Долговременное хранение и консервация конденсаторов

Гребенщиков Павел

PDF версия

25.10.202015.03.2022 Производство электроники Статьи

В статье рассматриваются особенности хранения электролитических конденсаторов. Эти компоненты по праву считаются одними из самых ненадежных. За счет деградации электролита и электродов их емкость со временем падает (даже если конденсатор вообще не был в работе). При нарушении полярности в «электролитах» начинается деструкция с выделением газообразных продуктов – конденсаторы вспучиваются, и из них вытекает электролит.

Электронные компоненты хранятся по всему миру для использования во всех видах электронных изделий и систем. К сожалению, многие производители электронных систем относятся ко всем компонентам одинаково, учитывая их длительное хранение и использование. Обычно проблемы возникают при работе с высокотехнологичными, передовыми технологиями полупроводниковых компонентов.

Самые современные на сегодняшний день устройства содержат более 1 млрд транзисторов, каждый из которых должен функционировать в соответствии со спецификацией. Кроме того, эти высокотехнологичные устройства используют все более низкое внутреннее напряжение питания (теперь VВНУТР = 1,2 В) и все более высокие частоты переключения.

Эффект уменьшения рабочего напряжения позволяет сократить пороговое и детектирующее напряжения, делая элементы внутренней цепи более восприимчивыми к шуму, загрязнению и проблемам надежности. В результате уменьшения расстояний между транзисторами на кристалле процессы диффузии начинаются уже через небольшой срок после изготовления при обычном хранении полупроводниковых компонентов. Основной целью обеспечения долговременного хранения является защита от влажности. Влажность вызывает механические повреждения радиоэлектронных изделий, например коррозию внутренних слоев печатных плат, разбрызгивание припоя, нарушение паяемости, тепловой распад материалов, появление микротрещин в корпусе интегральных микросхем (ИМС), эффект попкорна и т.

д.

 

Конденсаторы электролитические

Как правило, электролитические конденсаторы имеют наибольшее значение емкости и обычно используются в схемах фильтрации источников питания. Как видно из рисунка 1, в алюминиевых электролитических конденсаторах в качестве основного материала применяется алюминий, а в качестве диэлектрика – тонкий оксидный слой порядка 0,01 мкм. Из-за больших значений емкости относительно размера алюминиевые электролитические конденсаторы получили наибольшее распространение среди всей номенклатуры конденсаторов, используемых в электронной промышленности.

Рис. 1. Строение алюминиевого электролитического конденсатора

Обычно электролитические конденсаторы состоят из двух слоев алюминиевой фольги – катодной и одной анодной с бумажной прокладкой, наполненной жидким электролитом.

Выбор электролитических конденсаторов по сравнению с другими типами конденсаторов (керамических, танталовых, полимерных, пленочных), как правило, определяется сочетанием стоимости, напряжения, емкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС).

Итак, электролитические конденсаторы:

• имеют одни из самых высоких показателей емкости среди конденсаторных технологий;
• обеспечивают эту емкость при относительно низких затратах и сравнительно высоком напряжении;
• емкость также относительно стабильна в диапазоне рабочего напряжения и температуры;
• ЭПС стремится быть выше, но импеданс является стабильным в зависимости от частоты (см. рис. 2).

Рис. 2. Характеристики импеданса алюминиевых, танталовых электролитических и керамических конденсаторов

Проблемы при хранении

Фактором, ограничивающим хранение конденсаторов, является целостность диэлектрика из оксида алюминия, который со временем разрушается, способствуя сокращению срока годности.

Длительное хранение электролитических конденсаторов может привести к высыханию электролита, снижению емкости и увеличению тока утечки.

Заметим, что большинство производителей конденсаторов не «гарантируют» срок службы свыше 15 лет из-за опасений, связанных с деградацией пробки.

Хранение электролитических конденсаторов при высоких температурах приводит к ускорению деградации уплотнительного материала. После разрушения уплотнительного материала может произойти чрезмерное испарение электролита, влияющее на электрические свойства конденсатора.

 

Испытания на ускоренное старение

Испытания на ускоренное старение показывают, что емкость конденсаторов уменьшается незначительно, но значительно увеличиваются ток утечки и ЭПС. Разница в емкости составила не более 10% и, как правило, компенсировалась широкими допусками в рейтинге производителей конденсаторов. Увеличение ЭПС составило около 65%, а утечка постоянного тока – более 400%.

 

Условия хранения

Одним из важных условий является хранение конденсаторов при пониженной влажности. Высокая влажность ускоряет окисление соединений элемента, влияя на их паяемость. Кроме того, необходимо следить, чтобы компоненты не подвергались воздействию солнечного света и повышенных температур, т. к. в результате разрушаются резиновые уплотнения. Ослабление механических уплотнений снижает общую надежность и ускоряет испарение электролита, в т. ч. уменьшает его емкость.

С точки зрения затрат и преимуществ рекомендуется использовать надежные контролируемые шкафы с сухим воздухом и активным осушителем, поддерживающие относительную влажность менее 5% и низкую температуру окружающей среды (10°C).

 

Периодические проверки конденсаторов

Согласно стандарту MIL-HDBK‑1131, алюминиевые электролитические конденсаторы MIL-PRF‑39018 должны быть пригодны для хранения и выпуска в течение 10‑летнего сертифицированного периода, рассчитанного с даты изготовления, при учете правильного хранения.

