадлежности по конденсаторам с жидким электролитом относятся к 1931 году и созданы лабораторией П. А. Остроумова.
Способность вентильных металлов с оксидной плёнкой выпрямлять ток неодинакова. Наиболее ярко качества выражены у тантала. Возможно, по причине пентаоксида тантала, характеризующегося проводимостью p-типа. В результате смена полярности приводит к образованию диода Шоттки, включённого в прямом направлении. Благодаря специфическому подбору электролита деградирующий рабочий слой диэлектрика удаётся восстанавливать прямо в процессе работы. На этом исторический экскурс завершён.
Производство электролитических конденсаторов
Металлы, оксиды которых характеризуются выпрямляющими свойствами, называли вентильными по аналогии с полупроводниковыми диодами. Несложно догадаться, что окисление приводит к образованию материала с проводимостью n-типа. Это считается основным условием существования вентильного металла. Из перечисленных выше ярко выраженными позитивными свойствами обладают лишь два:
- Алюминий.
- Тантал.
Алюминиевые конденсаторы
Первый применяется намного чаще, благодаря относительной дешевизне и распространённости в Земной коре. Тантал используют в крайних случаях. Наращивание оксидной плёнки происходит двумя путями:
- Первой методикой становится поддержание постоянного тока. В процессе роста толщины окисла сопротивление растёт. Следовательно, в цепь последовательно с конденсатором на время формовки включается реостат. Процесс контролируется по падению напряжения на переходе Шоттки, при необходимости шунт подстраивается так, чтобы параметры оставались постоянными.
Скорость формовки на начальном этапе постоянна, потом происходит точка перегиба со снижением параметра, через определённый интервал дальнейший рост оксидной плёнки идёт столь медленно, что технологический цикл считается завершённым. При первом перегибе анод часто начинает искрить. Соответственно, и присутствующее напряжение называется аналогично. На второй точке искрение резко усиливается, дальнейший процесс формовки нецелесообразен. А второй перегиб называют максимальным напряжением.
- Вторая методика формовки оксидного слоя сводится к поддержанию на аноде постоянного напряжения. В этом случае ток убывает по экспоненте. Напряжение выбирают ниже напряжения искрения. Процесс идёт до остаточного прямого тока, ниже которого уровень уже не опускается. Потом формовка оканчивается.
Большую роль в процессе формовки играет правильный подбор электролита. В промышленности это сводится к изучению взаимодействия агрессивных сред с алюминием:
- Представители первой группы электролитов, сюда относится борная, лимонная кислота и бура, почти не растворяют алюминий и оксид.
Массово используются при производстве электролитических конденсаторов. Длительная формовка приводит к падению напряжения до 1500 В, определяющего толщину слоя диэлектрика.
Высоковольтные электролитические конденсаторы
- Хромовая, серная, янтарная и щавелевая кислоты хорошо растворяют оксид алюминия, но не затрагивают металл. Отличительной особенностью формовки становится сравнительно толстый слой диэлектрика. Причём при дальнейшем наращивании не происходит значительного снижения тока или повышения напряжения. Такой процесс применяется для формирования электрических конденсаторов с относительно низкими рабочими характеристиками (до 60 В). К окиси алюминия в пористых структурах примешиваются гидраты и соли используемой кислоты. Указанные процессы способны использоваться в защитных целях. Тогда формовка идёт по предыдущей схеме (первая группа), а довершается по описанной. Защитный слой гидроксидов предохраняет окисел от разрушения в процессе эксплуатации.
- Третья группа электролитов включает преимущественно соляную кислоту.
Эти вещества в процессе формовки не применяются, хорошо растворяют алюминий и его соли. Зато охотно используются для очистки поверхностей.
Для тантала и ниобия все электролиты подпадают под классификацию первой группы. Величина ёмкости конденсатора определяется преимущественно напряжением, при котором окончена формовка. Аналогичным образом используют многоатомные спирты, глицерин и этиленгликоль, соли. Не все процессы идут по схеме, описанной выше. К примеру, при формовке алюминия в растворе серной кислоты по методу постоянного тока на графике выделяют участки:
- Несколько секунд наблюдается быстрый рост напряжения.
- Потом с прежней скоростью наблюдается спад до уровня порядка 70% от достигнутого пика.
- За третью стадию нарастает толстый пористый слой оксида, напряжение растёт крайне медленно.
