Полимерные и гибридные конденсаторы: конструкции, характеристики, приложения
Конденсаторы, построенные на основе проводящих полимеров, характеризуются отличными электрическими характеристиками и высокой надежностью. Гибридная технология сочетает в себе преимущества электролитических и полимерных конденсаторов. В данной статье рассматриваются основные вопросы, касающиеся полимерных и гибридных конденсаторов.
С первого взгляда конденсаторы кажутся достаточно простыми электронными компонентами, но подобрать оптимальный конденсатор с каждым годом становится все сложнее. Дело в том, что за последние несколько лет разнообразие присутствующих на рынке компонентов значительно расширилось. В значительной степени это стало следствием развития полимерных конденсаторов (рис. 1).
Рис. 1. Разнообразие конденсаторов значительно увеличилось, в том числе благодаря развитию полимерных конденсаторов
В полимерных конденсаторах проводящий слой полимера выступает в качестве электролита.
- по электрическим параметрам;
- по уровню стабильности;
- по долговечности;
- по надежности;
- по безопасности;
- по стоимость жизненного цикла.
Различные полимерные и гибридные конденсаторы оказываются весьма близки по уровню напряжений, частотным характеристикам, рабочим параметрам окружающей среды и другим требованиям эксплуатации. В данной статье даются рекомендации по выбору оптимального конденсатора. В ней также рассматриваются конкретные приложения, в которых полимерные или гибридные конденсаторы будут более оптимальным выбором по сравнению с традиционными электролитическими или даже керамическими конденсаторами.
Конструктивные исполнения полимерных конденсаторов
Полимерные конденсаторы имеют четыре конструктивных исполнения с учетом гибридного варианта.
Между собой они отличаются типом корпуса, материалами электролита и электродов.
Многослойные полимерные алюминиевые конденсаторы используют проводящий полимер в качестве электролита и имеют алюминиевый катод (рис. 2). Эти конденсаторы перекрывают диапазон рабочих напряжений 2…35 В и характеризуются емкостью 2,2…560 мкФ. Отличительной чертой данного типа полимерных конденсаторов является их чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Например, некоторые из полимерных конденсаторов SP-Cap™ от Panasonic имеют значения ESR от 3 мОм, что является одним из самых низких значений в отрасли. Конденсаторы SP-Cap покрыты защитным слоем компаунда и предназначены для поверхностного монтажа. Благодаря хорошим электрическим характеристикам и компактному размеру они находят свое применение в различных портативных электронных устройствах и в других приложениях, требующих низкопрофильных компонентов, которые не будут мешать установке радиаторов.
Рис. 2. Конструкция многослойного полимерного конденсатора
Выводные полимерные алюминиевые конденсаторы также используют алюминиевые обкладки и проводящий полимер в качестве электролита, но имеют рулонную конструкцию (рис. 3).
Рис. 3. Конструкция выводного полимерного конденсатора
По сравнению с другими типами полимерных конденсаторов конденсаторы с рулонной конструкцией перекрывают более широкий диапазон рабочих напряжений и емкостей. Для них диапазон напряжений составляет 2,5…100 В, а диапазон емкостей 3,3…2700 мкФ. Как и рассмотренные выше многослойные полимерные конденсаторы, рулонные конденсаторы характеризуются чрезвычайно низкими значениями ESR. Некоторые из конденсаторов OS-CON™ от Panasonic имеют значения ESR мене 5 мОм (рис. 4). Существуют рулонные конденсаторы для поверхностного монтажа, хотя они все равно являются не столь компактными, как многослойные полимерные конденсаторы.
Рис. 4. Внешний вид конденсаторов OS-CON™ от Panasonic
Рис. 5. Конструкция полимерного танталового конденсатора
Полимерные танталовые конденсаторы охватывают диапазон рабочих напряжений 2…35 В и диапазон емкостей 3,9…1500 мкФ. Они также характеризуются низким значением ESR. Например, у некоторых моделей конденсаторов POSCAP™ от Panasonic значения ESR начинаются от 5 мОм (рис. 6). Конденсаторы POSCAP предназначены для поверхностного монтажа и являются самыми компактными на рынке. Например, размер POSCAP M составляет всего 2,0 x 1,25 мм. Существуют также и другие варианты типоразмеров.
Рис. 6. Внешний вид конденсаторов POSCAP™ от Panasonic
Полимерные гибридные алюминиевые конденсаторы.
Как следует из их названия, эти конденсаторы используют комбинацию жидкого и твердого электролита (проводящего полимера) и алюминий в качестве катода (рис. 7). Такая конструкция заимствует лучшие качества у различных типов конденсаторов. В частности полимер обеспечивает низкое значение ESR. В то же время, жидкая часть электролита может выдерживать высокие напряжения и гарантирует повышенную удельную емкость благодаря большой эффективной площади электродов. Гибридные конденсаторы характеризуются диапазоном рабочих напряжений 25…80 В и емкостью 10…330 мкФ. ESR у гибридных конденсаторов составляет 20…120 мОм, что выше, чему других полимерных конденсаторов, однако такой результат можно считать отличным, учитывая, что их используют в мощных приложениях.
Рис. 7. Конструкция гибридного полимерного алюминиевого конденсатора
Преимущества полимерных конденсаторов
Несмотря на различия в конструктивном исполнении и перечне используемых материалов, все рассмотренные выше типы полимерных конденсаторов имеют целый ряд общих важных достоинств:
Чтобы подтвердить самовосстанавливающуюся природу полимерных и гибридных конденсаторов, было проведено множество испытаний.
Рассмотрим отдельно преимущества гибридных полимерных конденсаторов.
Преимущества гибридных полимерных конденсаторов
Рабочие частоты современных электронных устройств постоянно увеличиваются, а их габариты наоборот уменьшаются.
Это делает гибридные конденсаторы все более привлекательными для самых разнообразных приложений.
Как уже было сказано выше, гибридные конденсаторы характеризуются отличной стабильностью параметров при работе на повышенных частотах. Они также обладают и целым рядом других преимуществ, которые делают их оптимальным выбором для таких приложений как компьютерные серверы, устройства резервного копирования, а также приводы электродвигателей, блоки управления автомобильным двигателем, камеры безопасности и светодиодное освещение.
Среди достоинств гибридных конденсаторов следует выделить:
Компактность и надежность гибридных конденсаторов совместно обеспечивают значительную экономическую выгоду, несмотря на высокую стоимость этих компонентов. Например, способность выдерживать значительные импульсные токи приводит к увеличению срока службы и снижению общей стоимости на 20%. В рассмотренном выше примере с блоком питания 48 В, стоимость гибридных конденсаторов составила только 50% от стоимости алюминиевых электролитов.
Теперь, когда проанализированы основные достоинства полимерных и гибридных конденсаторов, рассмотрим основные области их применения.
Полимерные и гибридные конденсаторы для IT-инфраструктуры
Слабым звеном в оборудовании для IT-сферы являются конденсаторы, используемые в источниках питания. Наиболее распространенной причиной преждевременного отказа электролитических конденсаторов становится высыхание жидкого электролита, что является следствием длительной работы в условиях повышенной температуры. Обычные танталовые конденсаторы являются одним из возможных решений этой проблемы. Однако, как было сказано выше, танталы оказываются весьма чувствительными к перенапряжениям. По этой причине, чтобы защититься от потенциального возгорания, разработчикам приходится использовать танталы при напряжениях меньше номинального.
Другим решением проблемы высыхания электролита становятся современные полимерные конденсаторы, которые позволяют увеличить жизненный цикл и надежность IT-оборудования, такого как серверы, коммутаторы, маршрутизаторы и модемы.