Конденсаторы военного класса должны проверяться каждые четыре года на соответствие требований по току утечки. Для конденсаторов промышленного класса этот период составляет три года.

Методы проверки должны быть визуальными и техническими. Рациональным для каждого теста является следующее:

• внешний оптический осмотр для выявления признаков коррозии;
• электрические параметрические измерения для выявления возможных несоответствий и отклонений по сравнению с исходной документацией;
• контроль утечки электролита (проверка деградации герметичных уплотнений). Целостность уплотнения проводится по методу 606 ГОСТ 28885–90;
• проверка на паяемость для определения деградации отделок припоя как на выводах меди из-за образования интерметаллидов медь–олово, так и на никелевой пластине из-за образования оксидов, богатых оловом.

 

Восстановление конденсаторов

При длительном хранении алюминиевые электролитические конденсаторы могут выйти из строя: эти компоненты необходимо периодически нагружать номинальным напряжением, чтобы поддерживать активность электролита. В противном случае со временем электролит в конденсаторе потеряет свою активность и станет непригодным для эксплуатации.

Влияние старения на конденсаторы во время хранения можно уменьшить или обратить вспять с помощью «риформинга», восстанавливающего внутренние свойства конденсатора. Суть данного метода состоит в подаче напряжения на конденсатор с контролем превышения указанного тока утечки. Напряжение постепенно увеличивается до номинального значения. Этот процесс приводит к образованию оксида алюминия, в результате чего восстанавливается диэлектрический слой.

Таким образом, его можно регенерировать путем подачи напряжения на компонент. Тем не менее, рекомендуется вообще не использовать конденсаторы, которые хранились в течение длительного времени.

Процесс восстановления путем подачи напряжения может быть разным для конденсаторов разных производителей. В качестве примера в таблице приведены рекомендации для подготовки конденсаторов от одного из производителей.

Таблица. Рекомендации для подготовки конденсаторов от одного из производителей

Срок хранения	Необходимые мероприятия	Время для подготовки
не более одного года	риформинг не требуется	без подготовки
от одного до двух лет	перед использованием подать напряжение в течение 1 ч	1 ч
от двух до трех лет	используется регулируемый источник переменного напряжения; в течение 30 мин прикладываются 25% напряжения; следующие 30 мин напряжение повышается до 50%; следующие 30 мин напряжение повышается до 75%; следующие 30 мин напряжение повышается до 100%	2 ч
более трех лет	используется регулируемый источник переменного напряжения; в течение 2 ч прикладываются 25% напряжения; в следующие 2 ч напряжение повышается до 50%; в следующие 2 ч напряжение повышается до 75%; в следующие 2 ч напряжение повышается до 100%	8 ч

Электролитические конденсаторы Chang

Активно работая с радиоэлектроникой, занимаясь починкой различных электроприборов, рано или поздно придется столкнуться с конденсаторами. Так как классические накопительные элементы имеют низкую эффективность в плане применения, компания Chang активно развивает направление производства электролитических конденсаторов. Их устройство, принцип работы, разновидности – нужно рассмотреть подробнее. 

Устройство и принцип работы

Прежде чем разбирать принцип работы и особенности электролитического конденсатора, нужно рассмотреть его строение. Конструкция состоит из следующих элементов:

• обёртка;
• отрицательный электрод;
• катодная фольга;
• бумага, которая пропитывается электролитом;
• анодная фольга;
• положительный электрод.

Принцип работы электролитических конденсаторов схож с их стандартными предшественниками. Однако, у данных электронных элементов есть одно важное преимущество – высокая удельная емкость. Это возможно за счет того, что в качестве диэлектрика применяется оксидная пленка небольшой толщины. Она обладает особыми вентильными свойствами, имеет высокую электрическую прочность.

Даже при высокой удельной емкости, размер электролитических конденсаторов остается компактным, а стоимость более чем доступной. Именно за это, подобные элементы из электроники пользуются большим спросом на мировом рынке.

Разновидности электролитических конденсаторов

В каталоге продукции RU Electronics можно найти различные виды электролитических конденсаторов. Зависимо от способа наполнения емкости электролитом, они бывают:

• оксидно-полупроводниковыми;
• оксидно-металлическими;
• сухими;
• жидкостными.

Если говорить о материале изготовления анода, это может быть тантал, алюминий, спеченный порошок, ниобий.

Особенности применения

Для того, чтобы использовать электролитические конденсаторы максимально эффективно, важно создавать запас в номинальном напряжении – от 0.5 до 0.6 его общей величины. Это важнейшее правило при использовании накопительных элементов в электроприборах, работающих с высокими температурами. 

Рабочая частота для электролитических конденсаторов, которые устанавливаются в цепях с переменным напряжением – 50 Гц. Чтобы работать с сигналами высоких частот, нужно снизить рабочее напряжение. В противном случае диэлектрик перегреется, емкость выйдет из строя.

В высоковольтном оборудовании должны применяться конденсаторы, которые собираются в одну систему последовательно (в цепочке). Для выравнивания уровня напряжения, в цепи добавляются резисторы. 

Электролитические конденсаторы от производителя Chang – являются одними из лучших в мире, в плане эксплуатационных характеристик. Они имеют множество преимуществ. Во-первых, надежность и долговечность применения. Во-вторых, компактные размеры. В-третьих, высокая удельная емкость. В-четвертых, низкая стоимость.

