Как выбрать конденсатор: типы и принципы работы — Техника на vc.ru

типы и принципы работы — Техника на vc.ru

Конденсаторы — это пассивные элементы обвязки полупроводниковых компонентов в электронных схемах. Их большое разнообразие обусловлено набором качественных характеристик по отношению к габаритам, условиям эксплуатации и стоимости.

326 просмотров

В зависимости от назначения и требуемых характеристик используют определенный тип конденсаторов. Вместе с «ЗУМ-СМД» рассмотрим свойства некоторых типов.

Свойства конденсаторов

Для каждого типа конденсатора свойственны определенные наборы параметров:

• Габариты и удельный вес — влияют на компактность устройства.
• Ёмкость измеряется в фаррадах.
• Максимальное напряжение — предельная величина разности потенциала на обкладках конденсатора (указывается с запасом).
• Ток утечки — величина тока саморазряда конденсатора (имеет ощутимые значения только у некоторых типах конденсаторов.
• Тангенс угла диэлектрических потерь — добротность конденсатора.
• Стоимость — в зависимости от требований, предъявленных к конденсатору, имеет смысл применения определенного класса изделия.

Ёмкость — это основная характеристика прибора. Она зависит от диэлектрической проницаемости изоляционного материала, расположенного между пластинами (обкладками) конденсатора. Также эта характеристика увеличивается с повышением площади совместного расположения пластин и уменьшением расстояния между ними.

Конденсаторы подразделяются по типу монтажа:

• С креплением в отверстия печатной платы — выводы могут быть с одной стороны корпуса или с обоих.
• С болтовым креплением — выводы с одной стороны.
• Для поверхностного крепления (SMD) — короткие выводы, расположенные на одной боковой плоскости.

Классификация конденсаторов

Конденсаторы классифицируются на электролитические, керамические и полимерные и отличаются материалом диэлектрика и пластин (обкладок), а также конструкцией устройства.

Для увеличения емкости электролитические конденсаторы используют электролит, который позволяет уменьшить расстояние между обкладками конденсатора. Они обладают поляризацией, на корпусе, возле одного из электродов указывается обозначение его полярности. Делятся электролитические конденсаторы:

• на жидкостные;
• сухие;
• оксидно-металлические;
• оксидно-полупроводниковые.

Алюминиевые электролитические конденсаторы являются наиболее дешевыми с относительно большой емкостью, но ограничены максимальным напряжением. Их диапазон составляет от 6,3 В до 500 В, могут иметь некоторый ток утечки, до 1 — 2 мА, у качественных моделей 0,05 — 0,1 мА. Внешней отличительной особенностью является крестовая насечка на поверхности противоположной выводам или кольцевой надрез на цилиндрическом корпусе устройства с выводами по обе стороны. Это предотвращает взрыв конденсатора при испарении электролита в случае пробоя диэлектрика.

Танталовые конденсаторы имеют электролит, находящийся в твердом или жидком состоянии. Отличаются от алюминиевых высокими частотными характеристиками и меньшим током утечки, но и естественно большей стоимостью. Некоторые модели очень схожи с вышеописанными, но не имеют насечек. Линейка номиналов до 1000 мкФ и до 100 В.

Из неэлектролитических конденсаторов можно выделить:

• керамические однослойные;
• керамические многослойные;
• высоковольтные керамические;
• полиэстеровые;
• полиэтилентерефталатовые;
• лавсановые;
• полиропиленовые и др.

Они отличаются меньшей удельной емкостью, незначительным током утечки и тангенсом угла диэлектрических потерь.

Компания «ЗУМ-СМД» имеет богатый опыт сотрудничества с производителями конденсаторов различной классификации. Бренды имеют высокое качество продукции, выпущенной на высокотехнологичном оборудовании.

Как выбрать конденсатор?

Во время работы над разделом о конденсаторах я подумал, что было бы полезно объяснить, почему один тип конденсаторов может быть заменен другим. Это важный вопрос, так как существует множество факторов (температурные характеристики, тип корпуса и так далее), которые делают тот или иной тип конденсаторов (электролитический, керамический и пр.) наиболее предпочтительным для вашего проекта.

В статье будут рассмотрены популярные типы конденсаторов, их достоинства и особенности, а также области применения. В каждом разделе помещены ссылки на результаты поисковых запросов для некоторых серий наиболее популярных конденсаторов из каталога компании Терраэлектроника.

Например, результат поиска для DIP конденсаторов  c рабочим напряжением 450 В серии HP3 производства компании Hitachi с емкостью 56…680 мкФ приведен на Рис.1.

Рис. 1. Результат поискового запроса для  имеющихся на складе конденсаторов серии HP3 с рабочим напряжением 450 В от Hitachi  с емкостью в диапазоне  56…560 мкФ

Конденсаторы (Рис. 2) представляют собой двухвыводные компоненты, используемые для фильтрации, хранения энергии, подавления импульсов напряжения и других задач. В самом простом случае они состоят из двух параллельных пластин, разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком.

Рис. 2. Конденсаторы различных типов

Конденсаторы хранят электрический заряд. Единицей емкости является Фарад (Ф). Это название было дано в честь Майкла Фарадея, который в свое время стал пионером в области практического использования конденсаторов.

Конденсаторы могут быть полярными и неполярными. К полярным относятся почти все электролитические и танталовые конденсаторы. Они должны подключаться с учетом полярности напряжения. Если перепутать выводы «-» и «+», то это приведет к короткому замыканию. К неполярным относятся керамические, слюдяные и пленочные конденсаторы. Они могут работать при любой полярности приложенного напряжения, что делает их подходящими для применения в цепях переменного тока.

Несмотря на широкое распространение конденсаторов, выбор конкретной модели бывает достаточно сложным. Вы можете знать емкость и рабочее напряжение, которые требуются в вашем проекте, но у конденсаторов есть и множество других характеристик, таких как полярность, температурный коэффициент, стабильность, последовательное эквивалентное сопротивление (ESR) и так далее. Это делает каждый конкретный тип конденсаторов пригодным для конкретного приложения. Ниже перечислены наиболее популярные типы конденсаторов с кратким описанием их достоинств и особенностей.

Типы конденсаторов

Существует несколько типов конденсаторов, которые отличаются электрическими характеристиками и стоимостью. Ниже приведено описание наиболее популярных типов конденсаторов: алюминиевых электролитических, керамических, танталовых, пленочных, слюдяных и полимерных (твердотельных). Кроме того, для каждого типа представлены наиболее подходящие приложения, а также информация о корпусных исполнениях и примеры конкретных серий.

Рис. 3. Алюминиевый электролитический конденсатор

Описание: алюминиевые электролитические конденсаторы (Рис. 3) являются полярными, поэтому их нельзя использовать в цепях переменного напряжения. Они могут иметь высокую номинальную емкость, но отклонение от номинала обычно составляет до 20%.

Приложения: алюминиевые электролитические конденсаторы оптимальны для приложений, которые не требуют высокой точности и работы с переменными напряжениями. Чаще всего они применяются в качестве развязывающих конденсаторов в источниках питания, то есть для уменьшения пульсаций напряжения. Они также широко используются в импульсных DC/DC-преобразователях напряжения.

Корпусное исполнение: как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа.

Примеры:

Для монтажа в отверстия:

• 25 В серия TKR производства Jamicon с диапазоном доступных емкостей 10…5000 мкФ.
• 50 В серия ECA-1HM  от Panasonic с диапазоном доступных емкостей 4. 7…3300 мкФ.
• 450 В серия HP32 от Hitachi AIC с диапазоном доступных емкостей 56…1000 мкФ.

Для поверхностного монтажа:

• 16 В серия EEE-FK от Panasonic с диапазоном доступных емкостей 10…4700 мкФ.
• 50 В серия CA050 от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,22…220 мкФ.

Рис.4. Керамические конденсаторы

Описание: существует два основных типа керамических конденсаторов (Рис. 4): многослойные чип-конденсаторы (MLCC) и керамические дисковые. MLCC пользуются большой популярностью и широко применяются в электронных устройствах, поскольку обладают высокой стабильностью и малым уровнем потерь. Они отличаются низким последовательным сопротивлением (ESR) и минимальной погрешностью номинала по сравнению с электролитическими или танталовыми конденсаторами. Вместе с тем их максимальная емкость невелика и достигает всего нескольких десятков мкФ. Из-за высокой удельной емкости MLCC имеют очень малые габариты и отлично подходят для размещения на печатных платах.

Приложения: поскольку керамические конденсаторы являются неполярными, то их можно применять в цепях переменного тока. Они широко используются в качестве «универсальных» конденсаторов, например, для высокочастотной развязки, фильтрации, подстройки резонаторов и подавления электромагнитных помех. Как MLCC, так и керамические дисковые конденсаторы подразделяются на два класса:

Керамические конденсаторы I класса – точные (+/- 5%) и стабильные конденсаторы с минимальной зависимостью емкости от температуры. Конденсаторы NP0/C0G отличаются минимальным температурным коэффициентом 30 ppm/K. К сожалению, их максимальная емкость ограничена несколькими нанофарадами (нФ). Поскольку они очень стабильны и точны, то их чаще всего используют в системах с частотным регулированием, например, в резонансных схемах для радиочастотных приложений.

Керамические конденсаторы II класса менее точны, но обеспечивают более высокую удельную емкость (номинальные значения — до десятков мкФ) и, следовательно, подходят для фильтрации и развязки. Среди их недостатков можно отметить большой коэффициент напряжения. Например, даже при приложении напряжения, равного половине рабочего, обычно наблюдается снижение емкости на 50%.

• X5R может работать в диапазоне — 55…85°C с изменением емкости +/- 15%;
• X7R может работать в диапазоне — 55…125°C с изменением емкости +/- 15%;
• Y5V — в диапазоне от — 30…+ 85°C с изменением емкости -20/ +80%.

Корпусные исполнения: наиболее распространены корпуса для поверхностного монтажа 0201, 0402, 0603, 0805, 1206 и 1812. Цифры обозначают габаритные размеры в дюймовой системе. Например, 0402 составляет 0,04х0,02″, 0603 — 0,06х0,03″ и так далее.

Примеры:

Тип NP0/C0G:

• 0402 — серия CC0402JRNPO9 производства компании Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,01…1 нФ;
• 0603 — серия CC0603JRNPO9 от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,008…2,7 нФ.

Тип X7R:

• 0402 — серия CC0402KRX7R9BB от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,1…10 нФ;
• 0603 — серия CC0603KRX7R7BB от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,1…1 мкФ;
• 1206 — серия GRM31 от Murata с диапазоном доступных емкостей 470 пф…22 мкФ;
• 0805 — серия CL21 от Samsung с диапазоном доступных емкостей 150 пф…10 мкФ.

Для монтажа в отверстия:

• Серия C315C производства компании Kemet с диапазоном доступных емкостей 1 пФ …1 мкФ.

Рис. 5. Танталовые конденсаторы

Описание: танталовые конденсаторы (Рис. 5) – это подтип электролитических конденсаторов с высоким уровнем поляризации. При их использовании необходимо проявлять осторожность, поскольку они имеют склонность к катастрофическим отказам даже при воздействии импульсов напряжения с амплитудой, лишь немного превышающей номинальное рабочее напряжение. Танталовые конденсаторы могут иметь высокую номинальную емкость и отличаются высокой временной стабильностью. Они меньше по размеру, чем алюминиевые электролитические конденсаторы той же емкости. Но алюминиевые электролиты могут выдерживать более высокие максимальные напряжения.

Приложения: из-за малого тока утечки, стабильности и высокой емкости танталовые конденсаторы часто используются в схемах выборки-хранения, в которых требуется обеспечивать минимальный ток утечки для продолжительного хранения заряда. Также, благодаря малым размерам и долговременной стабильности, они применяются для фильтрации по цепям питания.

