Как правильно выбрать конденсатор и как оценить преимущества и недостатки разных типов конденсаторов?
Выбрать необходимый тип конденсатора для конкретной разработки совсем не трудно. Большинство выпускаемых промышленностью конденсаторов в зависимости от применения можно разделить на четыре группы:
- разделительные конденсаторы, разделяющие сигналы постоянного и переменного тока в цепи полезного сигнала (рис. 1, а)
- развязывающие конденсаторы, фильтрующие ВЧ составляющую в цепи постоянного тока или НЧ сигнала (рис. 1, б)
- конденсаторы для частотно избирательных цепей, включая активные и пассивные фильтры (рис. 1, в)
- запоминающие конденсаторы, предназначенные для УВХ и интеграторов (рис. 1, г).
Рис. 1. Особенности применения конденсаторов
Несмотря на то, что существует достаточно много типов конденсаторов и среди них такие широко применяемые, как пленочные, полистирольные, керамические, электролитические и т.д., для каждого конкретного случая выбор, как правило, ограничивается всего несколькими типами конденсаторов. Это объясняется тем, что на предварительном этапе легко могут быть исключены конденсаторы, которые или не отвечают системным требованиям, или их паразитные параметры высоки.
Поясните происхождение паразитных параметров конденсаторов?
В отличие от идеального, реальный конденсатор имеет паразитные параметры, характеризуемые паразитным сопротивлением или индуктивностью (рис. 2). Кроме того, реальные конденсаторы обладают нелинейностью и имеют утечку. Перечисленные параметры в том или ином виде указаны в техническом описании (data sheet). Зная величину паразитных параметров и токи утечки, легко выбрать оптимальный конденсатор для конкретного применения.
Рис. 2. Электрическая модель реального конденсатора
Как паразитные параметры влияют на характеристики конденсатора?
В реальном конденсаторе имеются четыре вида паразитных параметров, влияющих на его характеристики (рис. 2):
- утечки, характеризуемые паразитным параллельным резистором RP (рис. 3, б)
- нелинейность, вызванная паразитными последовательными сопротивлением (ESR) и индуктивностью (ESL)
- утечки, вызванные абсорбцией диэлектрика (RDA, CDA).
Паразитное параллельное сопротивление RР необходимо учитывать при построении УВХ и интеграторов, а также при использовании конденсаторов в высокоомных цепях. В идеальном конденсаторе заряд изменяется при протекании внешнего тока (рис. 3, а). В реальном конденсаторе изменение заряда при отсутствии внешнего тока определяется постоянной времени, равной RРC (рис. 3, б).
Рис. 3. Модели конденсаторов: идеального (а) и реального с цепью утечки (б)
В электролитических конденсаторах (танталовых и алюминиевых) при большой емкости токи утечки тоже велики и могут составлять до 520 нА на одну микрофараду. Поэтому конденсаторы этого типа не используются для хранения зарядов. Наилучшими для такого применения являются тефлоновые конденсаторы и другие конденсаторы с полимерным изолятором (полипропиленом, полистиролом и т.д.)
Эквивалентное последовательное сопротивление (Equivalent Series Resistance – ESR) RS (рис. 2). Последовательное сопротивление конденсатора определяется эквивалентным сопротивлением выводов и пластин. Это сопротивление обусловливает потери в конденсаторе, которые могут быть существенными при протекании через него большого переменного тока. Наличие такого сопротивления приводит к импульсным помехам, если конденсатор используется как развязывающий в цепях питания или в качестве проходного в радиочастотных цепях. В прецизионных аналоговых цепях с высоким импедансом ESR приводит к увеличению погрешности.
Минимальная величина ESR присуща слюдяным и пленочным конденсаторам.