Количественный, температурно-калиброванный и работающий в режиме реального времени биосенсор глюкозы на основе симметрично-меандрирующего резистора и переплетенных конденсаторов

. 2021 28 ноября; 11 (12): 484.

дои: 10.3390/биос11120484.

Янчуань Ма ¹ , Тянь Цян ¹ , Миньцзя Гао ¹ , Джунге Лян ¹ , Янфэн Цзян ¹

принадлежность

• ¹ Факультет электронной инженерии, Школа инженерии Интернета вещей, Цзяннаньский университет, Уси 214122, Китай.

• PMID: 34940241
• PMCID: PMC8699495
• DOI: 10.3390/биос11120484

Бесплатная статья ЧВК

Янчуань Ма и др. Биосенсоры (Базель). 2021 .

Бесплатная статья ЧВК

. 2021 28 ноября; 11 (12): 484.

дои: 10.3390/биос11120484.

Авторы

Янчуань Ма ¹ , Тянь Цян ¹ , Миньцзя Гао ¹ , Джунге Лян ¹ , Янфэн Цзян ¹

принадлежность

• ¹ Факультет электронной инженерии, Школа инженерии Интернета вещей, Цзяннаньский университет, Уси 214122, Китай.

• PMID: 34940241
• PMCID: PMC8699495
• DOI: 10.3390/биос11120484

Абстрактный

Здесь мы предлагаем биосенсор глюкозы с преимуществами количественного определения, превосходной линейности, функцией калибровки температуры и обнаружением в реальном времени на основе резистора и конденсатора, в котором резистор работает как датчик температуры, а конденсатор работает как биосенсор. Резистор имеет симметричную меандрирующую структуру, которая увеличивает площадь контакта, что приводит к колебаниям сопротивления и эффективному мониторингу температуры раствора глюкозы. Конденсатор разработан с переплетенной структурой, которая полностью контактирует с раствором глюкозы, так что емкость чувствительно изменяется, и может быть реализован высокочувствительный мониторинг. Кроме того, полидиметилсилоксановый микрофлюидный канал применяется для достижения фиксированной формы, фиксированной точки и количественных измерений, которые могут устранить влияние, вызванное текучестью, формой и толщиной образца глюкозы. Раствор глюкозы в диапазоне температур 25–100 °C измеряется с вариациями 0,2716 Ом/°C и характеристикой линейности 0,9.993, гарантируя, что емкостной датчик может иметь эталонную информацию о температуре до определения концентрации глюкозы, достигая цели калибровки температуры. Предлагаемый биосенсор на основе конденсатора имеет чувствительность 0,413 нФ/мг·дл ^-1 , 0,048 нФ/мг·дл ^-1 , 0,011 пФ/мг·дл ^-1 ; отклики линейности 0,96039, 0,91547 и 0,97835; и время отклика менее 1 секунды соответственно при постоянном токе, 1 кГц и 1 МГц для раствора глюкозы с диапазоном концентраций 25–1000 мг/дл.

Ключевые слова: биосенсор; переплетенный конденсатор; микрожидкостный канал; симметричный резистор меандрового типа; калибровка температуры.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Цифры

Рисунок 1

( a ) Процесс изготовления…

Рисунок 1

( a ) Процесс изготовления металлической конструкции резистора и…

фигура 1

( a ) Процесс изготовления металлической конструкции резистора и конденсатора; ( b ) процесс изготовления микрожидкостного канала PDMS; ( c ) морфологический анализ; ( c–i ) профиль поверхности голого стекла; ( c–ii ) затравочный металл; ( c–iii ) затравочный металл после травления O ₂ ; ( d ) морфологический анализ; ( d – i ) СЭМ-изображение металла на стеклянной подложке; ( d–ii ) Рисунок из линий SU-8 на подложке Si; ( d–iii ) измерения высоты и ширины линейного рисунка SU-8.

Рисунок 2

( a ) Схема…

Рисунок 2

( a ) Схема спроектированного датчика: ( a–i ) показывает…

фигура 2

( a ) Схема спроектированного датчика: ( a–i ) показана структура микрожидкостного канала PDMS с размерами в мм, т.е. D = 2,6, w ₁ = 4,3, w ₂ = 0,1, а h ₁ = 4,2. ( b ) Датчик температуры на основе резистивной структуры: на вставке ( b–i ) показан микрожидкостный канал, в который вставлен раствор глюкозы; на вставке ( b–ii ) показана эквивалентная схема датчика температуры. ( c ) Биосенсор глюкозы на основе конденсаторной структуры: на вставке ( c – i ) показан микрожидкостный канал, в который вставлен раствор глюкозы; вставка изображения ( c–ii ) демонстрирует эквивалентную схему биосенсора глюкозы.

Рисунок 3

( и ) Принципиальная схема…

Рисунок 3

( a ) Схема датчика и экспериментальной установки; ( б…

Рисунок 3

( a ) Принципиальная схема датчика и экспериментальной установки; ( b ) вид измерения раствора, введенного в микрожидкостный канал, изображение вставки представляет собой образец глюкозы; ( c ) сборный датчик с металлической конструкцией; ( d ) изготовленный микрожидкостный канал из PDMS; ( e ) предложенные датчики, интегрированные с микрожидкостным каналом, изображение на вставке представляет собой измеритель LCR, который записывает экспериментальные данные.