- На четвёртом участке напряжение резко растёт до наступления искрового пробоя. Формовка заканчивается.
Немало зависит от технологии. На толщину слоя, а следовательно, рабочее напряжение и долговечность конденсатора, влияют концентрация электролита, температура, прочие параметры.
Маркировка на конденсаторе
Конструкция электролитического конденсатора
Обкладки обычно не плоские. Для электролитических конденсаторов чаще свёрнуты в трубочку, спиралью. На срезе напоминает катушку Тесла с вытекающими отсюда последствиями. Это значит, что конденсатор обладает значительным индуктивным сопротивлением, которое в данном контексте считается паразитным. Между обкладками помещается пропитанная электролитом бумага или ткань. Корпус изготавливается из алюминия – металл легко покрывается защитным слоем, не затрагивается электролитом и хорошо отводит тепло (помните про активную составляющую сопротивления анода).
Это конденсаторы с сухим электролитом. Их ключевое преимущество в достойном использовании объёма. Лишний электролит отсутствует, что снижает вес и габариты при прежней электрической ёмкости. Несмотря на характерное название электролит здесь не сухой, скорее, вязкий. Им пропитываются прокладки из ткани или бумаги, расположенные между обкладками. В силу вязкость электролита корпус допускается пластмассовый либо бумажный, для герметизации используется уплотнение из смолы. В результате упрощается технологический цикл изготовления продукции. Исторически разновидности с сухим электролитом появились позже. В отечественной практике первые упоминания приходятся на 1934 год.
На торце зарубежных электролитических конденсаторов нанесены крестом насечки, через которые внутренний объем выдавливается наружу. Это на случай аварии. Подобный испорченный конденсатор легко заметить невооружённым глазом и вовремя заменить, что ускоряет починку. Избежать аварии и неправильной полярности включения помогает маркировка корпуса. У катода на импортных проведена по всей высоте белая полоса с расставленными минусами, а у отечественных с противоположной – крестики (плюсы).
Для увеличения излучательной способности цвет корпуса выполняется темным. Исключения из правила редки. Подобная мера увеличивает теплоотдачу в окружающую среду. При превышении напряжения на рабочим (формовочным) происходит резкое увеличение тока за счёт ионизации, развивается сильное искрение на аноде, частично пробивается слой диэлектрика. Последствия таких явлений легко устраняются в конструкции и с корпусом, используемым в качестве катода: конденсаторы с жидким электролитом занимают сравнительно много места, но хорошо отводят тепло. Зато отлично проявляются при работе на низких частотах. Что обусловливает специфику применения в качестве фильтров блоков питания (50 Гц).
Эти цилиндрические электролитические конденсаторы устроены не так, как показано выше, без бумажных вкладок. В отдельных моделях корпус играет роль катода, анод находится внутри, бывает произвольной формы так, чтобы обеспечивалась максимальная номинальная ёмкость. За счёт механической обработки и химического травления, призванных увеличить площадь поверхности электрода, параметры удаётся поднять на порядок. Конструкция типична для моделей с жидким электролитом. Ёмкость у рассматриваемой конструкции варьируется при выпуске промышленностью от 5 до 20 мкФ при рабочем напряжении 200 – 550 В. Из-за повышения сопротивления электролита с понижением температуры конденсаторы с жидким электролитом и корпусом в качестве катода применяются преимущественно в теплом микроклимате.
Электролитические конденсаторы в источниках питания, SL Power Electronics
Электролитические конденсаторы в источниках питания
Электролитические конденсаторы играют важную роль в конструкции импульсных источников питания. Их можно найти в повышающем каскаде коррекции коэффициента мощности или как часть схемы широкого диапазона входного напряжения для накопления энергии. Электролитические конденсаторы также являются обычными компонентами для фильтрации на выходе источника питания для снижения напряжения пульсаций и стабильности. В спецификации источника питания часто указывается срок службы этих электролитических конденсаторов как показатель качества. В этой статье мы обсудим хорошо известные эффекты электролитических конденсаторов и их важность для конструкции источника питания.