Полимерные конденсаторы с рулонной конструкцией, в частности OS-CON, не имеют жидкого электролита и поэтому имеют чрезвычайно долгий срок службы. Танталовые полимерные конденсаторы, например POSCAP, не содержат кислорода. Поэтому они не склонны к возгоранию при пробое. Конденсаторы SP-Cap имеют аналогичное «безопасное» поведение при отказе.
Все три семейства полимерных конденсаторов также обладают и другими важными достоинствами, востребованными в данном сегменте электронного оборудования:
- компактные размеры;
- низкое сопротивление ESR;
- способность выдерживать значительные импульсные токи;
- значительный срок службы.
Полимерные и гибридные конденсаторы для автомобильных приложений
Полимерные конденсаторы все чаще используются в автомобильной электронике.
В частности полимерные и гибридные конденсаторы от Panasonic отвечают следующим требованиям:
- Семейства POSCAP, OS-CON, а также гибридные полимерные конденсаторы соответствуют стандартам AEC.
- Конденсаторы производятся на сертифицированном предприятии.
- При производстве используется Production Part Approval Process (PPAP).
Полимерные и гибридные конденсаторы для промышленных приложений
Количество электронных устройств, используемых в промышленности, постоянно растет. Это приводит к необходимости повышения надежности, в том числе и конденсаторов. Задача усложняется тем фактом, что промышленные условия эксплуатации зачастую оказываются достаточно агрессивными.
Полимерные и гибридные конденсаторы идеально подходят для промышленных приложений, поскольку они обладают целым рядом важных достоинств:
- Длительный срок службы. Это преимущество особенно важно для промышленных установок со значительным сроком эксплуатации.
- Способность выдерживать значительные импульсные токи. Высокие импульсные токи являются следствием работы электродвигателей и емкостной нагрузки.
- Высокая рабочая температура. В промышленности оборудование зачастую эксплуатируется при повышенных температурах.
- Высокие рабочие напряжения.
- Высокая удельная емкость.
В качестве конкретных промышленных приложений для полимерных и гибридных конденсаторов можно привести приводы электродвигателей, силовые инверторы и промышленное освещение. Полимерные конденсаторы, например, POSCAP и SP-Cap могут применяться в системах управления и промышленных контроллерах, благодаря отличным электрическим характеристикам и компактным габаритам.
Заключение
Полимерные конденсаторы выпускаются с 1990 года. При этом они продолжают развиваться, как с точки зрения электрических характеристик, так и с точки зрения уменьшения габаритов. В качестве примера можно рассмотреть линейку многослойных алюминиевых полимерных конденсаторов от Panasonic.
Новые модели будут обладать еще меньшим последовательным сопротивлением (от 2 мОм) и еще большей емкостью (до 680 мкФ).
Новые танталовые полимерные конденсаторы также демонстрируют снижение ESR и уменьшение габаритов. Например, от конденсаторов типоразмера B с габаритами 3,5×2,8 мм следует ожидать падения ESR с 9 до 6 мОм.
Линейки гибридных конденсаторов также развиваются. Например, Panasonic предлагает новые модели с напряжениями 16 В и 100 В. Кроме того, срок службы и устойчивость к броскам тока для них будут увеличены.
Эти постоянные технические усовершенствования делают полимерные и гибридные конденсаторы все более привлекательной альтернативой традиционным танталовым конденсаторам и многослойным керамическим конденсаторам (MLCC).
Автор: Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)
Производители: Panasonic
Разделы: Конденсаторы электролитические танталовые, Конденсаторы электролитические алюминиевые
Опубликовано: 06.
11.2018
Конденсаторы Panasonic. Часть 3. Полимеры
16 августа 2019
универсальное применениеPanasonic Industrial Europe GmbHстатьяпассивные ЭК и электромеханика
Виктор Чистяков (г. Малоярославец)
Преимущества полимерных и полимерно-гибридных конденсаторов Panasonic над остальными типами конденсаторов – прекрасные частотные характеристики, самовосстановление, стабильная емкость и увеличенный срок службы.
На сегодняшний день среди выпускаемых Panasonic конденсаторов имеются четыре семейства с использованием электропроводящих полимеров (одно из них гибридное): SP-Cap, POSCAP, OS-CON, Hybrid. SP-Cap выполнены в низкопрофильном корпусе SMD. Они выделяются небольшим эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и столь же малым значением ESL (эквивалентной последовательной индуктивности), также у них – повышенное рабочее напряжение.
Полимерно-танталовые POSCAP также выпускаются в компактном корпусе SMD, они имеют низкое ESR, повышенные емкость и рабочее напряжение.
OS-CON выпускаются как в SMD, так и в цилиндрических корпусах. Они выделяются высоким рабочим напряжением и допускают повышенные пульсации тока.
Гибридные конденсаторы с проводящим полимером имеют увеличенное рабочее напряжение (80 В). У них низкое ESR, а прогнозируемая длительность эксплуатации (Endurance) составляет 4000 часов при рабочей температуре 125℃.
Все разновидности этих конденсаторов обладают целым рядом преимуществ в сравнении с обычными устройствами – керамикой, танталами, пленкой, электролитами. Особенности полимерной структуры этих конденсаторов представлены на рисунке 1. Как видим, электроды изготавливают из разных материалов, а в качестве электролита везде применяют электропроводящий полимер. Электроды делают из серебра, алюминия или тантала. Изолирующую пленку изготавливают из оксида алюминия или тантала.
Рис. 1. Структуры полимерных конденсаторов
В многослойных SP-Cap используют полимерный электролит и анод из алюминия. Диапазон номинальных емкостей у этого семейства 10…560 мкФ, а номинальные напряжения 2…35 В.
Конденсаторы SP-Cap отличаются очень небольшим ESR: 3 миллиома и менее. Это одни из самых малых значений.
SP-Cap имеют компактный низкопрофильный корпус из компаунда (рисунок 2), они широко применяются в портативной электронике.
Рис. 2. Полимер-алюминиевые конденсаторы SP-Cap
Конденсаторы OS-CON (рисунок 3) в цилиндрическом корпусе также используют электропроводящий полимер и алюминий. Номинальное напряжение у них 2…100 В, а емкость — 3,3…2700 мкФ. ESR у некоторых серий достигает 5 мОм. OS-CON также предназначены для поверхностного монтажа, но они и не столь компактные, как многослойные SP-Cap.
Рис. 3. Рулонные полимер-алюминиевые конденсаторы OS-CON
Конденсаторы POSCAP (рисунок 4) имеют танталовый анод и электролит из электропроводящего полимера. Рабочее напряжение составляет 2…35 В, данные конденсаторы имеют малые значения ESR и ESL, а номинальная емкость в диапазоне 3,9…1500 мкФ имеет стабильное значение в широкой полосе частот и при повышенной температуре.
Рис. 4. Полимер-танталовые конденсаторы POSCAP
В полимер-гибридных конденсаторах (рисунок 5) используют электролит совместно с электропроводящим полимером. В этом случае достигается повышенная проводимость и малое ESR. Жидкий электролит помогает работать при повышенном напряжении, а увеличенная эффективная поверхность электродов обеспечивает повышенную емкость. Рабочее напряжение гибридных конденсаторов составляет 25…80 В, а емкость 10…470 мкФ. Величина ESR находится в диапазоне 20…120 мОм. Она выше, чем у остальных полимерных семейств, но для цепей повышенной мощности все равно достаточно малая.