Рисунок 4

( a ) Среднее…

Рисунок 4

( a ) Среднее значение реакции биосенсора резистора на…

Рисунок 4

( a ) Среднее значение отклика резистивного биосенсора на раствор глюкозы при различных температурах; ( b ) регрессионный анализ устойчивости (n = 9) при разных температурах.

Рисунок 5

Среднее значение трех измерений…

Рисунок 5

Среднее значение трех откликов биосенсора на основе конденсатора на разные концентрации…

Рисунок 5

Среднее значение трех откликов биосенсора на основе конденсатора на различные концентрации раствора глюкозы при: ( a ) частота сигнала постоянного тока; ( b ) частота сигнала 1 кГц; ( c ) Частота сигнала 1 МГц. Регрессионный анализ проводят для различных концентраций глюкозы (n = 10) при: ( d ) сигнал постоянного тока; ( e ) сигнал 1 кГц; ( f ) Сигнал 1 МГц.

Рисунок 6

( a ) Ответ…

Рисунок 6

( a ) Реакция голой микросхемы и конденсатора на разные…

Рисунок 6

( a ) Реакция голого чипа и конденсатора на различные концентрации раствора глюкозы в диапазоне температур 30–80 °C; ( b ) изменение наклона аппроксимирующей кривой между различными концентрациями раствора глюкозы и емкости, а также диапазон изменения емкости в зависимости от температуры.

Рисунок 7

Диаграмма плотности тока…

Рисунок 7

Диаграмма плотности тока конденсаторного биосенсора: ( a ) При постоянном токе и…

Рисунок 7

Диаграмма плотности тока биосенсора на основе конденсатора: ( a ) При постоянном токе и частоте сигнала 1 кГц; ( b ) при частоте сигнала 1 МГц.

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Похожие статьи

• Микроволновый биосенсор на основе RFID для бесконтактного обнаружения раствора глюкозы.

  Гао М., Цян Т., Ма Ю., Лян Дж., Цзян Ю. Гао М. и др. Биосенсоры (Базель). 2021 ноябрь 26;11(12):480. дои: 10.3390/биос11120480. Биосенсоры (Базель). 2021. PMID: 34940237 Бесплатная статья ЧВК.

• Надежный радиочастотный биосенсор многоразового использования, использующий микроволновый резонатор по технологии интегрированного пассивного устройства для количественного определения уровня глюкозы.

  Ким Н.Ю., Дхакал Р., Адхикари К.К., Ким Э.С., Ван С. Ким Н.Ю. и др. Биосенс ​​Биоэлектрон. 2015 15 мая; 67: 687-93. doi: 10.1016/j.bios.2014.10.021. Epub 2014 19 октября. Биосенс ​​Биоэлектрон. 2015. PMID: 25459060

• Высокочувствительный, количественный, линейный и не содержащий посредников микроволновый биосенсор на основе резонатора для обнаружения глюкозы.

  Кумар А. , Ван С., Мэн Ф.Ю., Чжоу З.Л., Чжао М., Ян Г.Ф., Ким Э.С., Ким Н.Ю. Кумар А. и др. Датчики (Базель). 2020 июль 20;20(14):4024. дои: 10.3390/s20144024. Датчики (Базель). 2020. PMID: 32698465 Бесплатная статья ЧВК.

• Биосенсор на основе микроволнового резонатора, основанный на диэлектрической проницаемости, основанный на технологии интегрированных пассивных устройств для идентификации глюкозы.

  Юэ В., Ким Э.С., Чжу Б.Х., Чен Дж., Лян Дж.Г., Ким Н.Ю. Юэ В. и др. Биосенсоры (Базель). 2021 9 декабря; 11 (12): 508. дои: 10.3390/биос11120508. Биосенсоры (Базель). 2021. PMID: 34940265 Бесплатная статья ЧВК.

• Быстрый, высокочувствительный и широкодинамический встречно-штыревой емкостной биосенсор глюкозы с использованием сенсорной мембраны, содержащей сольватохромный краситель.

  Хан М.Р., Халилян А., Канг С.В. Хан М.Р. и др. Датчики (Базель). 2016 февраль 20;16(2):265. дои: 10.3390/s16020265. Датчики (Базель). 2016. PMID: 261 Бесплатная статья ЧВК.

Посмотреть все похожие статьи

использованная литература

1. 1. Li HY, Lin HY, Lv WX, Gai PP, Li F. Не требующее оборудования и визуальное обнаружение нескольких биомаркеров с помощью бумажного биосенсора на основе люминогена, индуцированного агрегацией. Биосенс. Биоэлектрон. 2020;165:112336. doi: 10.1016/j.bios.2020.112336. — DOI — пабмед
2. 1. Бай Ю. , Сюй Т., Чжан С. Биосенсоры на основе графена для обнаружения биомаркеров. Микромашины. 2020;11:60. дои: 10.3390/ми11010060. — DOI — ЧВК — пабмед
3. 1. Гоу Ю., Лю Дж., Сунь С., Ван П., Ю З., Рен Д. Инерционная иммуномагнитная биоплатформа для эффективного обогащения циркулирующих опухолевых клеток. Биосенсоры. 2021;11:183. дои: 10.3390/биос11060183. — DOI — ЧВК — пабмед
4. 1. Ким Дж. , Кэмпбелл А.С., Ван Дж. Носимые неинвазивные эпидермальные датчики глюкозы: обзор. Таланта. 2018; 177: 163–170. doi: 10.1016/j.talanta.2017.08.077. — DOI — пабмед
5. 1. Заттерале Ф., Лонго М., Надери Дж., Ракити Г.А., Дезидерио А., Миеле С., Бегинот Ф. Хроническое воспаление жировой ткани, связывающее ожирение с резистентностью к инсулину и диабетом 2 типа. Фронт. Физиол. 2020; 10 doi: 10.3389/fphys.2019.01607. — DOI — ЧВК — пабмед