Электролитический конденсатор — это тип конденсатора, в конструкции которого используется электролит. Электролит представляет собой жидкость с высокой концентрацией ионов, обеспечивающую гораздо более высокую емкость по сравнению с конденсаторами других технологий. Существуют подкатегории с жидкими или твердыми электролитами, но в большинстве случаев первые являются первым выбором для экономичного, но небольшого решения. Основные материалы, используемые в конденсаторах этого типа, представляют собой комбинацию алюминиевой фольги, оксида алюминия и электролита. Танталовые конденсаторы могут обеспечить лучшую производительность, но и дороже. Керамические конденсаторы обеспечивают отличные характеристики на высоких частотах, но требуют большей площади поверхности печатной платы, что снижает удельную мощность источника питания. Основным преимуществом электролитического конденсатора является высокая плотность емкости. Типичная емкость варьируется от 1 мкФ до 100 000 мкФ. Широкая доступность различных форм-факторов позволяет разработчикам выбрать наиболее подходящий электролитический конденсатор по ширине и высоте.
Еще одним преимуществом электролитических конденсаторов является зависимость импеданса от частоты в сложных конструкциях, где электромагнитные помехи близки к предельным значениям. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) электролитических конденсаторов не самое низкое, но по сравнению с другими типами конденсаторов оно остается на относительно одном уровне с увеличением частоты. Это связано с увеличением удельного сопротивления электролита и, следовательно, с компенсацией емкостного сопротивления на более высоких рабочих частотах. На рынке доступны конденсаторы с очень низким ESR. Электролитические конденсаторы также не подвержены эффекту снижения номинальных значений напряжения, характерному для керамических конденсаторов. Типичное значение емкости электролитических конденсаторов, однако, не является точным, обычно допускается отклонение в 20% от заявленных данных в техническом описании из-за производственного процесса.
Мировой рынок требует, чтобы каждая новая конструкция блока питания была более эффективной, компактной, но при этом оставалась доступной. В то время как производители активных компонентов находят новые технологии и способы повышения производительности, эволюция пассивных элементов идет очень медленно. Перед разработчиком импульсного источника питания остается творческий подход не только к тому, как лучше управлять цепью передачи энергии, но и к тому, как достичь максимальной плотности мощности без нагрузки на компоненты. Когда дело доходит до электролитического конденсатора, он устанавливает границы благодаря внутренним физическим характеристикам и чувствительности жидкостей к теплу.
Срок службы электролитического конденсатора ограничен его конструкцией. Основным ограничением является жидкий электролит, который со временем испаряется через торцевое уплотнение. Более высокая температура ускоряет этот физический процесс. Поэтому очевидно, что срок службы блока питания в первую очередь определяется электролитическими конденсаторами среди всех других компонентов на печатной плате.
Температура электролитического конденсатора зависит от двух факторов: во-первых, это температура окружающей среды вблизи конденсатора. Во-вторых, пульсирующий переменный ток через конденсатор, вызывающий дополнительный внутренний нагрев. Разработчики используют оба этих фактора для оценки срока службы на основе информации из спецификаций производителей конденсаторов, которая примерно соответствует предполагаемому сроку службы. Производители электролитических конденсаторов указывают ожидаемый срок службы детали при номинальном напряжении и пульсирующем токе при максимальной рабочей температуре. Превышение этих значений сокращает срок службы или даже может привести к повреждению компонента. Работа при более низкой температуре позволяет увеличить общий срок службы. Допустимая пульсация переменного тока конденсатора указана в технических характеристиках или в дополнительных примечаниях по применению от производителей и оказывает аналогичное влияние на срок службы устройства. Эта комбинация обоих прогнозирует расчетный срок службы конденсатора в наихудшем случае и косвенно ожидаемый безопасный срок службы самого источника питания.
В целом гарантированное время работы при использовании выбранного конденсатора в целевом приложении может быть точно оценено на основе моделирования и проверочных испытаний.