Рис. 5. Полимер-гибридные алюминиевые конденсаторы
В таблице 1 перечислены основные характеристики и различия полимерных семейств. Более детально познакомиться с особенностями технологии можно, посмотрев видеоролик.
Таблица 1. Сравнение полимерных конденсаторов Panasonic
| Наименование | SP-Cap | POSCA | OS-CON | Hybrid |
|---|---|---|---|---|
| Конструкция | Алюминий-полимерный (многослойный) | Полимерный танталовый | Алюминий-полимерный (рулонный) | Алюминиевый гибридный (полимер/электролит) |
| Номинальное напряжение, В | 2…35 | 2…35 | 2…100 | 25…80 |
| Емкость, мкФ | 10…560 | 3,9…1500 | 3,3…2700 | 10…470 |
| Рабочая температура, °C | -40…125 | -55…125 | -55…105, -55…125 | -55…105, -55…125 |
| Срок службы, ч | 1000 при 125°C (понижение на 20°C увеличивает срок в 10 раз) | 1000 при 125°C (понижение на 20°C увеличивает срок в 10 раз) | 2000 при 125°C (понижение на 20°C увеличивает срок в 10 раз) | 10000 при 105°C, 4000 при 125°C |
| ESR, мОм | до 3 | до 5 | до 5 | до 20 |
| Пульсирующий ток (Ripple), Аrms | до 10,2 | до 6,1 | 7,2 | 2,8 |
| Площадь на плате, мм | 7,3×4,3 | 2×1,25…7,3×4,3 | Ø4…10 | Ø5…10 |
| Высота, мм | 1,1…2 | 0,9…4 | 5,5…13 | 5,8…10,2 |
| Достоинства | Сверх низкое ESR, низкий профиль и приемлемая стоимость | Малый размер, большая емкость и низкое ESR | Высокое рабочее напряжение, большой ток пульсаций | Достаточно низкое ESR, c учетом повышенного рабочего напряжения |
Преимущества полимерных конденсаторов
При всех имеющихся различиях в конструкции и материалах, все четыре полимерных семейства конденсаторов Panasonic обладают и общим рядом важных достоинств в сравнении с другими популярными сегодня типами электролитических конденсаторов.
Прекрасные частотные характеристики
Благодаря очень малому ESR все полимерные семейства отличает пониженный импеданс в резонансной области частот, что позволяет пропускать через них повышенный импульсный ток в цепях питания. При тестировании оказалось, что пиковое импульсное напряжение при фильтрации помех (AC Ripple) здесь в пять раз ниже, чем на обычных танталовых конденсаторах, также отличающихся низким ESR.
Рис. 6. Сглаживание пульсаций тока на выходе источника питания
Механизм самовосстановления
Обеспечить повышенную надежность и безопасность в сложных условиях эксплуатации при повышенной температуре помогает присущий полимерным конденсаторам механизм самовосстановления.
Бывает так, что при перегрузках по напряжению, а также из-за случайных механических воздействий в обычном электролитическом конденсаторе происходит пробой диэлектрика, вызывающий выход конденсатора из строя, иногда с полным разрушением и опасными последствиями в виде возгорания.
Можно сказать, что присущий полимерным конденсаторам механизм самовосстановления купирует последствия пробоя диэлектрика за счет самоизоляции поврежденного участка, происходящего при разогреве полимера непосредственно возникающим током короткого замыкания.
Поэтому для полимерных конденсаторов гарантированно допустимыми являются условия эксплуатации при 90% от максимального напряжения. Тогда как для обычных танталовых конденсаторов безопасные условия выбирают с запасом по рабочему напряжению 50% и выше.
Стабильная емкость
Основной параметр конденсаторов – это электрическая емкость, она остается у полимерных конденсаторов неизменной или почти стабильной при повышенном напряжении смещения DC Bias (рисунок 7), а также при изменении температуры (рисунок 8) и частоты. В этом отношении полимерные конденсаторы выгодно отличаются от керамических, которые могут терять до 90% номинальной емкости.
Рис. 7. Изменение емкости конденсаторов в зависимости от напряжения смещения
Рис.
8. Изменение емкости конденсаторов в зависимости от температуры
Полимерные конденсаторы не вызывают присущего многослойным керамическим конденсаторам (MLCC) акустического шума. Причиной шума керамики является пьезоэффект при подведении к выводам напряжения с периодически меняющейся полярностью. Из-за этого конденсатор генерирует незначительные вибрации, которые распространяются по всей монтажной плате, как показано на рисунке 9.
Рис. 9. Полимерные конденсаторы не вызывают акустического шума
В таблице 2 указаны наилучшие параметры полимерных конденсаторов Panasonic.
Таблица 2. Наилучшие параметры полимерных семейств конденсаторов Panasonic
| Наилучший параметр | Максимальное напряжение, В | Максимальная емкость, мкФ | Минимальное ESR, мОм | Наименьший размер |
|---|---|---|---|---|
| Значение | 100/80 | 2700 | 3 | Размер 2012 |
| Наименование | OS-CON/Hybrid | OS-CON | SP-Cap | SP-Cap |
Срок службы
Обычные электролитические конденсаторы имеют довольно ограниченный срок службы в связи с высыханием имеющего жидкостную консистенцию электролита.
Полимерный электролит не имеет таких проблем со старением, а конденсаторы отличаются увеличенным сроком эксплуатации даже при повышенной рабочей температуре.
В таблицах 3 и 4 представлен заявленный срок службы для полимерных электролитических конденсаторов Panasonic.
Таблица 3. Срок службы гибридных конденсаторов Panasonic
| Гибридные конденсаторы | |
|---|---|
| Температура, °С | Срок службы, час. |
| 125 | 4000 |
| 115 | 8000 |
| 105 | 16000 |
| 95 | 32000 |
| 85 | 64000 |
| 75 | 128000 |
Таблица 4. Срок службы конденсаторов Panasonic OS-CON, SP-Cap и POSCAP
| OS-CON, SP-Cap, POSCAP | |
|---|---|
| Температура, °С | Срок службы, час. |
| 125 | 1000 |
| 105 | 10000 |
| 85 | 100000 |
Снижение рабочей температуры гибридных конденсаторов на каждые 10°С вызывает двукратное продление срока эксплуатации.
А для семейств OS-CON, SP-Cap и POSCAP снижение рабочей температуры на каждые 20°С приводит к десятикратному продлению этого параметра.
Применение полимерных конденсаторов
По целому ряду параметров полимерные конденсаторы превосходят традиционные танталовые и многослойные керамические конденсаторы (MLCC). Поэтому их часто применяют в электрических цепях развязки для фильтрации и сглаживания напряжения питания. При выборе конденсаторов в дополнение к электрическим параметрам учитывают их размер, форму и стоимость.
Например, применение полимерных конденсаторов вместо MLCC позволяет ускорить разработку электронных схем, упростить конструкцию и минимизировать занимаемое на плате пространство.
За счет сверхмалого ESR полимерные конденсаторы стали альтернативой привычным танталовым и оптимальной заменой керамических конденсаторов (MLCC). Преимущества, связанные с заменой керамики полимерами, иллюстрирует рисунок 10. Два конденсатора семейства POS-CAP способны заменить 18 MLCC в фильтре после входного AC/DC-преобразователя.
А один SP-CAP заменяет 15 MLCC в фильтре после вторичного источника питания DC/DC.
Рис. 10. Преимущества, связанные с заменой кремниевых конденсаторов полимерными
С учетом всего вышесказанного о достоинствах полимерных конденсаторов, полезными будут и рекомендации Panasonic по выбору фильтрующих конденсаторов на выходе вторичных источников питания (AC/DC и DC/DC) в сложной электронной схеме, как показано на рисунке 11 и описано в таблице 3.