термины MeSH

вещества

Грантовая поддержка

• 61801146 / Национальный фонд естественных наук Китая
• 2021M691284/Китайский фонд докторантуры
• JUSRP12026/Фонды фундаментальных исследований для центральных университетов

Базовые знания о конденсаторах | Panasonic Industry Europe GmbH

Конденсаторы — это пассивные компоненты, накапливающие энергию и разряжающие накопленную энергию при необходимости.
Узнайте о его основных характеристиках и использовании, таких как структура, электрические символы, напряжение и ток.

Базовая структура конденсаторов

Проще говоря, конденсаторы — это компоненты, которые могут накапливать энергию и при необходимости высвобождать накопленную энергию. Из-за того, что запасенная энергия (зарядка) меньше, чем у батареи, конденсатор может обеспечивать ток только в течение короткого времени при высвобождении энергии (разрядке), но может повторять циклы зарядки и разрядки.

Емкость (C) может стать больше, если диэлектрическая проницаемость диэлектрика (Ɛ) больше, или поверхность электрода (S) больше, или изолятор (d) тоньше.

Структура:

1. Терминал
2. Электрод
3. Изолятор (диэлектрик)
4. Терминал

Символ цепи для конденсаторов

Обозначение цепи, используемое на схеме, указано в международном стандарте IEC 60617. В Японии был принят JIS C 0617 (1997, 1999), адаптированный к международному стандарту. Частично изменены схемные обозначения конденсаторов.

Новые символы были унифицированы в образовательных целях, однако, учитывая актуальность дизайна сайта компании, все еще постоянно используются некоторые старые символы. Здесь показаны типичные обозначения конденсаторов.

1. Конденсаторы (без полярности)
2. Конденсаторы электролитические (с полярностью)

Напряжение и ток конденсаторов

Благодаря внутренней изоляции в конденсаторе не протекает постоянный ток. Зарядка и разрядка осуществляются по изменению приложенного напряжения, поэтому создается впечатление, что в конденсаторе течет ток.

Объем тока в конденсаторе станет больше, если временное изменение напряжения станет больше, что показано по следующей формуле:

Ic = C * dVc/dt

• Ic: Ток конденсатора [А]
• C: Емкость [Ф]
• dVc/dt: Наклон кривой V-t

Пример 1: Форма сигнала зарядки и разрядки

Посмотрим на напряжение и ток конденсатора, который разряжается после зарядки от источника постоянного тока через резисторы.

На схеме, если мы переключимся на сторону зарядки, будет протекать пиковый ток V0/R1, и ток конденсатора станет меньше, а напряжение Vc станет выше.

Зарядка завершится, когда Vc = Vo и ток станет равным нулю.

Тогда, если мы переключимся на сторону разрядки, через нее будет протекать пиковый ток V0/R2, и ток конденсатора станет меньше, а напряжение Vc станет меньше. Разрядка завершится, когда Vc = 0 и ток станет равным нулю.

Здесь нам нужно понять, что величина тока конденсатора зависит от величины изменения напряжения конденсатора.

Кроме того, ток V0/R протекает, когда переключатель включен, и когда R = 0, теоретически будет протекать неограниченный ток, и зарядка-разрядка завершится в одно мгновение. Но на самом деле, под влиянием внутреннего сопротивления (ESR) конденсатора, сопротивления проводки и реактивного сопротивления не будет неограниченного тока.

Однако конденсатор имеет гораздо меньшее сопротивление по сравнению с батареей, поэтому он может осуществлять мгновенную зарядку и разрядку.

Пример 2: Форма волны переменного тока

Давайте посмотрим на напряжение и ток конденсатора, который подается с источником питания переменного тока.

В примере 1 мы упомянули, что величина тока, протекающего через конденсатор, зависит от величины изменения напряжения на конденсаторе, и это то же самое для сигналов переменного тока.

1. Когда напряжение возрастает от 0 В, ток сильно течет, но по мере замедления скорости роста напряжения ток уменьшается, а когда напряжение становится максимальным (нулевое изменение напряжения), ток становится равным нулю.
2. Когда напряжение начинает падать от максимального значения, начинает протекать отрицательный ток, а в точке, где напряжение становится равным нулю (изменение напряжения максимальное), ток становится максимальным.
3. и 4. работают так же, как указано выше.

Глядя на форму волны напряжения и тока, если форма волны напряжения представляет собой синусоидальную волну, форма волны тока также является синусоидальной волной, а форма волны тока сдвинута на 1/4 периода перед формой волны напряжения (фаза тока на 90 градусов впереди).

Кроме того, видно, что большой ток течет при большом изменении напряжения, другими словами, чем больше высокочастотное изменение напряжения, тем больше ток.