Однако существует также косвенное влияние на температуру конденсатора, которое зависит от окружающей среды или способа монтажа конденсатора на печатной плате. Выводы конденсатора могут действовать как теплоотвод, но также и как поглотитель тепла, другими словами, могут способствовать кондуктивной тепловой связи. Если сам конденсатор является основным источником тепла, а окружающие компоненты более холодные, выводы будут передавать тепло от сердечника конденсатора на печатную плату и, таким образом, рассеивать тепло наружу. С другой стороны, если рядом с ним есть другой компонент, такой как трансформатор, полевой транзистор или другая горячая точка, тепло будет передаваться через выводы непосредственно в конденсатор. В большинстве случаев этот эффект оказывает незначительное влияние на общее повышение температуры, но его следует учитывать. Помимо кондуктивной теплопередачи, вблизи конденсатора обычно наблюдаются излучаемые тепловые излучения. Этот эффект особенно заметен вблизи трансформаторов, где, например, два или более конденсатора с одинаковым значением и электрическими соединениями, расположенными близко друг к другу на печатной плате, ведут себя по-разному. Конденсатор, установленный рядом с горячей точкой, будет поглощать больше излучаемого тепла и будет иметь более высокую температуру поверхности. Этот конденсатор необходимо оценить поближе, чтобы избежать проблем позже.
Конденсатор, отработавший свой срок службы, может считаться неработоспособным, поскольку выходное напряжение пульсаций больше не гарантируется или для промежуточных накопительных конденсаторов PFC время удержания ниже заданных номиналов.
Глубокий сравнительный анализ блока питания в нормальных и/или неблагоприятных условиях исследует слабые стороны блока для каждого сценария и позволяет учитывать эти результаты в проектах на этапе интеграции. Предполагая, что конденсаторы являются ограничивающим фактором с высокой чувствительностью к температуре, сборка частей системы должна быть тщательно проверена, чтобы избежать ненужных дополнительных нагрузок.
Общепринятой практикой для групп разработчиков приложений является совместная работа с конечным потребителем над тепловой концепцией, чтобы избежать ненужных тепловых ловушек рядом с компонентами, ограничивающими срок службы, такими как электролитические конденсаторы, в окончательной конструкции системы.
Александр Мезин
Старший инженер по эксплуатации – EMEA
Электролитические конденсаторы в источниках питания
Поделиться публикацией
Применение конденсаторов — United Chemi-Con
перейти к содержанию
Применение конденсаторов
Алюминиевые электролитические конденсаторы
используются практически во всех типах схем. Однако они обычно используются в качестве фильтрующих устройств в источниках питания.
Уменьшение высокочастотного импеданса
Улучшенные характеристики конденсаторов расширили использование электролитических конденсаторов от цепей фильтров линейных источников питания до других электронных устройств, особенно импульсных источников питания, где характеристики импеданса на более высоких частотах переключения очень важны. Поэтому производители конденсаторов разработали новые инженерные методы для снижения импеданса на высоких частотах (см. рис. 18). Типичные инженерные методы:
(1) Снижение ESR
(a) Разделительная бумага, электролит и оксидный слой
(b) Конструкция (например, количество выступов)
(c) Обжатие катодной фольги
(2) Снижение ESL
(a
Конденсатор для импульсных источников питания
Популярность импульсных источников питания возросла по сравнению с линейными источниками питания. расходные материалы, потому что они легче, меньше и эффективнее. Срок службы источника питания стал зависеть от качества конструкции алюминиевого электролитического конденсатора из-за уменьшенного размера источника питания и повышенной рабочей температуры. Поэтому для импульсных источников питания требуются конденсаторы с особыми характеристиками.
Рис. 19. Типовая схема импульсного источника питания
Конденсаторы для сглаживания входного сигнала
Конденсаторы, используемые на промышленных частотах сети, потребляют такое же количество энергии, как и последовательные регуляторы, поэтому емкость можно уменьшить, увеличив входное напряжение. . Однако в этом случае ток пульсаций увеличивается пропорционально импедансу конденсатора, а ESR, вносящий вклад в тепловыделение пульсаций, представляется уравнением:
Увеличение тепловыделения обратно пропорционально емкости. Следовательно, конденсаторы, используемые для сглаживания входных импульсов импульсных источников питания, должны выдерживать высокие пульсирующие токи.
Цепи импульсного источника питания экранированы для предотвращения образования шума, а компоненты установлены очень близко друг к другу для уменьшения габаритных размеров, что приводит к повышению рабочей температуры. Таким образом, диапазон температур, выбранный для компонентов, должен быть достаточно высоким, чтобы выдержать такое повышение температуры. Для алюминиевых электролитических конденсаторов это еще более важно из-за дополнительного внутреннего тепла, выделяемого самим конденсатором. Входные сглаживающие конденсаторы, рассчитанные на работу в этих условиях, имеют низкое ESR. Это снижает мощность и, следовательно, внутреннее тепло, выделяемое внутри конденсатора. Диапазон рабочих температур был расширен с 85°C до 105°C за счет улучшения материалов, используемых в конструкции этих конденсаторов. Примеры этих конденсаторов приведены в таблице 4.
