Конденсаторы для импульсных источников питания: альтернатива электролитическим конденсаторам

Известно, что современный рынок электронных устройств предъявляет жесткие требования
к импульсным источникам питания: высокие КПД и частота преобразования,
малые габариты и низкая стоимость изделия. В связи с этим все чаще возникает вопрос
выбора технологии изготовления конденсаторов (тантал или алюминий), традиционно
применяемых в качестве фильтрующих конденсаторов в импульсных источниках питания.

Требованиям рынка компонентов для высокочастотных импульсных источников питания
отвечает новое семейство пленочных и керамических конденсаторов, представленное в России
французской компанией Eurofarad. Данные конденсаторы, как любая другая продукция этой компании, предназначены для использования в тех областях применения, где требуется повышенная надежность компонентов (авиация, космос, военная
и нефтегазовая промышленность и пр.), т. к. они
подвергаются тщательному многоступенчатому
внутреннему контролю качества на всех стадиях
производства.

Керамические конденсаторы

Производство
Технологический процесс производства многослойных конденсаторов постоянно совершенствуется, повышая качество изделий. Однородность диэлектрика и электродов позволяет увеличивать рабочие области электродов, а усовершенствованная технология литья керамики позволяет уменьшить
толщину слоя диэлектрика.

Такой подход, помноженный на современные технологические возможности (расположение по несколько сотен больших слоев пленки в конденсаторе, а также использование керамики 2-го класса — X7R, 2C1
и др.), позволяет достичь «объемной» емкости порядка нескольких десятков микрофарад на см³.

Характеристики

Керамические конденсаторы Eurofarad соответствуют типу X7R (классификация по стандарту EIA)
и даже превосходят требования к данному типу конденсаторов — нижний температурный предел расширен до –60 °C. Фактически эти керамические конденсаторы скорее соответствуют типу 2C1 по стандарту CECC, который, в отличие от стандарта EIA,
определяет также минимальное и максимальное отклонение значения емкости во всем температурном
диапазоне от –55 до +125 °C при номинальном напряжении (отклонение емкости ΔC/C составляет
–30%; +20%).

Другое преимущество разработок компании
Eurofarad в том, что потери в конденсаторах не просто
низки при температуре 20 °C (тангенс угла потерь120×10^-4), но и резко уменьшаются с ростом температуры. Следовательно, значение допустимого тока
увеличивается с ростом температуры — данная технология допускает высокое среднеквадратическое
значение максимально допустимого тока. Отдельно
стоит упомянуть характеристики конденсаторов
TCN87. К примеру, при номиналах 47 мкФ @ 50 В
конденсатор может выдерживать ток до 10 A (!) на частоте 1 МГц.

Высокая диэлектрическая проницаемость (от 1000
до 5000 Ф/м) 2-го класса керамики позволяет сочетать весьма малые габариты конденсаторов с высокой долговечностью (то есть крайне малым уменьшением емкости в течение всего жизненного цикла
компонента) — порядка –1,5% в логарифмическом
разряде. Для областей применения с особыми требованиями, таких как нефтегазовая промышленность,
в Eurofarad была разработана новая формула керамического диэлектрика из окисей с низким содержанием примесей, уменьшающего ионную проводимость, обусловленную наличием атомов
натрия. Это позволило компании расширить
ассортимент конденсаторов, рассчитанных на
работу при температурах до 200 °C. а некоторые конденсаторы, разработаные под заказ,
имеют рабочую температуру до –200 °C.

Другой метод достижения высокой емкости
конденсаторов — конструктивный — «составление» одного конденсатора из нескольких.

Монтаж

Керамические конденсаторы Eurofarad выпускаются в корпусах как для поверхностного монтажа, так и монтажа в отверстия.
Поверхностный монтаж крупных керамических конденсаторов с высокой емкостью — достаточно критический процесс, так как существует риск теплового удара при пайке, а также механического напряжения, возникающего
из-за разных коэффициентов расширения материалов. В качестве альтернативного решения компанией Eurofarad выпускаются конденсаторы со специальными «ленточными»
выводами (рис. 2). Площадь, необходимая для
монтажа таких конденсаторов, сравнима с площадью, требуемой для монтажа обычного
SMD-конденсатора.