Текущий ток (действующее значение) в это время указывается следующим уравнением:

Ic = 2πf * C * Vc

• Ic: Ток конденсатора (действующее значение)
• π: Пи (3.14)
• f: Частота (Гц)
• C: Емкость (Ф)
• Vc: Напряжение питания (Вдейств.)

Основное использование конденсаторов

Как упоминалось ранее, конденсатор обладает тем свойством, что (1) зарядка и разрядка могут выполняться мгновенно, (2) постоянный ток недопустим, но проходит переменный ток, (3) переменный ток легче проходит, если частота выше , и мы используем конденсатор с такими характеристиками в электрической цепи.

Вот типичный пример схемы, как его использовать.

Разрядная цепь

Разрядная цепь — это цепь, которая приводит в действие подключенную нагрузку, разряжая заряд, хранящийся в конденсаторе. Поскольку конденсатор может мгновенно разрядить большой ток, он используется в качестве стробоскопа камеры или резервного источника питания на случай чрезвычайной ситуации.
В примере схемы, когда переключатель подключен к стороне источника питания, конденсатор заряжается, и зарядка прекращается, когда заряд накапливается до напряжения источника питания.
Когда выключатель подключен к стороне нагрузки (лампы), конденсатор начинает разряжаться и лампочка загорается.

Сглаживающая схема
Сглаживающая схема представляет собой схему, которая сглаживает пульсирующий поток после выпрямления переменного тока и преобразует его в постоянный ток.
Типичным примером является цепь питания. Конденсатор делает волну напряжения (пульсации, пульсирующий поток), которая выпрямляется диодным мостом, выпрямленным (двухполупериодное выпрямление в примере схемы) входного переменного напряжения более плоским.

Схема развязки
Как следует из названия, схема развязки представляет собой схему, в которой для изоляции связи сигнала используется конденсатор.
В этом примере при размещении конденсатора, как показано на рисунке, на пути прохождения сигнала, включающего высокочастотную составляющую переменного тока (шум) в основном переменном токе, только шумовая составляющая с высокой частотой проходит через конденсатор и отделяется, и после этого шумы не передаются.

Цепь соединения
Цепь связи — это цепь, в которой проходит только составляющая переменного тока, но не проходит составляющая постоянного тока.
Используется, когда вы хотите устранить влияние составляющей постоянного тока (также называемой отсечкой постоянного тока и т. д.) в цепи усилителя и т. д. аудиосигнала.

Характеристики конденсаторов

Идеальный конденсатор представляет собой только емкостную составляющую, а реальный конденсатор содержит составляющую сопротивления и составляющую индуктивности. Эти паразитные компоненты оказывают большое влияние на характеристики конденсатора. Упрощенная эквивалентная схема конденсатора показана на этом рисунке.

1. Емкость (Кл)
2. Сопротивление изоляции (IR)
3. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) или тангенс угла потерь (tanδ)
4. Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL)

Эти компоненты перечислены ниже.

Характеристика	Описание
Емкость (Кл)	Самое простое исполнение Возможны незначительные отклонения из-за производственных отклонений — Допуск емкости (± 5%, ± 10% и т. д.)
Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) Тангенс угла потерь (tanδ)	Значение, определяемое компонентом сопротивления в зависимости от типа диэлектрика, электрода и компонента сопротивления клеммы Если ESR (или тангенс δ) велико, выделение тепла из-за тока вызывает отказ — Допустимый ток регулируется (значение допустимого тока) Когда ESR (или tan δ) велико, эффект шумопоглощения снижается.
Сопротивление изоляции (IR)	Обратная величина тока утечки, в основном определяемая типом диэлектрика При низком значении IR потери из-за тока утечки увеличиваются (Ток утечки регулируется для алюминиевых электролитических конденсаторов и т. д.)
Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL)	Компонент индуктивности, создаваемый в основном конструкцией конденсатора При большом значении ESL индуктивная составляющая становится преобладающей в диапазоне высоких частот, и характеристики конденсатора исчезают.

Полное сопротивление, кроме того, является еще одной важной характеристикой. Проще говоря, импеданс – это отношение напряжения и тока в цепи переменного тока, которое соответствует сопротивлению в цепи постоянного тока. его символ — Z, а его единица — Ω, такая же, как сопротивление.

Полное сопротивление (Z) конденсатора определяется по следующей формуле (1), а абсолютное значение импеданса можно рассчитать по следующей формуле (2).

(1) Z = R + j 2 π f L + 1 / (j 2 π f C)

(2) Ι Z  I = корень (R ² + (2 π f L — 1 / (2) π f C)) ²

• Z: Полное сопротивление (Ом)
• Ом: Сопротивление = ESR (Ом)
• я: Воображаемое число
• π: Пи (3.14)
• f: Частота (Гц)
• I: Индуктивность = ESL (H)
• C: Емкость (Ф)

Из приведенных выше формул видно следующее.

В области низких частот полное сопротивление почти определяется емкостью (C).
Полное сопротивление определяется ESR на собственной резонансной частоте (частота, вытекающая из 2πf L = 1/(2πf C)).
В области высоких частот импеданс практически определяется ESL.
Это показано на графике справа.

Полное сопротивление Z конденсатора уменьшается с увеличением емкости (С) до собственной резонансной частоты, но на собственной резонансной частоте влияние С и ЭСЛ становится равным нулю и становится только ESR, после чего становится индуктивным (ESL) в области высоких частот.