Таблица 4. Входные конденсаторы
| Серия | Рабочая Температура Диапазон (°C) |
Напряжение (В) |
Емкость (мкФ) |
Замечания |
|---|---|---|---|---|
| СМХ-ВН | -25~+85 | 160~450 | 56~2700 | Защелкивающееся крепление |
| КМХ-ВН | -25~+105 | 160~450 | 56~2200 | Защелкивающееся крепление, 9 шт. Высокая температура |
| РВЕ-ЛГ | -25~+85 | 350~550 | 100~12 000 | Большая банка, Высокая емкость |
| РВФ-ЛГ | -25~+85 | 350~450 | 2700~15000 | Большая банка, Высокая пульсация |
| КМХ-ЛГ | -25~+105 | 160~450 | 180~27 000 | Большая банка, Высокая температура |
| ЛС-ЛГ | -25~+105 | 160~450 | 220~12 000 | Большая банка, Долгий срок службы, Высокая пульсация, Высокотемпературный |
Ток пульсаций на частоте коммутации будет протекать и через входные конденсаторы, если между цепями сглаживания и коммутации не будет специальной схемы фильтра. Как видно из следующего уравнения, это создает дополнительную нагрузку на конденсатор, но не создает серьезной проблемы. В примере, показанном на рис. 20, это составляет только 10 % от общего количества тепла, выделяемого пульсирующим током:
P T = P C + P S и P = I R 2 R
, где:
P C = мощность на коммерческой линии частота P S = SELECHTER PEOLTION на коммерческой линии P S SELECH183 SELECH183 S. S SELECH183 S. S S. частота
Рисунок 20. Частотная характеристика ESR
Конденсаторы для сглаживания выхода
Необходимое условие для определения номинала конденсаторов для фильтрации:
Z C << Z0182 O
Где Z C — полное сопротивление конденсатора, а Z O — полное сопротивление нагрузки. Соотношение между емкостью и значением импеданса конденсатора на низких частотах (120 Гц) составляет примерно
Поэтому номинал определяется значением емкости. На высоких частотах отношение будет
На рисунке 21 показано, что требуемый номинал не определяется только значением емкости.
Рисунок 21. Характеристики импеданса алюминиевых электролитических конденсаторов
Конденсаторы, предназначенные для сглаживания выходного сигнала, были улучшены по частотным характеристикам, так что значения их импеданса приближаются к 1/wC на высоких частотах. В таблице 5 перечислены выходные конденсаторы и их номиналы.
Таблица 5. Выходные конденсаторы
| Серия | Рабочая Температура Диапазон (°C) |
Напряжение (В) |
Емкость (мкФ) |
Замечания |
|---|---|---|---|---|
| ЛХЭ-ВБ | -55~+105 | 6,3~63 | 10~10 000 | Низкий импеданс |
| ЛХА-ВБ | -55~+105 | 10~63 | 0,47~4,7000 | Долговечный, Низкий импеданс |
| ЛСФ-ВБ | -55~+105 | 6,3~63 | 3,3~15 000 | Длительный срок службы, Очень низкий импеданс |
| ЭКС-ВБ | -55~+125 | 10~63 | 0,1~10 000 | Высокотемпературный, Низкоимпедансный |
| ГС-ВБ | -40~+130 | 10~63 | 0,47~1000 | Очень высокая температура |
| УРЗА | -55~+105 | 6,3~250 | 56~33 000 | Большой размер, Очень низкий импеданс |
| СМХ-ВН | -40~+85 | 6,3~450 | 56~100 000 | Защелкивающееся крепление, Малый размер |
| КМХ-ВН | -40~+105 | 6,3~450 | 56~82 000 | Защелкивающееся крепление, Маленький размер, Высокотемпературный |
Чем меньше конденсатор, тем менее он устойчив к пульсациям тока. Выходные конденсаторы рассчитаны на низкое ESR на высоких частотах. Это снижает тепловыделение, вызванное высокочастотными пульсациями тока. Кроме того, диапазоны рабочих температур были расширены, чтобы можно было работать при более высоких температурах, что снижает нагрузку на конденсатор.
