О применении керамических конденсаторов…
Рис.13. – из [11], стр.24.«Для других типов керамики, например Y5U или Y5V, значение Z, соответствующее резонансу, получается на значительно меньших частотах, что свидетельствует о худших свойствах конденсаторов с такими диэлектриками.» – [10], стр.145.
Величина ESL от времени, температуры, и частоты не зависит (или эта зависимость пренебрежимо мала).
2.1.3. Сравнение ЭК и КК.
Как уже отмечалось выше, не все важные для разработки современных матплат параметры указываются в документации производителей конденсаторов. Поэтому воспользуемся данными корпорации «Интел», которая применяла при моделировании базового (референсного) дизайна МВ для чипсета I845G следующие параметры:
Таблица 3.
| Конденсатор, емкость | ESR | ESL | Примечание |
|---|---|---|---|
| OSCON, 560 мкФ | 9.28 mОм, max | 6.4 нГн, max | 1 |
| Алюминиевый ЭК 3300 мкФ | 12 mОм | 5 нГн | |
| MLCC, корпус 1206, 10 мкФ | 3.5 mОм, тип. | 1.15 нГн, тип. | 1 |
Примечание 1 к таб. 3 – значения ESR и ESL основаны на значениях, используемых Интелом для моделирования распределения питания и не являются данными производителей. – [7], стр.66.
Из таб. 3 видно, что КК большой ёмкости обладают в несколько раз меньшими паразитными ESR и ESL, чем у ЭК. Кроме того, гораздо меньшие габаритные размеры КК позволяют использовать параллельное включение нескольких десятков КК, что приводит к соответствующему уменьшению ESR и ESL. Однако, значительно меньшая емкость КК не позволяет обойтись совсем без ЭК.
Основное допущение, сделанное автором при дальнейшем изложении, состоит в том, что физическая суть эффектов в цепях питания от выходного дросселя конвертера до кристалла микропроцессора одинакова для любого из относительно нестарых процессоров от Intel Pentium-III до Intel Core Duo. Отличия только в количественных характеристиках и степени влияния этих эффектов на работоспособность и долговечность электролитических конденсаторов и процессора. Эти отличия связаны с тем, что для более новых процессоров:
б) выше скорость переходных процессов на шинах питания, из-за чего растут выбросы и просадки напряжения на паразитных индуктивностях компонентов источника питания, токопроводящих дорожек системной платы, контактов процессорного разъема;
С учётом сказанного, попытаемся проанализировать документацию на процессоры в указанном «диапазоне».
2.3. Требования к цепям питания.
Попытаемся выяснить, почему и какие требования предъявляются производителем процессоров к цепям питания и ШИМ-конверторам. Будем опираться на документацию фирмы INTEL, как производителя наиболее высокочастотных процессоров, для которых изучаемые эффекты могут иметь наибольшее значение.
«Из-за очень большого числа транзисторов и высокой внутренней частоты тактирования процессор способен производить большие колебания среднего тока между состояниями низкой и полной загрузки» — [12], стр.19.
«Неизбежная индуктивность проводов и шин питания снижает возможность источника питания быстро реагировать на переходные процессы по току. Блокировка (Decoupling) шин питания может быть охарактеризована несколькими особенностями [в оригинале – «зонами интересов»].
Обзор набора керамических конденсаторов
Часто при изготовлении того или иного радиолюбительского устройства требуются керамические конденсаторы. А если это делитель функционального генератора, то конденсаторы должны быть точно подобраны по емкости. В этом случае варианта два. Первый вариант идти с LCR метром в ларек с радиодеталями и испытывать конденсаторы и нервы продавца. Второй вариант — купить «кучку» конденсаторов из поднебесной и уже в спокойных домашних условиях выбрать из «кучки» достойные экземпляры.
Упакованы они были следующим образом:
После распаковки и подписывания пакетиков получилось вот так:
Внимательный читатель спросит: — «А где же пакетик с конденсаторами 8.2 nF?»
Дальше несколько фото для понимания общих масштабов и характеристик, возможно кому-то это интересно.
Дальше же я решил проверить заявленную точность в «5%». Методика измерений следующая: из каждого номинала берется по 5 шт. и замеряется. Прибор для измерения DER EE DE-5000 с щупами Кельвина (четырех проводная схема измерения), наверное, можно считать достаточно прецизионным, хотя на поверку я его не отдавал. Температура — комнатная.
Результаты измерений можно увидеть в таблице:
Если проанализировать результаты, есть несколько номиналов где совсем все плохо. Например, некоторые экземпляры номинала 68 nF больше по емкости номинала 82 nF (79,52 nF против 72,05 nF). Но большая часть укладывается в заявленную точность и наверняка я бы не купил чего-то лучшего в ларьке своего районного центра. Меня они устроили, нужны ли они вам — решать вам.