При использовании конденсатора в его основном применении для поглощения шума (развязки) эффект поглощения шума определяется импедансом, поэтому необходимо выбирать детали в соответствии со следующими пунктами.

Частота шума и собственная резонансная частота конденсатора близки.
СОЭ маленькое.
В случае высокочастотного шума ESL мал.

Типы конденсаторов

Существуют различные типы конденсаторов в зависимости от используемых материалов и конструкции. Также в зависимости от типа характеристики разные, и он подбирается в дизайне исходя из этих характеристик. Основные типы конденсаторов показаны на рисунке ниже.

Конденсатор переменной емкости

Хотя конденсаторы постоянной емкости являются основными конденсаторами, существуют также конденсаторы переменной емкости, емкость которых может изменяться в определенном диапазоне.

Как правило, переменные конденсаторы изменяют емкость за счет изменения площади противоэлектрода. Среди переменных конденсаторов есть те, которые часто меняются (перестраиваемые конденсаторы) при настройке радиостанций, а также те, которые меняются один раз только для настройки (подстроечные конденсаторы) при сборке схемы.

Изменение емкости производится ручкой или отверткой, но так как это механически изменяемая конструкция, трудно изготовить конденсатор с большой емкостью и поэтому он имеет емкость небольшого уровня пФ (пикофарад).

Неполяризованные конденсаторы и поляризованные конденсаторы

Фиксированные конденсаторы грубо делятся на неполяризованные конденсаторы и поляризованные конденсаторы.

Неполяризованный конденсатор — это конденсатор, у которого полярность напряжения, подаваемого на выводы конденсатора, не регулируется, что означает, что любой вывод может быть положительным. Если это неполяризованный конденсатор, можно подавать напряжение, которое увеличивается и уменьшается от нулевого потенциала, поэтому его можно использовать непосредственно в цепи переменного тока.
Керамические конденсаторы и пленочные конденсаторы являются основными для неполяризованных конденсаторов, есть и другие, такие как слюдяные конденсаторы, бумажные конденсаторы и воздушные конденсаторы.

С другой стороны, поляризованный конденсатор — это конденсатор, у которого одна из двух клемм уже настроена на положительную сторону. Если это используется по ошибке, конденсатор выйдет из строя. Следовательно, существует ограничение, согласно которому поляризованный конденсатор должен использоваться при постоянном напряжении или напряжении, колеблющемся только в положительную сторону. Однако поляризованный конденсатор используется более широко, потому что его достоинство состоит в том, что его легче получить с небольшим размером и большой емкостью. К этой категории относятся алюминиевые электролитические конденсаторы, танталовые электролитические конденсаторы, конденсаторы из проводящего полимера (электролитические) и конденсаторы с двойным электрическим слоем.

Керамические конденсаторы

Керамические конденсаторы — это конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется керамика с высокой диэлектрической проницаемостью, и которые имеют следующие характеристики:

• Неполярные
• Отличные высокочастотные характеристики (низкое ESR)
• Высокая термостойкость
• Долгий срок службы

Первоначально это был однопластинчатый конденсатор высокого напряжения и малой емкости. Однако область его применения значительно расширилась после появления многослойных керамических конденсаторов, имеющих малые габариты и большую емкость за счет тонкопленочной слоистой структуры, а также появления температурной компенсации, преодолевающей его температурную характеристику (большой коэффициент изменения емкость из-за температуры), и он стал наиболее широко используемым конденсатором среди конденсаторов мира. Для температурной компенсации форма больше, чем у обычного типа с высокой диэлектрической проницаемостью, и трудно увеличить емкость, поэтому она используется в зависимости от применения.

Однако керамические конденсаторы также имеют недостатки, связанные со смещением по постоянному току (большой коэффициент изменения емкости из-за приложенного напряжения), пьезоэлектрический эффект (необычный шум из-за вибрации на высокой частоте) и растрескивание из-за температуры/механического удара. Эти пункты должны быть проверены при его использовании.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы представляют собой конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется пластиковая пленка, и имеют следующие характеристики:

• Неполярные
• Отличные высокочастотные характеристики (низкое ESR)
• Отличные температурные характеристики (скорость изменения емкости в зависимости от температуры мала)
• Долгий срок службы

По сравнению с керамическими конденсаторами пленочные конденсаторы имеют низкую теплостойкость; но они имеют отличные температурные характеристики и возможную высокую точность измерения емкости, а также отсутствие характеристик смещения постоянного тока, визжащего шума или проблемы растрескивания из-за температурных / механических ударов. Поэтому они представляют собой конденсаторы с более высокими характеристиками по сравнению с керамическими конденсаторами, однако имеют такие недостатки, как большие размеры и высокая цена. Поэтому они используются в диапазоне напряжения/емкости, который не может быть охвачен керамическими конденсаторами, с высокой производительностью и высокой точностью.
 

В зависимости от используемого диэлектрика пленочные конденсаторы имеют следующие особенности, используемые отдельно в разных приложениях.