Конденсаторы для цепей управления
Поскольку через цепь управления протекает лишь небольшой переменный ток, требования к конденсаторам не являются строгими. Для этой схемы могут быть использованы конденсаторы общего назначения, а также миниатюрные конденсаторы с широким диапазоном рабочих температур и рабочими характеристиками. В таблице 6 приведены некоторые примеры.
Таблица 6. Конденсаторы для цепей управления
| Серия | Рабочая Температура Диапазон (°C) |
Напряжение (В) |
Емкость (мкФ) |
Замечания |
|---|---|---|---|---|
| МСП-ВБ | -40~+85 | 6,3~400 | 0,1~22 000 | Маленький размер |
| КМЭ-ВБ | -55~+105 | 6,3~400 | 0,1~22 000 | Высокотемпературный, Маленький размер |
| СМГ-ВБ | -40~+85 | 6,3~450 | 0,1~22 000 | Очень маленький размер |
| КМГ-ВБ | -55~+105 | 6,3~450 | 0,1~22 000 | Высокотемпературный, Очень маленький размер |
| КМА-ВБ | -55~+105 | 6,3~63 | 0,1~220 | Низкопрофильный, Замена тантала |
| ЛЛА-ВБ | -40~+85 | 6,3~50 | 0,1~15 000 | Маленький размер, Низкая утечка |
Конденсаторы для фильтрации высоких частот
Как указывалось ранее, алюминиевый электролитический конденсатор имеет индуктивность, что влияет на общий импеданс. Импеданс современных импульсных конденсаторов блоков питания составляет от 20 до 50 % по сравнению с более ранними типами.
Как правило, конденсаторы импульсного стабилизатора можно использовать в цепях с частотой примерно до 30 кГц без существенного влияния индуктивности. Конденсаторы специальной конструкции можно использовать в цепях до 100 кГц. Если требуется более высокая производительность, как в случае проблемы пикового шума, рекомендуется параллельное подключение конденсаторов с меньшими значениями емкости, составляющих лестничный фильтр. Доступен четырехвыводной конденсатор с фильтрующей конструкцией лестничного типа внутри. Однако следует отметить, что при использовании этого типа конденсатора можно применять только ограниченное количество постоянного тока. Общий импеданс алюминиевого электролитического конденсатора в большей степени определяется емкостью на относительно низких частотах и ESR на более высоких частотах.
Температурные характеристики электролитических конденсаторов также следует учитывать, когда конденсатор используется для высокочастотной фильтрации. На рисунках 22 и 23 показаны зависимости емкости от температуры и ESR от температуры соответственно. Обратите внимание, что в то время как емкость изменяется очень мало в диапазоне от -25°C до +20°C, ESR изменяется значительно.
Таким образом, следует уделять особое внимание как частотным, так и температурным характеристикам, когда электролитический конденсатор используется в диапазоне частот, где ESR определяет импеданс.
Рисунок 22. Температурные характеристики емкости
Рисунок 23. Температурные характеристики ESR
Замечания по последовательному и параллельному соединению конденсаторов При последовательном и параллельном включении конденсаторы образуют делитель напряжения, когда они образуют делитель напряжения
90 . Падения напряжения на конденсаторах рекомендуется выравнивать шунтированием внешних (балансных) резисторов на каждом конденсаторе. Общая практика заключается в том, чтобы допустить десятикратный ток утечки конденсатора через резисторы.
Термический дисбаланс между конденсаторами также важен, когда они соединены параллельно. Тепловой разгон может произойти, если они не сбалансированы, что может привести к отказу компонентов. При параллельном соединении конденсаторов с одинаковым импедансом и разными значениями ESR выделение тепла из-за пульсаций тока представлено уравнением: Р 2 + И 3 2 R 3 + I n 2 R n (W)
Очевидно, что чем больше значение ESR, тем больше повышение температуры. Аналогично, в случае конденсаторов с одинаковыми значениями ESR и разными значениями импеданса, чем меньше значение импеданса, тем больше тепловыделение.
Наилучший способ преодоления любого дисбаланса — вставить катушки индуктивности последовательно с конденсаторами, как показано на рис. 24. Добавленная индуктивность ограничит протекание тока и, следовательно, уменьшит нагрузку на конденсаторы. Как вариант, длину провода между конденсаторами можно увеличить.
Добавить комментарий