Рис. 11. Примеры применения полимерных конденсаторов в цепях AC/DC и DC/DC
Таблица 5. Выбор фильтрующих полимерных конденсаторов для вторичных источников питания
| Позиция | Требования | SP-Cap | POSCAP | OS-CON | Hybrid |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Высокое напряжение (63…100 В), большой ток пульсаций (до 2,95 Аrms) | – | – | Серии SXV | Серии ZA |
| 2 | Высокое напряжение (63…100 В), низкое ESR (до 8 мОм) | – | – | Серии SVPK | Серии ZS |
| 3 | Большой ток пульсаций (Ripple Current), малый размер, низкий профиль | Серии CX | Серии TQS | Серии SVPF | – |
| 4 | Малое ESR/большая емкость | Серии S, L, G | Серии TPE, TPF | – | |
| 5 | Большой ток пульсаций | – | – | – | Серии ZK |
Конденсаторы на основе полимерной технологии Panasonic находят широкое применение в наиболее ответственных и работающих в жестких условиях системах управления, в телекоммуникационном оборудовании, в беспроводных системах и в радиосвязи, в промышленных электродвигателях и электроприводах, в измерительных приборах, в электромобилях и электропоездах (рисунок 12).
Рис. 12. Основные области применения полимерных конденсаторов Panasonic
Заключение
За последние несколько лет ассортимент электролитических конденсаторов значительно пополнился благодаря применению полимерных технологий. Полимерные конденсаторы впервые появились в 1990-х годах. С тех пор они непрерывно совершенствуются. В сравнении с традиционными конденсаторами, новые конструкции и параметры полимерных изделий зачастую значительно расширяют возможности разработчиков электронной техники. Эту особенность новинок демонстрируют использующие преимущества проводящих полимеров семейства Panasonic SP-Cap, POSCAP, OS-CON и Hybrid.
Более детально разобраться с особенностями применения конденсаторов Panasonic на основе полимерной технологии вы сможете в следующей, заключительной статье из цикла «Конденсаторы Panasonic».
Литература
- Understanding polimer and hybrid capacitors
- Polymer capacitor vs.mlccs
- Short on MLCCs? S.O.S. Choose Panasonic Polymer Series!
- Polymer capacitors speed up your design – the next stage of low esr
- Polymer capacitors. Speed up your FPGA design
Speed up your FPGA designСписок ранее опубликованных глав
- Виктор Чистяков. Конденсаторы Panasonic. Часть 1. Алюминий
- Виктор Чистяков. Конденсаторы Panasonic. Часть 2. Пленка
•••
Выбор конденсатора для приложений связи и развязки
Саймон Ндириту из General Dielectrics объясняет некоторые основные рекомендации по выбору конденсатора для приложений связи и развязки.
Конденсаторы являются основными компонентами как аналоговых, так и цифровых электронных схем. Эти пассивные компоненты играют важную роль, влияя на рабочее поведение цепей. Характеристики конденсатора различаются в основном в зависимости от используемого диэлектрического материала. Диэлектрический материал определяет значение емкости, энергоэффективность и размер конденсатора. Конденсаторы с фиксированной емкостью можно разделить на две категории: полярные (электролитические) и неполярные (электростатические). К неполярным конденсаторам относятся керамические, пленочные и бумажные конденсаторы.
Алюминиевые электролитические конденсаторы и танталовые конденсаторы являются полярными компонентами.
В цепях конденсаторы используются для самых разных целей, включая накопление электрических зарядов, блокировку компонентов постоянного тока, обход компонентов переменного тока, фильтрацию нежелательных сигналов и т. д. Применение конденсатора в первую очередь зависит от его характеристик. Ключевые свойства, которые следует учитывать при выборе конденсатора для данного приложения, включают значение емкости, номинальное напряжение, характеристики частотной характеристики, стоимость и физический размер. Другие свойства конденсатора, которые могут влиять на работу электронной схемы, включают температурные характеристики, свойства самовосстановления, старение и воспламеняемость.
Конденсаторы связи Конденсаторы связи используются в электронных схемах для передачи полезного сигнала переменного тока и блокировки нежелательных составляющих постоянного тока.
Эти нежелательные сигналы постоянного тока исходят от электронных устройств или предшествующих каскадов электронной схемы. В аудиосистемах компоненты постоянного тока влияют на качество полезного сигнала, внося шум. Кроме того, сигналы постоянного тока влияют на характеристики усилителей мощности и увеличивают искажения. В цепях конденсатор связи подключается последовательно с сигнальным трактом. Конденсаторы связи используются как в аналоговых, так и в цифровых электронных схемах. Они находят множество применений в аудио- и радиочастотных системах.
Реактивная природа конденсатора позволяет ему по-разному реагировать на разные частоты. В приложениях связи конденсатор блокирует низкочастотные сигналы постоянного тока и пропускает высокочастотные сигналы переменного тока. По отношению к низкочастотным компонентам, таким как сигналы постоянного тока, конденсатор имеет высокий импеданс, тем самым блокируя их. С другой стороны, конденсатор имеет низкий импеданс по отношению к высокочастотным компонентам.
Это позволяет пропускать высокочастотные сигналы, такие как компоненты переменного тока.
В аудиосистемах источники постоянного тока используются для питания аудиоцепей. Однако, поскольку аудиосигнал обычно представляет собой сигнал переменного тока, постоянная составляющая на выходе нежелательна. Чтобы предотвратить появление сигнала постоянного тока на выходном устройстве, последовательно с нагрузкой добавляется разделительный конденсатор.
Конденсаторы связи являются важными компонентами схем усилителей. Они используются для предотвращения влияния сигналов переменного тока на напряжение смещения транзистора. В большинстве схем усилителя это достигается путем передачи сигнала на вывод базы транзистора через разделительный конденсатор. Когда конденсатор с правильным значением емкости подключен последовательно, полезный сигнал может проходить, в то время как составляющая постоянного тока заблокирована.
Наличие компонентов постоянного тока в линии передачи может существенно повлиять на работу цифровой цепи.
В системах связи разделительные конденсаторы используются для блокировки нежелательных составляющих постоянного тока. Блокировка составляющей постоянного тока помогает свести к минимуму потери энергии и предотвратить накопление заряда в цифровых схемах.
Типы конденсаторов для приложений связи
При выборе конденсатора для приложений связи/блокировки постоянного тока ключевыми параметрами, которые следует учитывать, являются импеданс, эквивалентное последовательное сопротивление и последовательная резонансная частота. Значение емкости в первую очередь зависит от диапазона частот приложения и импеданса нагрузки/источника. Типы конденсаторов, которые обычно используются для связи, включают пленочные, керамические, танталовые, алюминиевые электролитические и алюминиево-органические/полимерные электролитические конденсаторы.
Танталовые конденсаторы обеспечивают высокую стабильность при высоких значениях емкости и доступны в различных вариантах. По сравнению с керамическими эти конденсаторы имеют более высокое ESR и более дорогие.
Для приложений связи танталовые конденсаторы более популярны, чем керамические конденсаторы.
Алюминиевые электролитические конденсаторы дешевле танталовых. Они обеспечивают стабильную емкость и имеют характеристики ESR, аналогичные танталовым конденсаторам. Однако эти конденсаторы имеют относительно большие размеры и не рекомендуются для схем с ограниченным пространством на печатной плате. Алюминиевые электролитические конденсаторы широко используются для связи в усилителях мощности.
