Долговечность керамических, танталовых и электролитических конденсаторов

Долговечность керамических, танталовых и электролитических конденсаторов

Конденсаторы являются основными элементами, которые ограничивают долговечность электронных устройств. Хотя срок службы конденсатора зависит от электрических факторов и факторов окружающей среды, срок безопасного хранения зависит главным образом от условий, в которых он находится. Срок службы большинства конденсаторов зависит от таких факторов окружающей среды, как влажность, температура и атмосферное давление. Хранение конденсаторов в сложных условиях может существенно повлиять на их электрические свойства и даже полностью повредить их.

Влияние факторов окружающей среды на долговечность конденсаторов варьируется в зависимости от химического состава и конструкции данного элемента. Например алюминиевые электролитические конденсаторы очень чувствительны к таким факторам, особенно к высоким температурам.

Конденсаторы содержат химические материалы и воздействие на них высоких температур ускоряет реакции, происходящие в них. Предполагается, что в случае алюминиевых электролитических конденсаторов повышение температуры на 10C может даже удвоить их скорость. Постепенное испарение электролита, в то время как эти конденсаторы подвергаются воздействию высоких температур, вызывает уменьшение емкости и увеличение тангенса угла потерь.

Обозначения

Стандарт 198 Американского союза электроники (EIA, Electronic Industries Alliance) определяет температурный коэффициент емкости (ТКЕ, он же TCC, temperature coefficient of capacitance) керамических конденсаторов. При использовании этих определений вы увидите такие обозначения диэлектриков MLCC конденсаторов, как Y5V, X7R и C0G. Каждая буква здесь имеет значение. Вы можете использовать таблицы ниже для расшифровки этих обозначений.

ppm – милионная доля, 10 -6 .

Расшифровка маркировки многослойных керамических конденсаторов (MLCC) с диэлектриками класса 1

Буква Значащее число температурного коэффициента, ppm/°C Цифра Множитель значащего числа Буква Допустимое отклонение температурного коэффициента, ±ppm/°C
C –1 G 30
B 0,3 1 –10 H 60
L 0,8 2 –100 J 120
A 0,9 3 –1000 K 250
M 1,0 4 –10000 L 500
P 1,5 5 +1 M 1000
R 2,2 6 +10 N 2500
S 3,3 7 +100
T 4,7 8 +1000
U 7,5 9 +10000
Расшифровка маркировки многослойных керамических конденсаторов (MLCC) с диэлектриками классов 2 и 3

Буква Минимальная температура (°C) Цифра Максимальная температура (°C) Буква Максимальное изменение емкости в температурном диапазоне (%)
Z +10 2 +45 A ±1,0 Класс 2
Y –30 4 +65 B ±1,5
X –55 5 +85 C ±2,2
6 +105 D ±3,3
7 +125 E ±4,7
8 +150 F ±7,5
9 +200 P ±10
R ±15
S ±22
*L от +15 до –40
T от +22 до –33 Класс 3
U от +22 до –56
V от +22 до –82

Класс I

Иногда называемые как NP0, C0G считаются ультрастабильными. Используя таблицу для расшифровки «имени», мы можем увидеть, то ТКЕ для C0G составляет ±30 ppm/°C (±30 миллионных долей на градус Цельсия) в номинальном температурном диапазоне. Другими словами, емкость C0G будет меняться незначительно из-за изменений температуры.

Промышленные конденсаторы C0G от KEMET изготавливаются с использованием уникального состава цирконата кальция. Этот материал является параэлектрическим, что обеспечивает его стабильность при прикладывании постоянного напряжения.

Поскольку классификация не определяет используемый материал, другие производители могут использовать различные составы или разные наборы материалов.

Классы II и III

Диэлектрики классов II и III используют немного отличающуюся от класса I систему именования.

  1. Первая буква представляет собой самую низкую температуру.
  2. Вторая цифра представляет собой максимальную температуру.
  3. Третья буква указывает максимальное изменение емкости, которое будет происходить между минимальной и максимальной температурами в заданном диапазоне.

Например, давайте рассмотрим X7R в таблице классов II/III. X означает –55°C, 7 означает +125°C, а R означает изменение емкости ±15% в пределах указанного температурного диапазона.

Разница между классами II и III заключается в том, насколько емкость будет изменяться при определенной температуре. Как правило, в качестве диэлектрика классов II и III используется титанат бария. Данный материал является сегнетоэлектриком, который является источником нестабильности емкости.

Зависимость относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика от температуры

По мере увеличения класса некоторые из отрицательных характеристик диэлектрика усиливаются.

Численные и численно-буквенные коды в маркировках конденсаторов

Обозначение наносится на корпус элемента. Первым обычно указывается номинальное напряжение в вольтах, за числами могут следовать буквы: В, V, VDC или VDCW. На корпуса небольшой площади значение номинального напряжения наносят в закодированном виде. Если указание на допустимую величину напряжения в цепи отсутствует, это означает, что конденсатор можно использовать только в низковольтных схемах. На корпусе должны быть знаки «+» и «-», указывающие на полярность подсоединения элемента в цепи. Несоблюдение указанной полярности может привести к полному выходу детали из строя.

Таблица для расшифровки буквенных кодов величины номинального напряжения керамических конденсаторов

Напряжение, В Код Напряжение, В Код
1 I 63 K
1,6 R 80 L
3,2 A 100 N
4 C 125 P
6,3 B 160 Q
10 D 200 Z
16 E 250 W
20 F 315 X
25 G 400 Y
32 H 450 U
40 C 500 V
50 J

Вторая позиция – знак фирмы-производителя или температурный коэффициент емкости (ТКЕ), который может отсутствовать. ТКЕ обычно обозначается буквенным кодом.

Таблица буквенных кодов ТКЕ для маркировки керамических конденсаторов с ненормируемым ТКЕ

Допуск при -60°C…+80°C, +/-, % Буквенный код Допуск при -60°C…+80°C, +/-, % Буквенный код
20 Z 70 E
30 D 90 F

Третья позиция – номинальная емкость, которая может указываться несколькими способами.

Основные производители

Керамические конденсаторы — устройства, в которых в качестве диэлектрика применяют керамику, имеющую малое значение Tg-угла потерь. Данный тип конденсаторов представлен в виде дисков и трубочек с посеребрённой поверхностью для низких (до 100 В) или горшкового и бочоночного типов для высоких (до 10 кВ) рабочих электрических напряжений. Наиболее популярная сфера применения данных изделий — ВЧ-цепи радиоаппаратуры. Эта разновидность конденсаторов востребована во всех сферах электроники: от военной и автомобильной до потребительской, промышленной и медицинской.

Купить данные керамические устройства недорого можно в интернет-магазине группы компаний «Промэлектроника». В каталоге представлены тысячи различных моделей.

Технология производства многослойных керамических конденсаторов

Ниже представлено описание технологического процесса производства многослойных керамических конденсаторов.

Этап I. Конденсаторный материал взвешивают на весах, сушат до постоянной массы в сушильном шкафу, просевают через механическое сито и подают на приготовление керамического шликера в барабанную мельницу.

Этап II. Для приготовления шликера в мельницу загружают спирты (этиловый и бутиловый), пластификатор, раствор поливинилбутираля (ПВБ). В реактор загружают остальное количество растворителей и пленкообразователя и перемешивают для получения раствора пленкообрзователя. Затем суспензию керамического материала из мельницы смешивают с раствором пленкообразователя в реакторе, снабженным турбинной скоростной мешалкой и водяной рубашкой, до образования шликера. Шликер выдерживают 10-12 часов для стабилизации и вакуумирования в специальном кюбеле, проверяют его вязкость, а затем заливают в емкость с фильерой и закрепляют в литьевой машине.

Этап III. Для литья пленки в основном используется метод литья через плавающую фильеру на металлическую движущуюся подложку. Керамическая пленка в литьевой машине подсушивается воздухом, нагретым до температуры 7З-80 о С, а затем она вместе с подложкой сворачивается в рулон и выдерживается 1–1,5 суток. Затем происходит отделение керамической пленки от подложки и визуальный контроль пленки на столе с подсветкой. Проверяется наличие видимых дефектов: складок и инородных включений.

Этап IV. Одновременно с формированием внутренних электродов в литьевой машине происходит сборка группового пакета конденсаторов, состоящего по периферии из 5–7 холостых слоев с двух сторон и 25–35 металлизированных слоев. Линия металлизации паст состоит из печатающего устройства, транспортной ленты, пресса и сушильного транспортера.

Этап V. Далее пакет прессуют на гидравлическом прессе. Прессование осуществляют в 4 этапа: вакуумирование перед сжатием; прессование малым давлением; дегазация пакета; прессование при температуре 50-90 о С и давлении 60–170 кг/см 2 .

Этап VI. Далее пакеты разрезают (рубят) на отдельные заготовки конденсаторов на резальной (рубочной) машине.

Отдельную небольшую партию заготовок пропускают по технологическому циклу до конца и затем проверяют у них электрофизические параметры. Это делается с целью оценки годности заготовок конденсаторов для дальнейших операций.

Этап VII. Заготовки конденсаторов проходят операцию утильного обжига в низкотемпературной печи при подъеме температуры с определенной скоростью до 350-400 о С, выдержке при максимальной температуре 24 часа и последующем охлаждении. Общее время утильного обжига 48 часов.

Этап VIII. Затем осуществляют мокрую галтовку заготовок конденсаторов в барабане, куда загружают мелющие тела, продолжительность 15–35 мин. Это делается с целью придания нужной шереховатости поверхности заготовки для последующего лучшего совмещения наружной металлизации с поверхностью конденсатора.

Этап IX. Окончательное спекание и формирование керамического монолита и контакта внутреннего электрода с керамикой осуществляется в камерной садочной печи (поз. 16). Максимальная температура спекания (1100–1350 о С) зависит от состава конденсаторного материала. Продолжительность спекания 48 ч.

Этап X. Затем методом трафаретной печати на торцы остальных заготовок конденсаторов наносят наружные электроды (поз. 18–21). Материал наружных электродов – серебро, или серебро-палладий (95/5). Вжигание наружных электродов осуществляют в туннельной печи (поз. 22) при максимальной температуре 780–800 о С.

Этап XI. Далее конденсаторы проходят сортировку по емкости, лазерную маркировку, проверку электропараметров, приемосдаточные испытания ОТК и ПЗ, упаковку и отгрузку на склад готовой продукции.

Виды конденсаторов

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

У бумажного конденсатора диэлектриком, разделяющим фольгированные обкладки, является специальная конденсаторная бумага. В электронике бумажные конденсаторы могут применяться как в цепях низкой частоты, так и в высокочастотных цепях.

Хорошим качеством электрической изоляции и повышенной удельной емкостью обладают герметичные металлобумажные конденсаторы, у которых вместо фольги (как в бумажных конденсаторах) используется вакуумное напыление металла на бумажный диэлектрик.

Бумажный конденсатор не имеет большую механическую прочность, поэтому его начинку помещают в металлический корпус, служащий механической основой его конструкции.

Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах, в отличии от бумажных, диэлектриком является тонкий слой оксида металла, образованный электрохимическим способом на положительной обложке из того же металла.

Вторую обложку представляет собой жидкий или сухой электролит. Материалом, создающим металлический электрод в электролитическом конденсаторе, может быть, в частности, алюминий и тантал. Традиционно, на техническом жаргоне «электролитом» называют алюминиевые конденсаторы с жидким электролитом.

Но, на самом деле, к электролитическим также относятся и танталовые конденсаторы с твердым электролитом (реже встречаются с жидким электролитом). Почти все электролитические конденсаторы поляризованы, и поэтому они могут работать только в цепях с постоянным напряжением с соблюдением полярности.

В случае инверсии полярности, может произойти необратимая химическая реакция внутри конденсатора, ведущая к разрушению конденсатора, вплоть до его взрыва по причине выделяемого внутри него газа.

К электролитическим конденсаторам так же относится, так называемые, суперконденсаторы (ионисторы) обладающие электроемкостью, доходящей порой до нескольких тысяч Фарад.

Алюминиевые электролитические конденсаторы

В качестве положительного электрода используется алюминий. Диэлектрик представляет собой тонкий слой триоксида алюминия (Al2O3),

  • работают корректно только на малых частотах;
  • имеют большую емкость.

Характеризуются высоким соотношением емкости к размеру: электролитические конденсаторы обычно имеют большие размеры, но конденсаторы другого типа, одинаковой емкости и напряжением пробоя были бы гораздо больше по размеру.

Характеризуются высокими токами утечки, имеют умеренно низкое сопротивление и индуктивность.

Танталовые электролитические конденсаторы

Это вид электролитического конденсатора, в котором металлический электрод выполнен из тантала, а диэлектрический слой образован из пентаоксида тантала (Ta2O5).

  • высокая устойчивость к внешнему воздействию;
  • компактный размер: для небольших (от нескольких сотен микрофарад), размер сопоставим или меньше, чем у алюминиевых конденсаторов с таким же максимальным напряжением пробоя;
  • меньший ток утечки по сравнению с алюминиевыми конденсаторами.

Полимерные конденсаторы

В отличие от обычных электролитических конденсаторов, современные твердотельные конденсаторы вместо оксидной пленки, используемой в качестве разделителя обкладок, имеют диэлектрик из полимера. Такой вид конденсатора не подвержен раздуванию и утечке заряда.

Физические свойства полимера способствуют тому, что такие конденсаторы отличаются большим импульсным током, низким эквивалентным сопротивлением и стабильным температурным коэффициентом даже при низких температурах.

Полимерные конденсаторы могут заменять электролитические или танталовые конденсаторы во многих схемах, например, в фильтрах для импульсных блоков питания, или в преобразователях DC-DC.

Что такое конденсатор?

Конденсатор — это деталь с двумя выводами (двухполюсник), позволяющая накапливать энергию.

Конденсатор характеризуется такой величиной, как ёмкость.

Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше энергии он может накопить и тем (грубо говоря) больше его габариты.

Конденсатор может не только накапливать энергию, но и отдавать ее.

Именно в таком режиме он чаще всего и работает.

Конденсатор, в отличие от транзистора, является пассивным компонентом, т.е. есть он не может генерировать или усиливать сигнал.

Что такое электролитический конденсатор?

Электролитический конденсатор — это такой конденсатор, внутри которого имеется электролит, покрывающий катод. В свою очередь, электролит выступает в качестве диэлектрика, который служит разделительным слоем между катодом и анодом.

Основной параметр всех конденсаторов, это емкость. У электролитических конденсаторов она гораздо больше, благодаря тонкому слою электролита. Емкость электролитических конденсаторов на порядок выше, чем у пленочных, керамических и, любых других конденсаторов.

Поэтому данный вид конденсаторов используется для хранения большого количества энергии. Где это нужно? В первую очередь для фильтрации различных шумов в источниках питания. Кроме этого, электролитические конденсаторы широко применяются в звуковоспроизводящей технике. Здесь они используются для разделения пульсирующего тока.

Назначение и функции конденсаторов

Конденсатор играет огромную роль как в аналоговой, так и цифровой технике. Они бывают электролитическими и керамическими, и отличаются своими свойствами, но не общей концепцией. Примеры использования:

  • Фильтрует высокочастотные помехи;
  • Уменьшает и сглаживает пульсации;
  • Разделяет сигнал на постоянные и переменные составляющие;
  • Накапливает энергию;
  • Может использоваться как источник опорного напряжения;
  • Создает резонанс с катушкой индуктивности для усиления сигнала.

Примеры использования

В усилителях обычно используются для защиты сабвуферов, фильтрации питания, термостабилизации и разделение постоянной составляющей от переменной. А электролитические в автономных схемах с микроконтроллерами могут долго обеспечивать питание за счет большой емкости.

В данной схеме транзистор VT1 постоянно открыт, чтобы усиливать звук без искажений. Но если вход замнется или на него поступи постоянный ток, то транзистор откроется, перейдет в насыщение и перегреется. Чтобы этого не допустить, нужен конденсатор. С1 позволяет отделить постоянную оставляющую от переменной. Переменный сигнал легко проходит на базу транзистора, а постоянный сигнал не проходит.

С2 совместно с резистором R3 выполняет функцию термостабилизации. Когда усилитель работает, транзистор нагревается. Это может внести искажения в сигнал. Поэтому, резистор R3 помогает удержать рабочую точку при нагреве. Но когда транзистор холодный и стабилизации не требуется резистор может уменьшить мощность усилителя. Поэтому, в дело вступает С2. Он проводит через себя усиленный сигнал шунтируя резистор, тем самым, не снижая номинальную мощность схемы. Если его емкость будет ниже расчетной, он начнет вносить фазовые искажения в выходной сигнал.

Чтобы схема качественно работала, обязательно хорошее питание. Когда схема в пиковые значения потребляет больше тока, то это всегда сильная нагрузка на источник питания. С3 фильтрует помехи по питанию и помогает снизить нагрузку. Чем больше емкость — тем лучше звук, но до определенных значений, все зависит от схемы.

А в блоках питания используется тот же принцип, как и в предыдущей схеме по питанию, но здесь емкость нужна гораздо больше. На этой схеме емкость элеткролита может быть как 1000 мкФ, так и 10 000 мкФ.

Еще на диодный мост можно параллельно включить керамические конденсаторы, которые будут шунтировать схему от высокочастотных наводок и шума сети 220 В.

Фазовые искажения

Конденсатор может искажать переменный сигнал по фазе. Это происходит из-за неверного расчета емкости, общего сопротивления и взаимодействия с другими радиодеталями. Не стоит забывать и о том, что любая радиодеталь имеет как реактивное, так и активное сопротивление.