Эквивалентная последовательная индуктивность (Equivalent Series Inductance – ESL) LS (рис. 2). Последовательная индуктивность конденсатора определяется эквивалентной индуктивностью выводов и пластин конденсатора. ESL подобно ESR может вызвать искажения не только в высокочастотных, но и в низкочастотных цепях и даже на постоянном токе. Причина заключается в том, что используемые в прецизионных цепях транзисторы могут иметь достаточно высокое усиление в широкой, вплоть до единиц гигагерц, полосе частот, в связи с чем эти транзисторы могут усиливать слабые сигналы, возникающие в паразитном колебательном контуре. Паразитная индуктивность приводит к искажениям в высокочастотных цепях развязки.
Электролитические бумажные или пленочные конденсаторы не предназначены для использования в цепях развязки высокочастотных цепей. Эти конденсаторы состоят из слоя фольги и двух слоев изолятора, свернутых в рулон. Такая конструкция приводит к образованию большой паразитной индуктивности, оказывающей существенное влияние на работу устройства в полосе радиочастот.
Более предпочтительными для использования в цепях развязки радиоустройств являются керамические конденсаторы, имеющие минимальную паразитную индуктивность. Они имеют многослойную конструкцию, в которой слои металлической фольги изолированы друг от друга керамическим диэлектриком. Такая конструкция, в отличие от рулонной, имеет классическую структуру, поэтому паразитная индуктивность керамических конденсаторов ниже индуктивности электролитических.
Недостатком керамических конденсаторов является слабая устойчивость к вибрациям. Некоторые из них могут самовозбуждаться, несмотря на минимальные ESR и ESL. Дисковые керамические конденсаторы имеют минимальную стоимость, однако их ESL выше по сравнению с паразитной индуктивностью керамических конденсаторов в другом конструктивном исполнении.
Некоторые производители вместо утечки, ESR и ESL конденсатора используют обобщенный параметр, получивший название “коэффициент рассеяния” и характеризующий интегральное качество конденсатора. Этот коэффициент определяется отношением рассеиваемой энергии к энергии хранения за один цикл заряда. Фактически, значение этого коэффициента эквивалентно коэффициенту мощности или cosφ. На высоких частотах фактор рассеяния хорошо моделируется паразитным последовательным резистором, т.е. на интересующей нас частоте отношение ESR к полному сопротивлению конденсатора позволяет определить коэффициент рассеяния DF
DF≈ωRSC.
Коэффициент рассеяния может быть представлен в единицах заряда, что иногда встречается в технических описаниях.
Диэлектрическая абсорбция. Монолитные керамические конденсаторы непригодны для использования в УВХ и других устройствах, в которых конденсатор применяется для хранения заряда, вследствие значительной диэлектрической абсорбции. Из-за диэлектрической абсорбции происходит разряд конденсатора. Для восстановления заряда необходимо использовать внешние цепи. Величина заряда, необходимая для подзаряда конденсатора до первоначального значения, определяет погрешность УВХ, в котором используется данный конденсатор (рис. 4).
Рис. 4. Схема заряда конденсатора (а) и временная диаграмма разряда (б), вызванного диэлектрической абсорбцией
В УВХ используются конденсаторы с минимальной диэлектрической абсорбцией. К таким конденсаторам относятся тефлоновые и другие полимерные конденсаторы. Разряд этих конденсаторов вследствие диэлектрической абсорбции не превышает 0.01% за цикл хранения.
В заключение отметим, что наилучшим решением вопроса развязки в цепях питания является использование параллельно включенных керамического и электролитического (например, танталового) конденсаторов. Такое включение конденсаторов одинаково хорошо работает на высоких и низких частотах. Нет необходимости использовать электролитический конденсатор для каждой ИМС на печатной плате. Если расстояние между ИМС на плате не превышает 10 см, достаточно использовать один танталовый конденсатор на несколько ИМС. Кроме того, необходимо помнить, что на радиочастотах даже небольшой проводник имеет достаточно большую индуктивность, поэтому конденсатор нужно располагать как можно ближе к корпусу ИМС. Длина его выводов должна быть не более 1.5 мм (рис. 5). Предпочтительнее использовать в качестве конденсаторов развязки чип конденсаторы, предназначенные для технологии поверхностного монтажа.