Также прилагаю видео с измерениями чтобы подтвердить, что я действительно измерил 170 конденсаторов, а не взял данные для таблицы с потолка)
Дополнено 26.10.2017
Выборочно проверил ТКЕ конденсаторов. Я предполагал что у всех конденсаторов будет «течь» емкость от температуры, оказалась что у некоторых номиналов она действительно зависит от температуры, а на других температура от поднесенного к ним паяльника не оказывает какого-то заметного влияния. Данная проверка не претендует на какую-то научность, но надеюсь дает какое-то представление о ТКЕ этих конденсаторов.
Керамические конденсаторы КМ. Особенности, сфера применения
Конденсатор — это радиоэлектронное устройство, предназначенное для накопления электрического заряда и энергии поля. Существует много типов конденсаторов и их исполнений. В этой статье поговорим о керамических конденсаторах типа КМ. Конденсаторы такого типа применяются в оборудовании промышленного назначения, при изготовлении измерительных приборов высокой точности, радиопередающих устройств, а также в военной промышленности.
Керамические конденсаторы КМ отличаются высокой стабильностью, они предназначены для работы в импульсных режимах, а также в цепях переменного и постоянного токов. Они характеризуются высоким сцеплением обкладок с керамикой, а также медленным старением, что обеспечивает низкое значение коэффициента емкостной температурной нестабильности. Конденсаторы КМ при довольно незначительных габаритах имеют высокую емкость (достигающую 2,2 мкФ). Впрочем, изменение значения емкости в интервале рабочей температуры у керамических конденсаторов КМ составляет от 10 до 90%.
Конденсаторы КМ группы Н чаще всего используют в качестве переходных, блокировочных и т. д. Современные керамические конденсаторы КМ изготавливают путем опрессовывания под давлением в монолитный блок тонких металлизированных пластин керамики. Благодаря высокой прочности упомянутого материала существует возможность использовать заготовки весьма тонкие, в результате емкость полученных конденсаторов, пропорциональная к единице объема, резко возрастает.
Конденсаторы типа КМ также отличаются от других конденсаторов своей высокой ценой. Причина заключается в том, что в них в качестве обкладок диэлектрика используют следующие драгоценные металлы (и их смеси): Ag, Pl, Pd. В большинстве случаев используется палладий, именно этим и обусловлена их ценность. В связи с этим большим спросом пользуются не только новые изделия, но и бывшие в употреблении и даже пришедшие в негодность. Драгоценные металлы содержатся в конденсаторах типа КМ3-6. Они подразделяются на два вида: палладиевые (КМ Н90) и платиновые (КМ Н30). Существует еще один подвид конденсаторов КМ группы Н30 — это КМ5 D, которые отличаются от Н30 тем, что платины в них гораздо меньше. Содержание драгоценных металлов в КМ Н90 составляет 46,5 г палладия и 2.5 г платины на килограмм конденсаторов. А в конденсаторах типа КМ Н30 составляет 50 г платины на килограмм конденсаторов.
Конденсаторы группы КМ D (зеленые) содержат 40 гр. платины, то есть на 20% меньше, чем в конденсаторах группы Н30 (зеленые). Конденсаторы типа КМ группы Н90, имеющие в своей маркировке букву V, содержат драгоценных металлов на 10% больше, чем конденсаторы группы Н90. По идее, такие конденсаторы должны быть дороже остальных керамических конденсаторов группы Н90 зеленого цвета. А меньшие конденсаторы должны быть дешевле. На практике все конденсаторы КМ группы Н90 зеленого цвета стоят одинаково. Стоимость конденсаторов КМ напрямую зависит от цены на драгоценные металлы, а также от стоимости затрат на аффинаж. Самые распространенные керамические конденсаторы КМ (фото демонстрирует внешний вид конденсаторов типа КМ) — это конденсаторы КМ группы Н90 зеленого и оранжевого цветов.История конденсаторов часть 2: современная эра / Habr
В предыдущих сериях:
История конденсаторов часть 1: первые открытия
Конденсаторы для «чайников»
В начале истории конденсаторов они использовались в основном для получения первых представлений об электричестве, ещё даже до того, как были открыты электроны. Это было время для публичных демонстраций достижений науки, например, в виде держащихся за руки людей, через которых пропускали ток конденсатора. Современная эра развития конденсаторов начинается в конце 18-го века, когда началось практическое применение электричества, потребовавшее изготовления конденсаторов с определёнными свойствами.