Керамические конденсаторы недороги и доступны в небольших корпусах для поверхностного монтажа. Эти конденсаторы дешевле по сравнению с танталовыми конденсаторами. Хотя керамические конденсаторы обычно используются в аудио- и радиочастотных приложениях, они, как правило, не подходят для приложений, требующих превосходной производительности.
Большие физические размеры пленочных конденсаторов ограничивают их применение в сетях переменного тока. Если место не является проблемой, полипропиленовые и полиэфирные конденсаторы обладают характеристиками, которые делают их хорошим выбором для приложений связи в схемах предусилителя.
Некоторые электронные схемы очень чувствительны к скачкам напряжения, и быстрые изменения напряжения могут сильно повлиять на их работу. Развязывающие конденсаторы используются в электронных схемах для предотвращения быстрых изменений напряжения, действуя как резервуары электрической энергии. В случае внезапного падения напряжения развязывающий конденсатор обеспечивает электроэнергию, необходимую для поддержания стабильного напряжения питания. С другой стороны, если происходит внезапный скачок напряжения, конденсатор стабилизирует напряжение, поглощая избыточную энергию.
Помимо стабилизации напряжения в электронных схемах, развязывающие конденсаторы также используются для пропуска компонентов постоянного тока при замыкании компонентов переменного тока на землю. Конденсаторы, которые используются для обхода помех переменного тока в электронных схемах, также широко известны как обходные конденсаторы. Шунтирующие конденсаторы поглощают шумы переменного тока, создавая более чистый сигнал постоянного тока.
Для устранения помех переменного тока параллельно резистору ставится обходной конденсатор. Конденсатор обеспечивает высокое сопротивление низкочастотным сигналам и меньшее сопротивление высокочастотным сигналам. Таким образом, низкочастотные компоненты постоянного тока используют резисторный тракт, в то время как высокочастотные компоненты переменного тока шунтируются на землю через шунтирующий конденсатор. Это дает чистый сигнал постоянного тока, свободный от компонентов переменного тока.
Типы конденсаторов для развязки
При выборе конденсатора для развязки очень важно учитывать электрические требования конструкции. Ключевые параметры, которые следует учитывать при выборе шунтирующего конденсатора, включают самую низкую частоту сигнала переменного тока и значение сопротивления резистора. В большинстве случаев самая низкая частота составляет 50 Гц.
Хотя для развязки/шунтирования доступны различные типы конденсаторов, их характеристики заметно различаются в зависимости от используемого диэлектрического материала и структуры.
Эти два параметра определяют температурную стабильность, линейность, номинальное напряжение, физический размер и стоимость. Типы конденсаторов, которые обычно используются для развязки, включают керамические, танталовые и алюминиевые электролитические конденсаторы.
Производительность и стоимость керамических конденсаторов делают их популярным вариантом для приложений с развязкой. Эти конденсаторы имеют низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Кроме того, многослойные керамические конденсаторы (MLCC) доступны в широком диапазоне корпусов и значений емкости. Керамические конденсаторы являются отличным вариантом для развязки в высокочастотных цепях.
Алюминиевые электролитические конденсаторы переключающего типа обычно используются для развязки в низкочастотных и среднечастотных электронных схемах. Эти конденсаторы недороги, доступны в широком диапазоне значений емкости и имеют высокое отношение емкости к объему.
Однако алюминиевые электролитические конденсаторы подвержены температурному износу и имеют высокое ESR при низких температурах. Эти конденсаторы широко используются для развязки в потребительских товарах.
Твердотельные танталовые конденсаторы имеют высокую CV и менее подвержены износу. Кроме того, они демонстрируют впечатляющую стабильность при низких температурах. По сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами танталовые конденсаторы имеют более высокое отношение емкости к объему и более низкое ESR. С другой стороны, танталовые конденсаторы дороги и ограничены низковольтными приложениями, обычно до 50 В. Эти конденсаторы обычно используются в приложениях с более высокой надежностью.
Пленочные конденсаторы, такие как конденсаторы из полиэстера, полипропилена, тефлона и полистирола, имеют ограниченное применение для развязки. Хотя эти конденсаторы подходят для высоковольтных приложений и менее подвержены износу, стоимость их производства относительно высока.
Тем не менее, характеристики этих конденсаторов делают их подходящими вариантами для высоковольтных, сильноточных и аудиоразвязок.
Конденсаторы являются основными компонентами как аналоговых, так и цифровых электронных схем. Они используются для широкого спектра приложений, включая приложения связи, развязки, фильтрации и синхронизации. Конденсаторы связи пропускают компоненты переменного тока, блокируя компоненты постоянного тока. Развязывающие конденсаторы используются в электронных схемах в качестве резервуаров энергии для предотвращения быстрых изменений напряжения. Шунтирование конденсаторов очищает сигналы постоянного тока, шунтируя нежелательные компоненты переменного тока на землю. Конденсатор в значительной степени определяет производительность, срок службы и надежность электронной схемы. Поэтому рекомендуется использовать высококачественные компоненты, желательно от дистрибьюторов по франшизе или напрямую от производителя.
Похожие видео:
- Руководство по выбору конденсаторов и катушек индуктивности для связи и развязки
- Оптимизация конденсаторов развязки Соединение и фильтрация
- — как выбрать конденсаторы для
- Измерение, моделирование и симуляция конденсаторов и катушек индуктивности
Использование полимерных конденсаторов для развязки питания в усилителе тока — Результаты испытаний — Блог — Эксперименты с полимерными конденсаторами
Введение
Это результаты моих экспериментов по замене электролитических конденсаторов в цепи развязки моего усилителя тока на альтернативные полимерные конденсаторы.
Настройка теста описана в оригинальном блоге.
Большинство измерений были записаны с помощью Picoscope 3404A, за исключением выходного тока усилителя, который был записан с помощью настольного мультиметра Fluke 8846A. Поскольку пикоскоп имеет только 4 доступных канала, тесты проводились поэтапно. Первый для сбора измерений напряжения на входе, выходе и шинах питания, второй для измерения пульсаций переменного тока на каждой из линий питания и третий для захвата БПФ на выходе.
Входной сигнал в усилители контролируется Rigol DG1022, но для согласованности все измерения входного сигнала были взяты с пикоскопа, а не с DG1022.
Тесты были разделены на измерение эффектов при постоянной входной частоте 50 Гц, но нагрузка увеличивалась от холостого хода до 2,5 А за 6 шагов, достигаемых за счет увеличения входного напряжения на 1 В для каждого шага. Второй тест измерял влияние увеличения частоты при поддержании постоянного входного напряжения усилителя на уровне 1,55 В, что соответствует выходному току 1,0 А при частоте 50 Гц.
Я надеялся запустить две платы усилителя параллельно, чтобы провести тесты в виде прямого сравнения электролитических и полимерных конденсаторов. К сожалению, у меня просто не хватило тестовой аппаратуры для такой схемы, поэтому тесты проводились на одной плате усилителя за раз.
Неисправность конденсатора
Этот процесс выявил серьезную ошибку в исходной конструкции усилителя тока, которую я обнаружил только после того, как для тестирования были установлены конденсаторы большей емкости.
По какой-то причине, известной только мне в то время, глупый мальчик построил схему с конденсатором С8, подключенным с неправильной полярностью. Естественно, при двухканальном питании электролитические конденсаторы необходимо подключать положительной пластиной к земле, а не к отрицательной шине, как на исходной схеме, показанной ниже.
Мне удалось установить правильную полярность для C2, но не для C8.