Рис. 5. Расположение конденсатора развязки: правильное (а) и неправильное (б)
Выбрать необходимый тип конденсатора для конкретной разработки совсем не трудно. Большинство выпускаемых промышленностью конденсаторов в зависимости от применения можно разделить на четыре группы:
- разделительные конденсаторы, разделяющие сигналы постоянного и переменного тока в цепи полезного сигнала (рис. 1, а)
- развязывающие конденсаторы, фильтрующие ВЧ составляющую в цепи постоянного тока или НЧ сигнала (рис. 1, б)
- конденсаторы для частотно избирательных цепей, включая активные и пассивные фильтры (рис. 1, в)
- запоминающие конденсаторы, предназначенные для УВХ и интеграторов (рис. 1, г).
Рис. 1. Особенности применения конденсаторов
Несмотря на то, что существует достаточно много типов конденсаторов и среди них такие широко применяемые, как пленочные, полистирольные, керамические, электролитические и т.д., для каждого конкретного случая выбор, как правило, ограничивается всего несколькими типами конденсаторов. Это объясняется тем, что на предварительном этапе легко могут быть исключены конденсаторы, которые или не отвечают системным требованиям, или их паразитные параметры высоки.
Поясните происхождение паразитных параметров конденсаторов?
В отличие от идеального, реальный конденсатор имеет паразитные параметры, характеризуемые паразитным сопротивлением или индуктивностью (рис. 2). Кроме того, реальные конденсаторы обладают нелинейностью и имеют утечку. Перечисленные параметры в том или ином виде указаны в техническом описании (data sheet). Зная величину паразитных параметров и токи утечки, легко выбрать оптимальный конденсатор для конкретного применения.
Рис. 2. Электрическая модель реального конденсатора
Как паразитные параметры влияют на характеристики конденсатора?
В реальном конденсаторе имеются четыре вида паразитных параметров, влияющих на его характеристики (рис. 2):
- утечки, характеризуемые паразитным параллельным резистором RP (рис. 3, б)
- нелинейность, вызванная паразитными последовательными сопротивлением (ESR) и индуктивностью (ESL)
- утечки, вызванные абсорбцией диэлектрика (RDA, CDA).
Паразитное параллельное сопротивление RР необходимо учитывать при построении УВХ и интеграторов, а также при использовании конденсаторов в высокоомных цепях. В идеальном конденсаторе заряд изменяется при протекании внешнего тока (рис. 3, а). В реальном конденсаторе изменение заряда при отсутствии внешнего тока определяется постоянной времени, равной RРC (рис. 3, б).
Рис. 3. Модели конденсаторов: идеального (а) и реального с цепью утечки (б)
В электролитических конденсаторах (танталовых и алюминиевых) при большой емкости токи утечки тоже велики и могут составлять до 520 нА на одну микрофараду. Поэтому конденсаторы этого типа не используются для хранения зарядов. Наилучшими для такого применения являются тефлоновые конденсаторы и другие конденсаторы с полимерным изолятором (полипропиленом, полистиролом и т.д.)
Эквивалентное последовательное сопротивление (Equivalent Series Resistance – ESR) RS (рис. 2). Последовательное сопротивление конденсатора определяется эквивалентным сопротивлением выводов и пластин. Это сопротивление обусловливает потери в конденсаторе, которые могут быть существенными при протекании через него большого переменного тока. Наличие такого сопротивления приводит к импульсным помехам, если конденсатор используется как развязывающий в цепях питания или в качестве проходного в радиочастотных цепях. В прецизионных аналоговых цепях с высоким импедансом ESR приводит к увеличению погрешности.
Минимальная величина ESR присуща слюдяным и пленочным конденсаторам.
Эквивалентная последовательная индуктивность (Equivalent Series Inductance – ESL) LS (рис. 2). Последовательная индуктивность конденсатора определяется эквивалентной индуктивностью выводов и пластин конденсатора. ESL подобно ESR может вызвать искажения не только в высокочастотных, но и в низкочастотных цепях и даже на постоянном токе. Причина заключается в том, что используемые в прецизионных цепях транзисторы могут иметь достаточно высокое усиление в широкой, вплоть до единиц гигагерц, полосе частот, в связи с чем эти транзисторы могут усиливать слабые сигналы, возникающие в паразитном колебательном контуре. Паразитная индуктивность приводит к искажениям в высокочастотных цепях развязки.