Лейденские банки
Маркони с передающим аппаратом
Одним из примеров практического использования стали искровые трансмиттеры, появившиеся до 1900 года и существовавшие в первом и втором десятилетиях. Трансмиттеры набирали большое напряжение для разряда через зазор, и потому с этой целью использовались керамические конденсаторы, которые могли выдержать такое напряжение. Кроме того, для этого требовалась высокая частота. Это были, по сути, лейденские банки, и для получения нужной ёмкости им требовались большие размеры.
Слюда
В 1909 году Уильям Дубилье [William Dubilier] изобрёл слюдяные конденсаторы меньшего размера, которые использовались на принимающей стороне в резонансных контурах беспроводного оборудования.
Ранние слюдяные конденсаторы представляли собою слои слюды и медной фольги, сжатые вместе в «пакетные слюдяные конденсаторы». Они были ненадёжными, и из-за того, что между слоями слюды и фольги оставались воздушные зазоры, были подвержены коррозии и окислению, а расстояние между пластинами могло меняться, что приводило к изменениям ёмкости.
В 1920-х были разработаны слюдяные конденсаторы с применением серебра, в которых слюда была с обеих сторон заключена в металл, что устраняло воздушные зазоры. Благодаря тонкому металлическому покрытию их размер можно было уменьшить, и они были очень надёжными. Конечно, развитие не остановилось на этом. Давайте рассмотрим историю современных конденсаторов, отмеченную рядом прорывов, следовавших один за другим.
Керамика
Многослойные керамические конденсаторы вокруг микропроцессора
В 1920-х слюды в Германии было мало, и там экспериментировали с новыми поколениями керамических конденсаторов. Было обнаружено, что у рутила (диоксида титана) ёмкость линейно зависит от температуры, и они могут заменить слюдяные конденсаторы. Их сначала производили в небольших количествах, а затем более крупными партиями в 1940-х. Они состояли из дисков, покрытых с двух сторон металлом.
Для увеличения ёмкости использовалась ещё одна разновидность керамики, титанат бария, и у неё диэлектрическая постоянная была в 10 раз выше, чем у слюды или диоксида титана. Но электрически параметры у неё были менее стабильными, и в результате её можно было использовать вместо слюды только там, где не требовалось надёжности. После Второй Мировой этот недостаток был исправлен.
Начавшая работу в 1961 году американская компания представила многослойный керамический конденсатор (multi-layer ceramic capacitor, MLCC), у которого размеры были меньше, а ёмкость – больше. К 2012 году ежегодное производство MLCC из титаната бария достигало уже 1012 штук.
Алюминиевые электролитические
Электролитический конденсатор
В 1890-х Чарльз Поллак открыл, что слой оксида на алюминиевом аноде проявляет стабильность в нейтральной или щелочной среде, и получил в 1897 году патент на алюминиевый электролитический конденсатор с бурой. Первые «мокрые» электролитические конденсаторы» появились в радиоприёмниках в 1920-х, но их срок жизни был ограничен. «Мокрыми» их называли из-за содержания воды. Это была ёмкость с металлическим анодом, погружённым в раствор буры или другого электролита, растворённого в воде. Внешняя часть контейнера служила второй пластиной. Их использовали в телефонных АТС для уменьшения шума реле.
Патент на предка современного электролитического конденсатора был заявлен в 1925 году Сэмюэлем Рубеном. Он сделал бутерброд из гелеобразного электролита, расположенного между анодом, покрытым оксидом, и второй пластиной из металлической фольги, устранив необходимость в контейнере с водой. В результате получился «сухой» электролитический конденсатор. Всё это серьёзно уменьшило размер и стоимость конденсаторов.
В 1936-м компания Cornell-Dubilier представила свои алюминиевые электролитические конденсаторы, в которых были такие улучшения, как загрубление поверхности анода, помогавшее увеличить ёмкость. Компания Hydra-Werke, принадлежавшая AEG, примерно в то же время начала их массовое производство в Берлине.
После Второй Мировой быстрое развитие технологий радио и телевидения привело к увеличению производства конденсаторов и разнообразия их стилей и размеров. Среди улучшений были уменьшение утечек тока и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), увеличение температурных рамок и срока службы благодаря использованию новых органических электролитов. Дальнейшие разработки в 1970-1990-х годах продолжили эту тенденцию, уменьшая утечки, ESR и увеличивая рабочие температуры.
В начале 2000-х годов случилась т.н. «конденсаторная чума», из-за того, что производители использовали для изготовления конденсаторов украденный рецепт электролита, который оказался неполным. Отсутствие стабилизирующих компонентов приводило к раннему выходу конденсаторов из строя.