Поскольку в оригинальной схеме использовались только конденсаторы емкостью 10 мкФ, отказ не был заметен, даже после удаления из схемы он не был очевиден без тщательного осмотра. На фото с макрообъективом видно только вздутие конденсатора слева.
Однако при наличии в цепи конденсатора большей емкости неисправность становится немного более очевидной.
У вас нет прав на редактирование метаданных этого видео.
Редактировать носитель
Размеры Икс МаленькийСреднийБольшойПользовательский
Тема (обязательно) Краткое описаниеТеги (через запятую)Видимость видео в результатах поискаVisibleHidden
Родительский контент
Еженедельный обзор задачи проектирования: 2–8 июня 2019 г.
Использование полимерных конденсаторов для развязки питания в усилителе тока — результаты испытаний
Плакат
Загрузить Предварительный просмотр
На момент видео вышла из строя плата 47 мкФ, но другая плата с установленными полимерными конденсаторами запиталась без проблем. Я подумал, не перегрел ли я конденсатор и не повредил ли его припаивая.
В таблице ниже показаны измерения конденсаторов, установленных на тестовых платах и в оригинальном усилителе тока.
Я никак не мог понять причину отказа, я видел много отказов конденсаторов и из видео знал, что в устройстве избыточное давление, но мне потребовалось немало времени, прежде чем я понял, что это проблема с полярностью.
При правильной установке конденсатора C8 испытания можно завершить. Я также вернулся и повторил тесты полимерных конденсаторов, переустановив их в правильной полярности.
Затем у меня был еще один глупый момент, когда я уничтожил эти результаты теста, чтобы не перепутать их, но, оглядываясь назад, они могли бы составить интересное сравнение.
Результаты тестирования
Каждая вкладка ниже содержит результаты тестирования конденсаторов, сгруппированных по номиналу. Поскольку основной целью испытаний было изучение разницы между электролитическим и полимерным конденсатором, влияние увеличения емкости развязки подробно не рассматривалось.
Измеренные значения напряжения являются максимальными значениями, зарегистрированными пикоскопом, за исключением напряжения пульсаций переменного тока, которое было принято как среднее значение, зарегистрированное за период сбора 20 отсчетов. Для пульсаций переменного напряжения полоса пропускания прицела была ограничена 20 МГц.
Флуктуации постоянного тока на шине питания представляют собой максимальный размах измерения для каждой шины питания.
| {tabbedtable} Tab Label | Tab Content | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Physical Fit | The size difference between the capacitors was immediately noticeable The original ‘wet Электролитические конденсаторы были из миниатюрной линейки, производимой Rubycon, и поэтому найти альтернативу было немного сложнее.
Конденсаторы Panasonic SEQP довольно велики, но в конце концов были найдены 10 мкФ, 47 мкФ и 100 мкФ, которые достаточно хорошо поместились бы на плате. Естественно, если вы проектируете плату с нуля, то это не будет проблемой, и плата будет спроектирована в соответствии с выбранными компонентами. Однако при замене конденсаторов существующей конструкции физические характеристики могут стать основным фактором.
Напротив, линейка полимерных конденсаторов от Kemet / Nichicon предлагает меньшие стили, которые лучше подходят для компонентов Rubycon. Некоторые фотографии рассказывают историю лучше;
Воздушное пространство, оставшееся вокруг различных типов и размеров конденсаторов, можно довольно четко увидеть. Расстояние между выводами конденсаторов также приводит к тому, что конденсаторы немного выступают над поверхностью платы для конденсаторов с расстоянием между выводами 3,5 мм.
Мне удалось подобрать полимерные конденсаторы Pansonic 220 мкФ, 16 В, чтобы они почти подходили физически, но они явно гордятся платой и раздвигают друг друга.
В конечном счете, все эти отпайки, удаление компонентов, повторная установка и отпайка привели к неизбежным повреждениям контактных площадок, и ближе к концу тестирования с конденсаторами на 100 мкФ мне пришлось удлинить вывод компонента до следующий доступный пэд. Это, конечно, может повлиять на результаты испытаний, хотя лично я считаю, что при таком плохо регулируемом источнике питания любой эффект будет минимальным.
| ||||||||
| Конденсаторы 10 мкФ | Для удобства отображения выполненные измерения показаны в 3 отдельных таблицах, по одной для каждой марки конденсатора.
Таблица для конденсатора Rubycon содержит 2 дополнительных результата нагрузочных испытаний. Первоначальная концепция заключалась в том, чтобы применять нагрузку с точки зрения шагов выходного тока, но это оказалось слишком привередливым, и от него отказались в пользу простого увеличения входного напряжения на 1 В за раз. Усилитель имеет максимальный непрерывный выходной ток от 3А до 5А кратковременно. Выше 3А было обнаружено, что выход усилителя недостаточно стабилен для извлечения показаний. Поэтому во всех будущих тестах входное напряжение 2,8 В и 6 В отбрасывалось.
Все показания являются измерениями, за исключением коэффициента усиления усилителя, который рассчитывается как отношение пикового к пиковому значению входного и выходного напряжения.
На первом графике отображаются средние значения каждого параметра из всех проведенных тестов. Второй график отображает те же данные с измерениями электролитического конденсатора Rubycon емкостью 10 мкФ, установленными в качестве базовой линии, и данными для других конденсаторов, отображаемыми как отклонение от этой базовой линии.
Можно видеть, что оба полимерных конденсатора показывают небольшое увеличение номинального напряжения питания, но при увеличении менее чем на 5% улучшение, вероятно, не так уж полезно. Оба полимерных конденсатора показывают увеличение напряжения пульсаций переменного тока по сравнению с электролитическим эквивалентом, самое большое увеличение составляет чуть менее 20%. Полимерный конденсатор Panasonic показал более низкий уровень флуктуаций постоянного тока, немногим более 10%, тогда как конденсатор Kemet показал увеличение.
На следующих двух графиках показано влияние колебаний постоянного тока в шинах питания при увеличении нагрузки, а затем частоты.
По мере увеличения нагрузки на первом графике наблюдается постоянное увеличение колебаний подачи. При входном напряжении до 2 В, что эквивалентно примерно 1,3 А на выходе, колебания относительно стабильны на всех трех конденсаторах на обеих шинах. Выше этой нагрузки колебания носят более спорадический характер, и реальной корреляции между различными типами конденсаторов нет.
При изменении частоты наблюдается другой отклик. Уровень флуктуаций постоянного тока намного ниже, чем при изменении нагрузки, как и следовало ожидать. Для электролитического конденсатора показания относительно стабильны во всем диапазоне до достижения выходной частоты 20 кГц, когда наблюдается резкий рост. Данные для полимерных конденсаторов показали противоположную реакцию с высоким уровнем колебаний, наблюдаемым на более низкой частоте, который затем падает с увеличением частоты.
Для пульсаций переменного тока аналогичная реакция наблюдается при увеличении нагрузки, при этом пульсации переменного тока возрастают по мере приложения нагрузки таким же образом, как и для колебаний постоянного тока. Для пульсаций переменного тока более высокие уровни снова видны на самой низкой частоте, но скачкообразное увеличение на высокой частоте, наблюдаемое в флуктуациях постоянного тока, не повторяется для пульсаций переменного тока. Что касается частотной характеристики, то электролитический конденсатор показывает немного более стабильный график, чем два полимерных конденсатора.
Некоторые примеры графиков собранных данных приведены ниже.
Представляет собой данные, собранные для электролитических конденсаторов емкостью 10 мкФ с входным напряжением 1,55 В при частоте 50 Гц и выходным током 1 А.
Те же условия испытаний, что и выше, но с установленными полимерными конденсаторами Panasonic емкостью 10 мкФ.
Это измерение пульсаций переменного тока для входного напряжения 1,55 В, 50 Гц для полимерных конденсаторов Panasonic.
Короткий 100-секундный видеоролик, демонстрирующий захват осциллографом сигналов.
У вас нет прав на редактирование метаданных этого видео. Редактировать носитель Размеры Икс МаленькийСреднийБольшойПользовательский Тема (обязательно) Краткое описаниеТеги (через запятую)Видимость видео в результатах поискаВидимыйСкрытый Родительский контент Использование полимерных конденсаторов для развязки питания в усилителе тока — результаты испытаний Плакат Загрузить Предварительный просмотр
В таблице ниже показано усиление усилителя по серии проведенных тестов.
Результаты достаточно стабильны для всех трех конденсаторов. Полимерный конденсатор Panasonic показывает очень похожую реакцию на электролитический. Полимерный конденсатор Kemet показывает несколько более жесткие результаты испытаний по сравнению с двумя другими конденсаторами. Ничто из этого не будет расцениваться как существенное отличие, представляющее определенное улучшение.
На приведенном выше графике показан выходной ток, измеренный при увеличении частоты, в зависимости от типа установленного конденсатора. Видно, что выходной ток для конденсатора Panasonic емкостью 10 мкФ был ниже во всех точках измерения. Испытания этого конденсатора проводились позднее, что может повлиять на результаты.
Было также проведено измерение температуры полимерных конденсаторов Panasonic емкостью 10 мкФ, к сожалению, для электролитических конденсаторов сравнительные измерения не проводились.
| ||||||||
| Конденсаторы 47 мкФ | Ниже приведены три отдельные таблицы данных для каждого из конденсаторов 47 мкФ.
Как и прежде, это показания пикоскопа, рассчитанные от входного до выходного напряжения и пиков усиления 3404A, с усилителями.
Общий средний график показывает тенденцию, аналогичную результатам теста 10 мкФ. Как правило, полимерные конденсаторы создают более высокое содержание пульсаций в питании, чем электролитические конденсаторы. Флуктуации постоянного тока, кажется, лучше с полимерным конденсатором Panasonic, но улучшение составляет менее 10%.
Уровень напряжения питания на всех конденсаторах одинаков: полимерный конденсатор Nichicon показал несколько лучшую производительность, но ничего такого, что можно было бы считать значительно лучшим.
Результаты теста на колебания постоянного тока можно увидеть выше. Нагрузочные испытания показывают ступенчатое увеличение колебаний подачи по мере увеличения нагрузки. Рост достаточно постоянен для конденсаторов Rubycon и Nichicon.
Как и в случае с конденсатором емкостью 10 мкФ, пульсации напряжения переменного тока максимальны при самой низкой частоте. Затем уровень падает по мере увеличения частоты. Когда частота превышает 10 кГц, для всех конденсаторов наблюдается небольшой подъем.
Результаты испытаний на пульсации переменного тока несколько отличаются от результатов для конденсаторов емкостью 10 мкФ. Электролитический конденсатор демонстрирует возрастающую тенденцию к пульсациям переменного тока по мере увеличения нагрузки, как и в случае с флуктуациями постоянного тока. Оба полимерных конденсатора демонстрируют постоянный уровень пульсаций переменного тока во всем диапазоне нагрузок для тестов, это не ожидаемое поведение.
Аналогичное поведение наблюдается для графика частотной характеристики. Пульсации переменного тока для электролитического конденсатора остаются относительно высокими по сравнению с полимерными конденсаторами во всем диапазоне частот.
Отклик полимерных конденсаторов соответствует результатам испытаний 10 мкФ. Начальная высокая пульсация переменного тока на частоте 50 Гц падает по мере увеличения частоты и остается на гораздо более низком уровне. Однако фактические уровни пульсаций переменного тока кажутся намного ниже и не могут быть объяснены. Тесты проводятся независимо и в разное время, так как конденсаторы необходимо физически поменять местами с платами, поэтому маловероятно, что одна и та же экспериментальная ошибка была бы допущена в двух разных случаях.
Поскольку отклик обоих полимерных конденсаторов одинаков, кажется, что это будет действительный результат теста.
Ниже приведены примеры графиков данных, полученных при выходном токе 2,5 А и частоте 50 Гц.
Это график электролитического конденсатора 47 мкФ Это график конденсатора Panasonic 47 мкФ Это график пульсаций переменного тока для электролитического конденсатора 47 мкФ.
Коэффициент усиления на выходе усилителя был рассчитан и сравнен в следующей таблице.
На этот раз электролит показал характеристики, аналогичные полимерным конденсаторам Nichicon. Конденсатор Panasonic показал больший разброс по коэффициенту усиления, в основном из-за высокого коэффициента усиления, наблюдаемого при тестировании входного напряжения 5 В от пика до пика на частоте 50 Гц, что привело к искажению результатов.
На графике показано падение выходного тока по мере увеличения частоты для всех конденсаторов. В этом случае конденсатор Rubicon 47 мкФ показал худшие результаты, причем два полимерных конденсатора достаточно хорошо согласованы друг с другом.
В данном случае была измерена температура электролитических и полимерных конденсаторов Panasonic емкостью 47 мкФ.
Температура, измеренная на полимерных конденсаторах, была на 10–16 % выше, чем на электролитических конденсаторах. Предположительно, это связано с более высокими флуктуациями постоянного тока и пульсаций переменного тока, измеренными на полимерном конденсаторе, и тестом на входе 4 В. | ||||||||
| Конденсаторы 100 мкФ |
Окончательные испытания конденсаторов 100 мкФ показаны в трех таблицах. Начальные участки показывают средние и базовые результаты для конденсатора 100 UF. Исходные данные для этого графика получены от конденсатора Rubycon емкостью 100 мкФ. В графике средних значений нет ничего примечательного: все три конденсатора, по-видимому, работают на одинаковом уровне. Базовый график показывает несоответствие результатов теста.
Средняя пульсация переменного тока ниже базовой для обоих полимерных конденсаторов на положительной шине питания. Однако отрицательная шина питания показывает увеличение пульсаций переменного тока для полимерных конденсаторов.
Уменьшенные уровни пульсаций по сравнению с электролитическими конденсаторами 47 мкФ не повторяются для конденсаторов 100 мкФ. Графики фактических значений могут дать объяснение этому.
Флуктуации постоянного тока соответствуют классической характеристике, показывая увеличение по мере увеличения нагрузки на усилитель. Частотная характеристика флуктуаций постоянного тока согласуется с предыдущими тестами, с самым высоким уровнем, наблюдаемым на самой низкой частоте, и все три конденсатора показывают уменьшение флуктуаций по мере увеличения частоты.
Реакция на пульсации переменного тока при изменении нагрузки соответствует колебаниям постоянного тока и хорошо согласуется с результатами других проведенных тестов под нагрузкой.
Еще несколько графиков, на этот раз для испытаний конденсатора 100 мкФ при максимальном непрерывном выходе 3 А.
График для электролитических конденсаторов емкостью 100 мкФ. График для полимерных конденсаторов Panasonic емкостью 100 мкФ.
Вы можете видеть, что для обоих графиков на выходе усилителя начинают появляться помехи. Для полимерного конденсатора данные были зафиксированы, когда флуктуация на шинах постоянного тока совпадает с пиком выходного сигнала усилителя, что приводит к отсечению выходного напряжения.