Электролитические бумажные или пленочные конденсаторы не предназначены для использования в цепях развязки высокочастотных цепей. Эти конденсаторы состоят из слоя фольги и двух слоев изолятора, свернутых в рулон. Такая конструкция приводит к образованию большой паразитной индуктивности, оказывающей существенное влияние на работу устройства в полосе радиочастот.
Более предпочтительными для использования в цепях развязки радиоустройств являются керамические конденсаторы, имеющие минимальную паразитную индуктивность. Они имеют многослойную конструкцию, в которой слои металлической фольги изолированы друг от друга керамическим диэлектриком. Такая конструкция, в отличие от рулонной, имеет классическую структуру, поэтому паразитная индуктивность керамических конденсаторов ниже индуктивности электролитических.
Недостатком керамических конденсаторов является слабая устойчивость к вибрациям. Некоторые из них могут самовозбуждаться, несмотря на минимальные ESR и ESL. Дисковые керамические конденсаторы имеют минимальную стоимость, однако их ESL выше по сравнению с паразитной индуктивностью керамических конденсаторов в другом конструктивном исполнении.
Некоторые производители вместо утечки, ESR и ESL конденсатора используют обобщенный параметр, получивший название “коэффициент рассеяния” и характеризующий интегральное качество конденсатора. Этот коэффициент определяется отношением рассеиваемой энергии к энергии хранения за один цикл заряда. Фактически, значение этого коэффициента эквивалентно коэффициенту мощности или cosφ. На высоких частотах фактор рассеяния хорошо моделируется паразитным последовательным резистором, т.е. на интересующей нас частоте отношение ESR к полному сопротивлению конденсатора позволяет определить коэффициент рассеяния DF
DF≈ωRSC.
Коэффициент рассеяния может быть представлен в единицах заряда, что иногда встречается в технических описаниях.
Диэлектрическая абсорбция. Монолитные керамические конденсаторы непригодны для использования в УВХ и других устройствах, в которых конденсатор применяется для хранения заряда, вследствие значительной диэлектрической абсорбции. Из-за диэлектрической абсорбции происходит разряд конденсатора. Для восстановления заряда необходимо использовать внешние цепи. Величина заряда, необходимая для подзаряда конденсатора до первоначального значения, определяет погрешность УВХ, в котором используется данный конденсатор (рис. 4).
Рис. 4. Схема заряда конденсатора (а) и временная диаграмма разряда (б), вызванного диэлектрической абсорбцией
В УВХ используются конденсаторы с минимальной диэлектрической абсорбцией. К таким конденсаторам относятся тефлоновые и другие полимерные конденсаторы. Разряд этих конденсаторов вследствие диэлектрической абсорбции не превышает 0.01% за цикл хранения.
В заключение отметим, что наилучшим решением вопроса развязки в цепях питания является использование параллельно включенных керамического и электролитического (например, танталового) конденсаторов. Такое включение конденсаторов одинаково хорошо работает на высоких и низких частотах. Нет необходимости использовать электролитический конденсатор для каждой ИМС на печатной плате. Если расстояние между ИМС на плате не превышает 10 см, достаточно использовать один танталовый конденсатор на несколько ИМС. Кроме того, необходимо помнить, что на радиочастотах даже небольшой проводник имеет достаточно большую индуктивность, поэтому конденсатор нужно располагать как можно ближе к корпусу ИМС. Длина его выводов должна быть не более 1.5 мм (рис. 5). Предпочтительнее использовать в качестве конденсаторов развязки чип конденсаторы, предназначенные для технологии поверхностного монтажа.
Рис. 5. Расположение конденсатора развязки: правильное (а) и неправильное (б)
Комментариев нет:
Отправить комментарий