Сравнение с электролитическими конденсаторами

Преимущества керамических конденсаторов по сравнению с электролитическими заключаются в следующем:

• керамические конденсаторы могут прекрасно работать на высоких частотах (рис. 3),
  
  Рис. 3. Зависимость резонансной частоты от емкости (керамические конденсаторы)

  чему способствует особая конфигурация
  электродов, обеспечивающая низкую индуктивность (у некоторых моделей керамических конденсаторов индуктивность
  не превышает 1 нГн);

• они не поляризованы;
• показатель ESR, как правило, намного
  ниже;
• благодаря применению керамики 2-го класса, имеющей высокую диэлектрическую постоянную, они отличаются малыми габаритами;
• готовы к эксплуатации на «полную мощность» даже после длительного хранения;
• гораздо более устойчивы к жестким внешним воздействиям, таким как вибрация, удары, высокое и низкое давление и пр.;
• способны выдерживать большие токи;
• отсутствует риск утечки;
• керамические конденсаторы Eurofarad для
  высокочастотных импульсных источников
  питания обладают высокой емкостью; есть
  керамические конденсаторы емкостью
  до 180 мкФ;
• в ассортименте керамических конденсаторов Eurofarad для импульсных источников
  питания представлены также высоковольтные компоненты — до 500 В.
• модели низковольтных керамических конденсаторов (от 16 до 25 В) идеально подходят для применения в области современной
  цифровой электроники.

Пленочные конденсаторы

Производство

Для производства пленочных конденсаторов Eurofarad в большинстве случаев применяются технологии, основанные на применении полиэстера, полипропилена и пленок
поликарбоната, обладающих собственной
электропроводимостью материала, которая
подходит для применений с большим рабочим током, температурой и высоким напряжением.

В производстве фильтрующих пленочных
конденсаторов для высокочастотных импульсных источников питания в основном используются 2 типа пленок полиэстера — PET (полиэтилентерефталат) и PEN (полиэтиленнафталат), имеющих высокую диэлектрическую
постоянную и обеспечивающих высокую электрическую прочность диэлектрика.

По размерам пленочные конденсаторы
Eurofarad лишь немного больше керамических. Производство пленочных конденсаторов
маленького размера возможно благодаря использованию металлизированной пленки.
Электроды состоят из очень тонких слоев (сотые доли микрометров) цинка или алюминия,
которые наносятся на диэлектрик вакуумным
напылением.

Характеристики

Среди преимуществ конденсаторов с диэлектриком из металлизированной пленки
можно назвать свойство самовосстановления.
То есть если происходит пробой диэлектрика
между слоями металла, электрический дуговой разряд провоцирует точечное выпаривание или выжигание металлического напыления, что приводит к образованию «спасительной» электроизолирующей окиси металла.
После такой регенерации конденсатор полностью исправен.

По среднеквадратичному значению допустимого тока возможности пленочной технологии также достаточно высоки. В группе пленочных конденсаторов Eurofarad есть компонент PM87N, сравнимый по габаритам
и способу монтажа с упомянутым ранее керамическим конденсатором TCN87. Более того,
среднеквадратичное значение максимально
допустимого тока на частоте 10 кГц для этого
конденсатора еще больше: 18 A (вместо 10 A
у керамического).

Основные характеристики пленочных кон-
денсаторов Eurofarad:

• Температурный диапазон от –60 до +125 °C.
• Минимальное и максимальное отклонения
  значения емкости (ΔC/C) в данном температурном диапазоне при номинальном напряжении у пленочных конденсаторов еще
  меньше, чем у керамических: –5%;+10%.
  У отдельных конденсаторов, например,
  PM90RT, отклонение составляет всего
  –3%;+3% (рис. 5).
• Изоляционное сопротивление превышает
  2500 МОм4мкФ при температуре 20 °C.
• Отсутствует зависимость значения емкости
  от величины приложенного напряжения.

Сравнение с электролитическими конденсаторами

• Особая конструкция электродов обеспечивает низкую индуктивность пленочных конденсаторов. Благодаря этой конструкции,
  а также низкому ESR, значение импеданса у пленочных конденсаторов (рис. 6) намного ниже, чем у электролитических;
• вследствие низкого значения импеданса пленочные конденсаторы прекрасно работают
  на высоких частотах, в диапазоне от 20–30 кГц
  до 1 МГц (рис. 7);
• пленочные конденсаторы не поляризованы;
• обладают более высокой надежностью;
• готовы к эксплуатации на «полную мощность» даже после длительного хранения;
• гораздо более устойчивы к жестким внешним воздействиям (вибрация, удары, высокое и низкое давление и пр.);
• способны выдерживать большие токи;
• пленочные конденсаторы Eurofarad для высокочастотных импульсных источников
  питания обладают высокой емкостью, сравнимой с емкостями электролитических конденсаторов. Емкость пленочных конденсаторов Eurofarad достигает 1600 мкФ;
• среди пленочных конденсаторов Eurofarad
  для импульсных источников питания имеются высоковольтные компоненты — до 1200 В;
• исключается риск утечки.

Монтаж

Пленочные конденсаторы Eurofarad выпускаются как для поверхностного монтажа (SMD),
так и для монтажа в отверстия. SMD-конденсаторы допускают пайку волной, а также пайку
в печи. Температурные ограничения для монтажа пленочных конденсаторов составляют
215 °C для пленки PET (от 20 до 40 с) и 230 °C
для пленки PEN (от 20 до 40 с).