Артикул	ПЭТ Полиэтилен Терефталат	ПП Полипропилен	ППС Полифенилен	PEN Полиэтиленнафталат
Цена за единицу пленки	◎	〇	×	△
Миниатюризация	◎	△	〇	◎
Термостойкость	〇	△	◎	◎
Влагостойкость	△	◎	〇	△
тангенс δ (СОЭ)	〇	◎	◎	〇
Применение	Подводящий провод типа Общего назначения	Провод типа Высокая частота/ток	Тип поверхностного монтажа Низкое напряжение Поток/Оплавление	Тип поверхностного монтажа Среднее напряжение Оплавление

◎: очень хорошо 〇: хорошо   △: не очень хорошо   ×: плохо

ПЭТ и ПП являются диэлектриками для выводных проводов. ПЭТ раньше использовался для общего назначения из-за его небольшого размера и низкой стоимости, а ПП использовался для высокой частоты / тока из-за его превосходных высокочастотных характеристик (низкий ESR). Однако ПП также характеризуется высокой безопасностью и повышенной влагостойкостью, а также благодаря развитию технологии миниатюризации пленочных конденсаторов из ПП, в настоящее время ПП находит более широкое применение.
PPS и PEN используются для поверхностного монтажа пленочных конденсаторов из-за их высокой термостойкости. Эти электрические характеристики указывают на то, что PEN близок к PET, а PPS близок к PP.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

Конденсаторы электролитические алюминиевые имеют конструкцию, в которой на поверхности алюминиевой фольги анода образуется пленка оксида алюминия, которая становится диэлектриком, а в качестве электролита используется жидкий электролит (состоящий из растворителя, в котором растворен электролит). электролит (катод).

Одной из особенностей алюминиевых электролитических конденсаторов является их большая емкость, которая достигается за счет увеличения площади поверхности электрода (S) за счет травления поверхности алюминиевой фольги для образования неровностей и формирования ультратонких (d) оксидных пленок на Уровень Ангстрема.

Однако их эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выше, чем у керамических и пленочных конденсаторов.

Алюминиевые электролитические конденсаторы являются изделиями с ограниченным сроком службы. Жидкий электролит испаряется в зависимости от температуры и постепенно проникает в уплотнительную резину. Следовательно, емкость уменьшается, а ESR со временем увеличивается, что в конечном итоге приводит к тому, что он находится в открытом состоянии (жидкий электролит высыхает).

При оценке срока службы алюминиевых электролитических конденсаторов обычно можно применять «двойной закон 10°C».

Танталовые электролитические конденсаторы

Основная конструкция танталовых электролитических конденсаторов почти такая же, как у алюминиевых электролитических конденсаторов. Пентаоксид тантала в качестве диэлектрика образуется на поверхности спеченного тела порошка металлического тантала, который должен быть анодом, а диоксид марганца (твердый) используется в качестве электролита.

Танталовые электролитические конденсаторы меньше, чем алюминиевые электролитические конденсаторы, обладают превосходными частотными характеристиками и имеют длительный срок службы (электролит твердый).

Тем не менее, поскольку аварийный режим представляет собой короткое замыкание и существует опасность воспламенения, необходимы контрмеры безопасности.

Конденсаторы из проводящего полимера

Конденсаторы из проводящего полимера представляют собой конденсаторы, в которых электролитом является проводящий полимер (твердый).

Электропроводность проводящего полимера в 10 000 раз выше электролитического раствора алюминиевых электролитических конденсаторов и в 1000 раз диоксида марганца танталовых электролитических конденсаторов, а его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) низкое, поэтому он более выгоден, чем другие электролитические конденсаторы для поглощения пульсаций.

Конденсаторы с двойным электрическим слоем

Конденсатор с двойным электрическим слоем представляет собой специальный конденсатор, имеющий промежуточную емкость между алюминиевым электролитическим конденсатором и вторичной батареей (батареей), и его емкость примерно в 1000 раз или более превышает емкость алюминиевого электролитического конденсатора , около 1/10 вторичной батареи.

В конденсаторе с двойным электрическим слоем нет диэлектрика, подобного электролитическому конденсатору. Вместо этого он использует двойной электрический слой, который формируется на границе между электродом и электролитом в зависимости от диэлектрика. Отсюда и название «двойной электрический конденсатор».

Заряд и разряд конденсаторов с двойным электрическим слоем основан на адсорбции/десорбции ионов на поверхности электрода из активированного угля, который используется для положительных и отрицательных электродов. Изменения двойного слоя из-за такой зарядки/разрядки показаны на следующем рисунке.

Конденсатор с двойным электрическим слоем имеет следующие характеристики по сравнению с вторичной батареей.

• Количество циклов заряда/разряда практически не влияет на ухудшение характеристик (не требует обслуживания)
• Легкая зарядка/разрядка (разряжается до 0 В, уровень энергии можно узнать по напряжению на клеммах, имеет следующие характеристики, заряжается как малым, так и большим током)
• Не подлежит природоохранному законодательству (сбор, утилизация, тарифы), как батареи

Таким образом, он используется в качестве резервного источника питания, например, для защиты данных памяти микросхемы при отключении питания.

Краткое описание типов и особенностей конденсаторов

До сих пор мы объясняли характеристики различных конденсаторов, и давайте суммируем сравнение каждого конденсатора в таблице ниже.

Артикул	*Керамика	Пленка	Алюминий Электролит	Тантал электролит	Проводящий полимер	Электрический двухслойный
Высокая емкость	△	×	〇	〇	△	◎
Высокое напряжение	〇	◎	〇	△	△	×
Долгий срок службы	◎	◎	△	〇	〇	△
Темп. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника