Конденсаторы для «чайников»
Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.
Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.
Начнём с простого
Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.
Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт. Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости εr использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.
Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора
С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.
Алюминиевые электролитические
Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.
На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.
У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.
Танталовые электролитические
Танталовый конденсатор поверхностного размещения
Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.
Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.
В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за тем, чтобы они не вышли из строя — бывает, что в таком случае они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.
Полимерные плёнки
Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ. У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.
Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.
Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.
Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.
Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.
В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.
Керамика
История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.
Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства. Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.
C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.
X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.
Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.
Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.
Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.
Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.
ДОМОСТРОЙСантехника и строительство
Конденсатор можно заменить только на другой конденсатор. Выделяют следующие разновидности:
Во время проведения ремонта электрических устройств часто требуется заменить сгоревший конденсатор. Однако зачастую найти аналог, который полностью соответствует оригиналу, не удается. В таких случаях возникает вопрос, чем можно заменить конденсатор, поскольку аналогов очень много.
Что такое конденсатор
Конденсатор представляет собой накопитель энергии для электротехнических изделий. Он состоит из двух проводников, которые разделены диэлектриком.
Принцип работы конденсатора
После подключения конденсатора к постоянному источнику питания, на его обкладках начинает накапливаться энергия. После накопления полного заряда, благодаря слою диэлектрика прерывается протекание электрического тока.
Когда отключен источник питания, в конденсаторе и на его выводах остается напряжение. Поскольку такой элемент имеет разную полярность, он может накапливать как положительную, так и отрицательную энергию.
На практике можно заметить, что работа конденсатора предусматривает различные утечки с потерями, несмотря на его предназначение.
Предназначение конденсатора
Электролитические конденсаторы широко применяются в качестве фильтров в блоках питания. Также их можно использовать, если сгорел пусковой конденсатор. Емкость конденсатора зависит от нагрузки. Конденсаторы также применяются в фильтрах низких, высоких частот. Они позволяют разводить частоты, не используя при этом активные элементы.
Пленочные конденсаторы устанавливают последовательно с применением питающего устройства. Их часто можно увидеть в блоках питания для маленьких устройств, например радиоприемниках. С помощью конденсаторов можно снизить нагрузку на устройство, предотвратив его перегревание.
Основные свойства конденсатора
Конденсатор может выступать в качестве:
Существует множество вариантов для использования данного элемента, все зависит от его особенностей.
Как провести замену конденсатора
Если конденсатор вышел из строя нужно найти ему замену. Для этого нужно выпаять нерабочий элемент и на его место поставить новый.
Но довольно часто такая простая процедура усложняется тем, что найти полностью соответствующий оригиналу конденсатор довольно сложно. Однако в таких ситуациях его можно заменить другим, с учетом нескольких условий.
Провести замену и найти аналог вышедшего из строя конденсатора довольно просто. Для этого необходимо знать особенности каждого вида конденсатора, его предназначение.
При выборе аналога обязательно учитывается максимальное напряжение, уровень емкости. Неправильно подобранный аналог не даст желаемого результата и придет в негодность.
Тема: Замена пленочных и других конденсаторов небольшой емкости на керамику C0G в старом транзисторном усилителе. Какой эффект?
Опции темы
Добрый день. Измерял параметры конденсаторов в усилителе, и столкнулся с тем что самым линейным оставляя далеко позади остальных оказалась керамика C0G? Можно ли взять и заменить все конденсаторы малой емкости (пленочные) в старом усилителе на такую керамику? Характеристики ее ведь лучше. Или есть какие то особенности которые я не учитываю? Вроде слишком низкого ESR.
Это мой первый усилитель в который я полез, и мне очень интересно с ним поэкспериментировать. Много уже что с ним бедным переделал. Но вопрос про керамику C0G для меня интересен в более широком плане, не только для конкретного усилителя, а в общем очень линейные характеристики у них, минусов, как у простой керамики типа термонестабильности, пьезоэффекта и прочего у C0G отсутствуют. Получается идеальный конденсатор вместо любого до 2uf
А какая это «простая»? NP0? X5? X7? Y5? Z5?
Вообще, еще напряжение есть, но почему именно «до 2мкф»?
На 2мкф, цена может не понравится.
Сильно не понравится.
Как и на 1мкф.
А какая это «простая»? NP0? X5? X7? Y5? Z5?
Вообще, еще напряжение есть, но почему именно «до 2мкф»?
На 2мкф, цена может не понравится.
Сильно не понравится.
Как и на 1мкф.
Я думал NP0 это тот же C0G.
А вот все остальные имеют существенные недостатки.
По напряжениям проблем нет, 50в-100в-200в и все в типоразмере 1206, который без проблем встанет вместо любого конденсатора в усилителе.
По поводу емкости согласен, из доступных максимум 100nf. Но это перекрывает почти все мелкие конденсаторы используемые в узнч. Не вижу ни одного недостатка, почему тогда все заморачиваются, fkp mkp и множество других если есть C0G. Должен быть где то подвох
А ты не думал, почему производитель поставил именно пленочные? Они ведь как правило дороже керамических, а в серийных изделиях принято экономить на всем. Ерундой не занимайся, понатыкав везде где можно керамики ты усилитель не улучшишь.