Танталовые электролитические
Танталовый конденсатор поверхностного размещения
Танталовые электролитические конденсаторы впервые начали изготавливать для военных нужд в 1930-х. Они использовали закрученную танталовую фольгу и жидкий электролит. В 1950-х в Bell Laboratories изготовили первый танталовый конденсатор с твёрдым электролитом. Они растирали тантал в порошок и спекали его в цилиндр. Сначала использовались жидкие электролиты, но потом было обнаружено, что диоксид марганца можно использовать в качестве твёрдого электролита.
И хотя основные изобретения были сделаны в Bell Labs, в 1954-м Sprague Electric Company улучшила процесс изготовления, и начала производить первые коммерчески доступные танталовые конденсаторы с твёрдым электролитом.
В 1975 появились полимерные танталовые электролитические конденсаторы с гораздо большей проводимостью. В них проводящие полимеры заменяли диоксид марганца, что приводило к уменьшению ESR. NEC выпустили полимерный танталовый конденсатор в 1995 году для поверхностного монтажа, а в 1997 за ними последовала и Sanyo.
Стоимость танталовой руды на рынке нестабильна, и пару раз скачки уже случались – в 1980 и в 2000/2001 годах. Последний скачок привёл к разработке ниобиевых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, свойства которых были примерно сравнимы с танталовыми.
Полимерная плёнка
Конденсаторы на полимёрной плёнке
Конденсаторы на металлизированной бумаге были запатентованы в 1900-м году Г.Ф. Мэнсбриджем [G.F. Mansbridge]. Металлизировали бумагу, покрывая её связующим веществом, содержавшим частички металла. В начале 1900-х их активно использовали как развязывающие конденсаторы в телефонии. Во время Второй мировой Bosch улучшила процесс и производила их, покрывая бумагу лаком, который затем покрывался металлом путём вакуумного напыления. В 1954-м Bell Labs изготовили металлизированную лаковую плёнку толщиной 2,5 мкм отдельно от бумаги, что позволило создавать конденсаторы ещё меньшего размера. Этот конденсатор можно считать первым полимерным.
Исследования пластика, проводимые специалистами по органической химии во время Второй мировой, привели к развитию этой темы. Одним из них в 1954 году стал первый майларовый конденсатор. Торговую марку «майлар» в 1952 году представила компания Dupont, и это был очень прочный полиэтилентерефталат (PET), плёнка на основе синтетического полиэфирного волокна. В 1954 был произведён конденсатор на майларовой плёнке толщиной 12 мкм. К 1959 году список включал конденсаторы, сделанные при помощи полиэтилена, полистирена, политетрафторэтилена (PTFE), PET и поликарбоната. К 1970-м в электронных устройствах использовались конденсаторы из плёнки и фольги без бумаги.
Двойные (суперконденсаторы)
Суперконденсаторы
И вот история приводит нас к последнему типу конденсаторов, и очень интересному, поскольку их ёмкость измеряется уже в тысячах фарад. В начале 1950-х исследователи в General Electric использовали свои наработки в области топливных ячеек и перезаряжаемых батарей для экспериментов с конденсаторами с пористыми электродами из углерода. Это привело к патенту Беккера на «Электролитический конденсатор низкого напряжения с пористыми углеродными электродами». GE не стала заниматься дальнейшими разработками, но заложенные в патент принципы привели к созданию конденсаторов очень высокой ёмкости.
Компания Standard Oil из Огайо разработала ещё одну их версию, и в итоге продала в 1970-х лицензию компании NEC, которая довела их до коммерческого варианта под торговой маркой «суперконденсатор». Они работали с напряжением в 5,5 В и имели ёмкости до 1 Ф. Они достигали объёма в 5 куб.см. и использовались в качестве резервного источника питания для компьютерной памяти.
Профессор Брайан Эванс Конвэй из Оттавского университета работал над электрохимическими конденсаторами из оксида рутения с 1975 по 1980 годы. В 1991 он описал разницу между суперконденсаторами и батареями в электрохимическом хранении заряда, а полностью описал различия в 1999 году, снова введя в оборот термин «суперконденсатор».
Продукты и рынки для суперконденсаторов постепенно появлялись. Известные торговые марки – это Goldcaps, Dynacap и PRI Ultracapacitor, последняя из которых связана с первыми суперконденсаторами, обладающими небольшим внутренним сопротивлением, разработанными в 1982 году компанией Pinnacle Research Institute (PRI) для нужд военных.
Относительно свежие разработки на рынке включают литий-ионные конденсаторы, в которых аноды из активированного угля покрываются ионами лития. Их ёмкость составляет тысячи фарад при напряжении в 2,7В.