Ниже приведены соответствующие графики пульсаций переменного тока для того же теста.
100 мкФ электролитический конденсатор 100 мкФ полимерный конденсатор Panasonic.
Усиление усилителя по результатам теста можно увидеть в таблице ниже.
Эти результаты показывают наиболее стабильные из всех результатов усиления усилителя. Полимерный конденсатор Kemet имеет немного более узкий разброс, но не является статистически значимым. Результаты для полимерного конденсатора Panasonic немного искажены по сравнению с двумя другими, поскольку имеют более низкие минимальные и максимальные значения коэффициента усиления. Казалось бы, на работу усилителя это не повлияет.
На этот раз выбор между различными конденсаторами относительно выходного тока и частоты невелик.
Дальнейшие измерения температуры проводились с установленными конденсаторами емкостью 100 мкФ.
Электролитические конденсаторы Rubycon
Полимерные конденсаторы Panasonic . Это согласуется с измерениями температуры, сделанными при установке конденсаторов емкостью 47 мкФ. | ||||||||
| Выходные характеристики усилителя | Было проведено общее сравнение характеристик усиления и выходного тока усилителя. Две таблицы представляют собой сводку объединенных данных по всем проведенным тестам.
С точки зрения усиления усилителя результаты для конденсаторов Rubycon и Panasonic очень похожи и показывают почти одинаковый разброс. Конденсаторы Kemet/Nichicon дали более узкий разброс результатов и более высокое среднее значение, чем конденсаторы Rubycon и Panasonic.
С точки зрения нагрузочной способности все три набора конденсаторов в целом дали одинаковый разброс результатов. Комбинация Kemet и Nichicon дала немного более высокую среднюю токовую способность, чем две другие, но также имела более широкий разброс результатов.
Затем я отобразил данные в виде объединенных графиков, один для изменения нагрузки, а другой для изменения частоты.
График коэффициента усиления в зависимости от изменения нагрузки показывает разницу между конденсаторами разных производителей и номиналами конденсаторов.
График зависимости усиления от частотной характеристики показал еще более спорадическое поведение. Конденсатор Panasonic емкостью 100 мкФ показал наибольшее падение коэффициента усиления на более высокой частоте. Для конденсаторов 47 мкФ худший коэффициент усиления показал электролитический Рубикон. Конденсаторы емкостью 10 мкФ казались более сбалансированными по сравнению с их более крупными аналогами.
Затем такие же графики были построены для выхода нагрузки усилителя.
График выходного тока показывает четкую закономерность, за которой следуют все три конденсатора при изменении нагрузки, с очень небольшой разницей в производительности.
График зависимости нагрузки от частоты показывает некоторое сходство в поведении. Конденсаторы большего размера, по-видимому, демонстрируют меньший ток для усилителя на более высокой частоте, чем более низкие значения емкости. Единственным явным исключением является конденсатор Rubycon 47 мкФ, который показывает явное падение допустимого тока на частоте 20 кГц по сравнению с двумя другими конденсаторами.
Сравнение влияния различных полимерных конденсаторов на выходной ток показано выше. До 20 кГц реальной разницы в выходном токе не наблюдается. На частотах 50 кГц и 100 кГц конденсатор 47 мкФ превосходит конденсаторы 10 мкФ и 100 мкФ. |
Оставленные (неверно)
Для анализа данных результаты были объединены в общие таблицы для создания графиков для интерпретации измерений.
Исключением является полимерный конденсатор Panasonic, который показывает гораздо более низкие измерения флуктуаций при самой высокой нагрузке. Это похоже на картину для конденсаторов 10 мкФ, но кажется более выраженной для конденсаторов 47 мкФ.
Это составляет 50 % от полной нагрузочной способности усилителя и 83 % от его номинальной продолжительной выходной мощности.
Флуктуации постоянного тока выше для обоих полимерных конденсаторов. Это противоположно результатам с полимерными конденсаторами 10 мкФ и 47 мкФ.
Пульсации переменного тока во всем диапазоне частот также согласуются с предыдущими тестами, но показывают более высокие уровни пульсаций, аналогичные наблюдаемым в тестах 10 мкФ.
Неудобно уловить какую-либо реальную картину, кроме двух высоких пиков при тестировании входного напряжения 5 В для групп конденсаторов 10 мкФ и 47 мкФ. Все три конденсатора по 10 мкФ продемонстрировали повышенный коэффициент усиления усилителя при напряжении 5 В, но при установке 47 мкФ только конденсатор Panasonic показал скачок усиления усилителя. Два других конденсатора показали меньший коэффициент усиления.
Резюме
Первоначальная работа была направлена на определение потенциальных проблем и преимуществ использования алюминиево-полимерных электролитических конденсаторов в настоящее время для развязки питания в схеме усилителя тока, принятой «мокрые» электролитические конденсаторы.
Для этого был успешно проведен ряд тестов, включая мониторинг;
1) Физические характеристики установки
2) Расточитель питания, как выходной ток, варьируется
3) Расточительная пульса ток варьируется
Наборы тестовых данных были собраны для конденсаторов 10 мкФ, 47 мкФ и 100 мкФ, установленных в качестве конденсаторов развязки питания, от трех разных производителей.
1) Физические характеристики установки
Физически все конденсаторы можно сделать так, чтобы они соответствовали текущей схеме печатной платы усилителя. Было отмечено, что используемый Panasonic диапазон SEQP был немного больше для размеров 10 мкФ и 47 мкФ. Они по-прежнему подходят, но в долгосрочной перспективе уменьшенное воздушное пространство вокруг компонентов может привести к более высоким рабочим температурам. Электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ от Rubycon был самым большим конденсатором в целом, и его было трудно правильно установить.
Это был компонент с номинальным напряжением 25 В, и его размер можно было уменьшить за счет снижения номинального напряжения, что необходимо было сделать для обоих диапазонов полимерных конденсаторов. Из-за ошибки в исходной схеме был установлен развязывающий конденсатор для отрицательной шины. в обратной полярности. Это привело к выходу из строя электролитических конденсаторов, но все полимерные конденсаторы, установленные в обратной полярности, продолжали работать и измерялись в пределах спецификации после их удаления.
2) Пульсации питания при изменении выходного тока
Полимерные конденсаторы показали увеличение пульсаций переменного тока на 15–20 % при увеличении выходного тока по сравнению с результатами испытаний эквивалентного электролитического конденсатора. Напротив, колебания постоянного тока на шинах питания были на 10–15% меньше, когда был установлен полимерный конденсатор Panasonic.
3) Пульсации питания при изменении выходной частоты
Пульсации питания были самыми высокими при измерении на самой низкой частоте для обоих типов конденсаторов.
По мере увеличения частоты пульсации уменьшались при любом типе установленного конденсатора. В какой-то конкретной контрольной точке падение флуктуаций постоянного тока было очевидным при установленном полимерном конденсаторе, но это не было постоянным во всем диапазоне проведенных тестов.
4) Выходной ток при изменении частоты
Максимальный ток усилителя оказался максимальным при установке конденсаторов меньшего размера. С установленными конденсаторами 47 мкФ наибольшая выходная мощность была достигнута с установленными полимерными конденсаторами. С установленными 100 мкФ это было обратным при максимальном выходе, когда были установлены «мокрые» электролитические конденсаторы.
5) Температура компонентов при изменении выходного тока
Для конденсаторов 47 мкФ и 100 мкФ были взяты два набора температур. Во всех случаях полимерные конденсаторы работали при более высокой температуре, чем «мокрые» электролитические конденсаторы.