По даташитам, или по реальным независимым измерениям?
Мне бы интересно посмотреть измерения и сравнение, проведенное кем-то более-менее авторитетным.
потому что аудио, тут всегда тыкают не то что нужно, а то что традиционно принято
можно, если точно уверен, что это COG
ЦОГ это из термостабильности, но не всегда под видом ЦОГ получаешь именно его, особенно выводные корпусированные.
Пару раз мне попадались какие-то китайско-оптимизированные, которые были термостабильными но нелинейными.
И формально C0G и не придерешься.
ПС. Все эти восстановления/модернизации/изменения на слух не делаются.
Заменил->померял.
Иногда можно такого на модифицировать, что потом думаешь только кто этот дибил.
Брал для винил-корректора 4 конденсатора 0,22мкф 50в np0 в размере 1812 на маузере. Стоили примерно 150р за штуку. Пленка MKP стоит в 10 раз дешевле.
Очень не факт. NPO/C0G керамика, если это не мелкие емкости, тоже не очень дешевая.
Но если нужны единицы микрофарад, тут пленочные конечно выгоднее, ибо стоят на порядок-два дешевле.
К тому-же пленочные не все можно паять рифлоу.
2х0.1мкф 1206 + 20нф 0805 будут дешевле и места займут не сильно больше.
У меня в корректоре 3х0.1 стоят.
Могу ли я заменить все электролитические конденсаторы на керамические?
Я проектирую схему питания для системы, которая нуждается в нескольких поставках, мои вопросы:
Можно ли заменить все электролитические колпачки (преимущественно 100uF) керамическими? Каковы ограничения керамики?
Должен ли я использовать номинал напряжения 2x для керамики, как это сделано для электролитического воздействия?
Как насчет рейтинга пульсаций? Является ли это важным фактором при выборе керамики, как при электролизе?
Добавлено 1/9/2014: Подробнее о керамических ограничениях
4 ответа
100 ÂμF действительно нажимает предел для керамических колпачков. Если ваши напряжения низкие, например, несколько вольт до 10 или, может быть, 20 вольт, то параллель с несколькими керамиками может быть разумным.
Для переключения приложений электропитания керамика обычно является лучшим компромиссом, чем электролитические, если вам не нужна слишком большая емкость. Это связано с тем, что они могут принимать гораздо больше пульсации тока и тепла лучше. Время жизни электролитов сильно ухудшается за счет тепла, что часто является проблемой с источниками питания.
Вам не нужно уменьшать количество керамики, а не электролитику, потому что время жизни керамики намного больше для начала и гораздо меньше зависит от приложенного напряжения. То, что следует учитывать в керамике, состоит в том, что плотные сделаны из материала, который является нелинейным, что проявляется как уменьшенная емкость на более высоких концах диапазона напряжений.
Добавлено о микрофонике:
Некоторые диэлектрики физически меняют размер как функцию приложенного электрического поля. Для многих эффект настолько мал, что вы его не замечаете, и его можно игнорировать. Тем не менее, некоторые керамики демонстрируют достаточно сильный эффект, что в конечном итоге вы можете услышать возникающие вибрации. Обычно вы не можете слышать конденсатор сам по себе, но поскольку они довольно жестко припаиваются к плате, небольшие колебания конденсатора могут привести к тому, что гораздо большая доска тоже будет вибрировать, особенно на резонансной частоте платы. Результат может быть вполне слышен.
Конечно, обратное работает тоже, поскольку физические свойства обычно работают в обоих направлениях, и это не исключение. Поскольку приложенное напряжение может изменять размеры конденсатора, изменение его размеров путем приложения напряжения может изменить его напряжение разомкнутого контура. По сути, конденсатор действует как микрофон. Он может подбирать механические вибрации, на которые подвергается доска, и они могут проникать в электрические сигналы на плате. По этой причине эти типы конденсаторов исключаются из высокочувствительных аудиосхем.
Для получения дополнительной информации об этой физике, посмотрите на свойства титаната бария в качестве примера. Это обычный диэлектрик для некоторых керамических колпачков, потому что он обладает желательными электрическими свойствами, особенно довольно хорошей плотностью энергии по сравнению с диапазоном керамики. Это достигается тем, что атом титана переключается между двумя энергетическими состояниями. Однако эффективный размер атома отличается между двумя энергетическими состояниями, поэтому изменяется размер решетки, и мы получаем физическую деформацию в зависимости от приложенного напряжения.
Из комментариев видно, что есть некоторая дискуссия о том, почему иногда переключение источников питания заставляет. Некоторые из них могут быть связаны с керамическими колпачками, но магнитные компоненты, такие как индукторы, также могут вибрировать по двум причинам. Во-первых, на каждый бит провода в индукторе есть сила, пропорциональная квадрату тока через него. Эта сила находится в стороне от провода, заставляя катушку вибрировать, если она не удерживается на месте. Во-вторых, существует магнитная способность, подобная элек- тростатическому пьезоэффекту, называемому магнитострикцией. Материал сердечника индуктора может немного изменить размер в зависимости от приложенного магнитного поля.Ферриты не проявляют этот эффект очень сильно, но всегда есть немного, и в магнитном поле может быть и другой материал. Я когда-то работал над продуктом, который использовал магниторезистивный эффект как магнитный датчик. И да, это сработало очень хорошо.
Некоторые линейные конструкции регуляторов требуют более высокого СОЭ электролита на их выходном конденсаторе для поддержания стабильности.
Керамика менее прочная, чем электролитическая, когда подвергается изгибу платы. Особенно в больших размерах, скажем, 1206 и выше, как вам нужно для значений выше 10-20 мкФ с разумным WV, керамика легко взламывается, если в плате есть какой-либо изгиб. Повреждающий изгиб может произойти в полевых условиях, или это может произойти с некоторыми методами выделения панелей из панели, в которой они изготовлены.
В соответствии с вопросами о снижении стоимости ОП и, кроме того, о прекрасном ответе Олина:
IPC-9592A (который является стандартом для высоконадежных устройств преобразования мощности) приводит следующие рекомендации по снижению номинальной мощности:
Фиксированные керамические MLCC:
Кроме того, как сказал Олин, некоторые диэлектрические материалы страдают от значительного сжимания емкости в зависимости от напряжения смещения постоянного тока. Опять же, материалы класса 2 страдают от этого, материалы класса 1 в основном этого не делают.
По существу, если вы используете какой-либо тип конденсатора, держите максимальное напряжение менее 80% от напряжения.
Значительно меньшие ЭПР керамических конденсаторов (в сравнении с электроизолированными колпачками) имеют следствием стабильности контура обратной связи. Предполагая, что ваш преобразователь будет коммутатором и имеет выходной фильтр L-C, для стабилизации преобразователя может потребоваться компенсационная сеть типа 3.
Возможно, я ошибаюсь, но переключение на керамические колпачки создаст антирезонансный эффект между объемными колпачками и меньшими развязывающими колпачками. Если их не выбрать осторожно, индуктивность объемных колпачков будет резонировать с емкостью развязывающих колпачков. Этого не происходит с танталовыми и электролитическими колпачками, поскольку СОЭ этих устройств ослабляет резонанс. Опять же, я мог ошибаться, поскольку я никогда не пробовал это на практике.
Замена электролитического конденсатора
При выполнении ремонта или модернизации электронного устройства часто требуется замена электролитического конденсатора вышедшего из строя. Однако аналога со стопроцентным совпадением может не оказаться в наличие, но имеются другие накопители, имеющие некоторые отличия от оригинала. В этой статье мы рассмотрим, на какие параметры следует ориентироваться, чтобы правильно выполнить замену электролитического конденсатора для любой случая, при этом не нарушить режим работы электронного устройства.
Электролитический конденсатор характеризуется тремя основными параметрами: ориентируясь на которые, достаточно просто правильно подобрать замену. К этим параметрам относятся допустимое напряжение, емкость и температура. Однако, прежде чем перейти к рассмотрению указанных параметров, следует не забывать, что данный накопитель энергии является полярным, поэтому необходимо соблюдать полярность. Положительный вывод паяем к плюсу, а отрицательный – к минусу. Чтобы не спутать выводы вдоль всего корпуса со стороны отрицательного вывода наносится знак минус «-», более подробно о маркировке написано здесь.
Замена электролитического конденсатора – основные правила
Чаще всего ремонт блока питания любого электронного устройства заключается в замене вздутого или высохшего электролитического конденсатора. При такой неисправности достаточно выпаять вышедший из строя конденсатор и заменить его новым. Однако довольно редко имеется в наличие аналогичный электролитический конденсатор, но во многих случаях его можно заменить другим, имеющим несколько отличительные параметры.
В первую очередь следует ориентироваться на напряжение. При отсутствии подходящего номинала подойдет конденсатор с большим напряжением. Например, если на корпусе оригинального конденсатора написано 35 В, то подойдет аналог с напряжением 50 В, 63 В, 100 В и т.д. – в сторону увеличения. Нельзя выполнять замену на аналог с более низким напряжением: 25 В, 16 В или 9 В. Иначе он взорвется.
Получить требуемое напряжение можно путем последовательного соединения нескольких накопителей, о чем более подробно с примерами расчетов рассказано здесь.
Следующий параметр – емкость. Как правило, в преобладающем большинстве случаев, электролитические конденсаторы, особенно большой емкости, применяются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения: чем большая емкость, тем лучше сглаживаются пульсации. Поэтому, в случае отсутствия накопителя такой же емкости, его можно заменить аналогом большей емкости.
Если отсутствуют электролитические конденсаторы нужной емкости и достаточно места на печатной плате устройства, то вместо одного накопителя можно впаять несколько параллельно соединенных. При этом емкости их будут складываться, о чем подробно с примерами расчетов рассказано здесь.