Корпусные исполнения: танталовые конденсаторы выпускаются как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа (SMD). Тем не менее, чаще всего используются именно SMD-компоненты. В дюймовой системе типоразмер А соответствует размеру 1206 (0,12х0,06″), типоразмер В соответствует размеру 1210, типоразмер C соответствует размеру 2312, типоразмер D — размеру 2917.

Примеры:

• Типоразмер A: серия TAJA от AVX с диапазоном доступных емкостей 1…10 мкФ;
• Типоразмер B: серия TAJB от AVX с диапазоном доступных емкостей 10…47 мкФ;
• Типоразмер C: серия TAJC от AVX с диапазоном доступных емкостей 47…220 мкФ;
• Типоразмер D: серия TAJD от AVX с диапазоном доступных емкостей 220…680 мкФ;
• Типоразмер A-E: серия 293D компании Vishay с диапазоном доступных емкостей 0,1…1000 мкФ;
• Типоразмер A-X: серии T491 компании Vishay с диапазоном доступных емкостей 0,1…1000 мкФ.

Рис. 6. Пленочные конденсаторы

Описание: пленочные конденсаторы (Рис. 6) являются неполярными, что позволяет использовать их в цепях переменного напряжения. Они отличаются малыми значениями эквивалентного сопротивления (ESR) и последовательной индуктивности (ESL).

Приложения: пленочные конденсаторы часто применяются в схемах с аналого-цифровыми преобразователями. Кроме того, они способны работать с высоким пиковым током и, таким образом, могут применяться в снабберных цепочках для фильтрации индуктивных выбросов напряжения в DC/DC-преобразователях.

Примеры:

• серия B32021 производства компании EPCOS с диапазоном доступных емкостей 1 нФ…10 нФ и рабочим напряжением 300В AC.
• серия ECHU от Panasonic c диапазоном доступных емкостей 0,1 нФ…220 нФ и рабочим напряжением 16 В и 50 В DC.

Рис. 7. Слюдяной конденсатор

Описание: слюдяные конденсаторы (Рис. 7) являются неполярными, отличаются малой величиной потерь, высокой стабильностью и обладают отличными характеристиками на высоких частотах.

Приложения: эффективны при работе в составе радиочастотных схем. Они могут стоить несколько долларов за штуку, поэтому в маломощных приложениях чаще используют керамические конденсаторы. Однако слюдяные конденсаторы благодаря высокому напряжению пробоя остаются практически незаменимыми для таких приложений, как  радиопередатчики высокой мощности.

Примеры:

• серия CD производства CDE с диапазоном доступных емкостей 0,001…47 нФ (монтаж в отверстия) рабочим напряжением до 500 В .

Рис. 8. Полимерные (твердотельные) конденсаторы

Описание: твердотельные конденсаторы являются полярными, так же как и другие электролитические конденсаторы, но имеют ряд преимуществ, например, меньшие потери благодаря низкому последовательному сопротивлению ESR и длительный срок службы. Для обычных алюминиевых электролитов существует риск высыхания электролита при низких температурах, но твердотельные конденсаторы благодаря применению твердого полимерного диэлектрика обладают высокой надежностью даже при очень низких температурах.

Приложения: используются вместо электролитов в высококачественных материнских платах и DC/DC-преобразователях.

Примеры:

• серия OS-CON производства Panasonic с диапазоном доступных емкостей 3,3…2700 мкФ. 

• серия SP-Cap производства Panasonic с диапазоном доступных емкостей 10…560 мкФ в SMD исполнении. 

• серия ECAS производства компании Murata с диапазоном доступных емкостей 10…150 мкФ.

Описание: конденсаторная сборка (capacitor array)  — это группа конденсаторов, конструктивно объединенных в одном корпусе, причем любой из конденсаторов может быть отдельно от остальных подключен к внешней цепи. Существует много различных типов сборок, которые отличаются количеством конденсаторов, типом диэлектрика, величиной отклонения емкости конденсатора от номинального значения, максимальным рабочим напряжением, типом корпуса и др.

Приложения: конденсаторные сборки широко применяются в мобильной и носимой аппаратуре, в материнских платах компьютеров и цифровых приставках, в радиочастотных модемах и усилителях, в автомобильных и медицинских приложениях и т. д.

Корпусные исполнения: конденсаторные сборки выпускаются как в DIP корпусах, так и в SMD исполнении. Наиболее популярные типоразмеры сборок для поверхностного монтажа 0508, 0612, 0805 представлены в нашем каталоге.

Примеры:

• Серия CA конденсаторных сборок общего назначения от компании Yageo типоразмера 0612 с диапазоном доступных емкостей от 22 пФ до 100 нФ.

Подобрать необходимый конденсатор в каталоге Терраэлектроники можно двумя способами:

1. использовать параметрический поиск в соответствующем разделе каталога, для чего необходимо зайти в раздел конденсаторов, выбрать соответствующий задаче тип конденсатора, а далее заполнить ряд фильтров с параметрами. Фрагмент скриншота поиска MLCC конденсатора с параметрами: номиналом 1 нФ, точностью 10 %, диэлектриком X7R, напряжением  250 В и корпусом 0805 представлен на Рис. 9.
2. воспользоваться интеллектуальным поиском конденсатора по параметрам. Для этого достаточно скопировать строку из спецификации “Конденсатор 1 нФ, X7R, 10%, 250 В, 0805″ или ввести «1n X7R 10% 250V 0805» в строку поиска и получить тот же самый  список подходящих по указанным параметрам компонентов.

Рис. 9. Фрагмент скриншота сервиса поиска конденсатора

Заключение

В данном руководстве были рассмотрены некоторые наиболее популярные типы конденсаторов. Кроме них существуют суперконденсаторы, кремниевые конденсаторы, оксид-ниобиевые и подстрочные конденсаторы, которые обладают уникальными преимуществами по величине емкости, уровню надежности или возможности подстройки. Однако в большинстве электронных схем вы чаще всего увидите один из шести рассмотренных выше типов конденсаторов.

Автор: Санкет Гупта Перевод: Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Разделы: Конденсаторы керамические, Пленочные конденсаторы

Опубликовано: 15.03.2018

Как каждый раз выбирать правильные типы конденсаторов

You are here: Home / Конденсаторы / Как правильно выбирать типы конденсаторов

13 ноября 2012 г. Автор: Øyvind Nydal Dahl 30 комментариев

«Какие типы конденсаторов выбрать?»

Этот вопрос задают многие новички. Я дам вам простой ответ на этот вопрос, не вдаваясь во все детали. После прочтения этого, моя цель состоит в том, чтобы вы могли пойти и найти нужный вам конденсатор прямо сейчас.

Я также написал о том, как выбрать номиналы конденсаторов, которые я рекомендую вам проверить.

Поляризация

Прежде всего, мы сводим это к двум типам конденсаторов:

• Поляризованный конденсатор
• Неполяризованный конденсатор

Разница между поляризованным конденсатором и неполяризованным конденсатором заключается в том, что поляризованный конденсатор имеет положительную и отрицательную сторону. Таким образом, он должен быть размещен с положительным контактом, где самое положительное напряжение. Вы можете разместить неполяризованный конденсатор как угодно.

Вам нужен поляризованный конденсатор? Или неполяризованный конденсатор? Чтобы понять это, посмотрите на схему. Какой символ конденсатора используется?

Это неполярные конденсаторы:

Это поляризованные конденсаторы:

Поляризованные конденсаторы

Если вам нужен поляризованный конденсатор, вам понадобится так называемый «электролитический» конденсатор.

Существует два типа электролитических конденсаторов:

• Алюминий
• Тантал

Алюминий

Наиболее распространены алюминиевые конденсаторы. Он также является самым дешевым из двух. Алюминиевые колпачки обычно поставляются в виде сквозных компонентов. Но вы также можете найти некоторые версии для поверхностного монтажа. Выбирайте алюминиевые колпачки, если у вас нет особых требований.

Тантал

Если вам нужен меньший и более прочный конденсатор, вам следует выбрать танталовый тип.

Колпачки из тантала доступны в небольших упаковках для поверхностного монтажа. Они могут работать в широком диапазоне температур. Обратите внимание, что некоторые танталовые колпачки также поставляются в неполяризованной версии.

 

Неполяризованные конденсаторы

Если вам нужен неполяризованный конденсатор, ищите керамический или пленочный конденсатор.

Керамические колпачки маленькие и дешевые. Это наиболее распространенный выбор для неполяризованных конденсаторов. Они часто используются в качестве развязывающих конденсаторов.

Если у вас есть какие-либо особые требования, такие как низкий допуск, высокая надежность или конденсатор, способный работать при высоких температурах, выберите пленочный конденсатор. Это намного лучше для этого.

Колпачки из пленки могут быть изготовлены из полистирола, поликарбоната или тефлона. У каждого из них есть свои свойства, но это выходит за рамки этой страницы.

Другие типы конденсаторов

Существует также несколько других типов конденсаторов, но указанные выше являются наиболее распространенными. Вы используете другие типы, только если у вас есть особые требования. Например, если вам нужен конденсатор с очень большой емкостью, вам нужен суперконденсатор.

Прочие компоненты

• Как работают транзисторы
• Что такое резистор?
• Что такое диод?
• Узнайте о различных типах существующих диодов
• Что такое индуктор?
• Что такое светодиод?

Возврат из Типы конденсаторов в Электронные компоненты онлайн

Рубрики: Конденсаторы

Как выбрать номинальное напряжение конденсатора для защиты от электростатического разряда?

Достаточно ли выбрать конденсатор, выдерживающий окончательную Напряжение?

Совершенно верно, но я думаю, что вы можете запутаться в определении «конечного напряжения». Это не начальное напряжение 8 кВ, которое генератор ESD может создать в разомкнутой цепи; это напряжение, которое появляется на конденсаторе (намного меньше 8 кВ) из-за внутреннего последовательного сопротивления генератора/пушки ESD. Это внутреннее сопротивление (и рассматриваемый конденсатор ESD) образуют RC-цепь нижних частот, которая значительно ограничивает нарастание напряжения на этом конденсаторе ESD.

На рисунке ниже конденсатор емкостью 150 пФ заряжен, скажем, до 8 кВ. Это внутренние компоненты пистолета ESD, и они будут подвергаться полному рейтингу kV, но это не ваша проблема. Важным компонентом (по-прежнему внутренним в пистолете ESD) является резистор 330 Ом. Это ограничит пиковое напряжение, которое может быть создано на вашем защитном конденсаторе от электростатического разряда. И, конечно же, вы должны выбрать значение конденсатора ESD, которое ограничивает напряжение в достаточной степени для защиты вашей уязвимой цепи И ограничено ниже максимального номинального напряжения конденсатора ESD.

(Источник изображения: Кит Армстронг — Методы проектирования для ЭМС — Часть 6)

Где я могу найти эту информацию для данного размера упаковки, емкость и напряжение?

Ты не найдешь, потому что надо вычислить. Производители не знают, что может безопасно выдержать ваша схема-жертва, и поэтому они не могут сказать вам, какой номинал конденсатора выбрать. Учитывая также, что существует несколько различных спецификаций требований к электростатическим разрядам, это делает окончательные рекомендации маловероятными.

Но, если у вас есть симулятор (настоятельно рекомендуется в наши дни для любого уровня проектировщика), можно легко установить начальные условия для конденсатора 150 пФ равным 8 кВ и посмотреть, до какого напряжения повысится напряжение на вашем предполагаемом конденсаторе ESD на основе значение емкости.

Что касается конденсаторов, предложенных в вопросе, в техническом паспорте номера деталей немного неоднозначны, но, тем не менее, я думаю, что они увязываются с этим диапазоном на веб-сайте Kemet.