Новые керамические помехоподавляющие конденсаторы

Введение

Борьба с электромагнитными помехами всегда была одной из серьезнейших проблем при создании радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время эта проблема стала еще более острой вследствие увеличения плотности компоновки и сложности аппаратуры, роста взаимного влияния ее элементов. Наиболее опасны помехи, распространяющиеся в проводящих цепях питания, управления, коммутации, а также в цепях полезных сигналов. Для фильтрации таких помех служат помехоподавляющие проходные конденсаторы и фильтры нижних частот. Первые отечественные керамические помехоподавляющие проходные конденсаторы [1], разработанные в 1950-е годы, состояли из однослойной керамической трубки с нанесенными на нее внутренним и внешним электродами, образующими емкость. Внутри трубки проходил проволочный вывод, связывающий источник сигнала и нагрузку. Номинальная емкость таких конденсаторов не превышала 15 000 пФ для самой нестабильной группы температурной стабильности Н90.

После появления технологии изготовления керамических многослойных монолитных конденсаторов, позволившей резко повысить максимальную и удельную емкости, на ее базе были разработаны и проходные помехоподавляющие конденсаторы. Такие конденсаторы имеют две основные конструкции: прямоугольную (чип-конденсаторы) и круглую (рис. 1). Чередующиеся слои керамического диэлектрика и электродов таких конденсаторов, отдельные слои которых соединены параллельно, образуют емкость между внутренней и внешней контактными поверхностями. Эта конструкция позволяет получать значения емкости от единиц пФ до нескольких мкФ.

Рис. 1. Внешний вид и конструкция керамических шайбовых конденсаторов

В иностранных каталогах [2-5] круглые конденсаторы в основном называют Multilayer Discoidal Capacitors, а в отечественной технической литературе — дискоидальными конденсаторами. В соответствии с конструкцией будем далее называть такие конденсаторы шайбовыми.

Шайбовые конденсаторы производят практически все фирмы, занятые производством керамических конденсаторов, например [2-5]. В таблице 1 приведено сравнение конденсаторов различных фирм.

Таблица 1. Сравнение шайбовых конденсаторов различных фирм

Зарубежные изготовители шайбовых конденсаторов наряду с обычными для конденсаторов параметрами (номинальная емкость, номинальное напряжение, тангенс угла потерь и т. д.) приводят и характеристики помехопо-давления. В качестве примера на рис. 2 даны частотные зависимости вносимого затухания прямоугольных чип-конденсаторов Е01 фирмы Syfer [5] и шайбовых конденсаторов ТВС французской фирмы Eurofarad [3]. Из-за наличия собственной индуктивности чип-конденсаторов Е01 с началом роста импеданса после частоты собственного резонанса наблюдается снижение вносимого затухания. Коаксиальная конструкция шайбовых конденсаторов позволяет им иметь более низкие значения собственной индуктивности, чем у конденсаторов других типов, что обеспечивает высокие значения вносимого затухания на частотах до 10 ГГц и выше (ТВС).

Рис. 2. Частотная зависимость вносимого затухания проходных конденсаторов зарубежных фирм: а) проходные чип-конденсаторы Е01 фирмы Syfer; б, в) шайбовые конденсаторы ТВС фирмы Eurofarad

Шайбовые конденсаторы НИИ «Гириконд»

Первые многослойные шайбовые конденсаторы К10-44 были разработаны в НИИ «Гириконд» в 1976 г. и в дальнейшем модернизировались с применением новых керамических материалов в направлении расширения шкалы номинальных емкостей и напряжений. В 1981 г. были разработаны конденсаторы К10-54, выпускаемые до настоящего времени ОАО «Кулон».

При разработке последней серии шайбовых конденсаторов К10-81 (2010 г.) были применены новые керамические материалы с более высокими значениями диэлектрической проницаемости, доработана технология изготовления таких конденсаторов. Эти устройства имеют 4 группы температурной стабильности емкости: МП0, Н20, Н50 и Н90.

В таблице 2 приведены размеры изделий К10-81. В зависимости от габаритных размеров конденсаторы имеют 9 типоразмеров: от 4,0×1,3 до 12×2,5 мм.

Таблица 2. Размеры конденсаторов К10-81

В таблице 3 приведена шкала номинальных емкостей и напряжений конденсаторов. Их значения находятся на уровне лучших показателей зарубежных фирм (табл. 1), что обеспечивает в случае необходимости замещение импортных аналогов.

Таблица 3. Шкала конденсаторов К10-81

Для отечественных шайбовых конденсаторов параметры помехоподавления ранее не приводились ни в технической документации, ни в технической литературе. Поскольку эти сведения полезны разработчикам при выборе конденсаторов и расчете помехо-подавляющих цепей с их применением, при разработке конденсаторов К10-81 были проведены соответствующие исследования с внесением параметров помехоподавления в технические условия.

Так как такие исследования были проведены впервые и представляют определенные трудности, остановимся подробнее на их методике.

Шайбовые конденсаторы монтируются пайкой наружной контактной поверхности (вывод 3 на рис. 3) к «заземленной» плоской металлической или металлизированной плате или в ее соответствующие углубления. Через внутреннее отверстие конденсатора пропускают «проходной» вывод 1-2 с пайкой его к внутренней контактной поверхности. Таким образом, конденсатор с припаянным проходным выводом является фильтром С-типа.

Рис. 3. Электрическая схема конденсатора К10-81 с припаянным проходным выводом

Основной параметр помехоподавле-ния — это затухание, вносимое конденсатором (фильтром) на определенной частоте. Вносимое затухание (А) в децибелах вычисляют по формуле:

А = 20lgU₁/U₂, (1)

где U₁ — напряжение на входе цепи между выводами 1-3; U₂ — напряжение на выходе цепи между выводами 2-3.

Отечественный стандарт на методы измерения вносимого затухания [6] накладывает жесткие требования как на конструкцию измерительного контейнера, так и на значения параметров измерительных цепей. Для измерений был разработан специальный коаксиальный контейнер, полностью соответствующий требованиям этого ГОСТа. Контейнер обеспечивал величину затухания сигналов, проникающих помимо цепей фильтра в пределах 94-97 дБ, а коэффициент стоячей волны относительно волнового сопротивления измерительной схемы не превышал 1,5 при частоте измерительного напряжения до 1000 МГц. При частотах до 0,3 МГц применялись рекомендованные [6] измерительные приемники SMV-11, SMV-8,5, в диапазоне частот от 0,3 до 1300 МГц — современный компьютеризированный измеритель комплексных коэффициентов передачи «Обзор-103». Этот прибор предназначен для измерения комплексных S-параметров. Вносимому затуханию соответствует комплексный коэффициент передачи S₂₁, определяемый как отношение напряжения выходного сигнала к напряжению падающего сигнала в логарифмическом масштабе. Динамический диапазон измерения в диапазоне частот от 0,3 до 1 МГц — 110 дБ, от 10 до 1300 МГц — 123 дБ, КСВН входов — не более 1,35.

Измеренные значения выдаются в табличном и графическом виде, максимально возможное количество точек измерения — 401. Пример фактической частотной зависимости вносимого затухания приведен на рис. 4. «0бзор-103» предусматривает определение и компенсацию в режиме калибровки вносимых контейнером погрешностей, что повышает точность измерений. Измерения вносимого затухания проводились при сопротивлении измерительной схемы, равном 50 Ом.

Рис. 4. Частотная зависимость вносимого затухания конденсаторов К10-81 Н20 50В, 0,1 мкФ; D = 4 мм, d = 1,3 мм

Полученные значения вносимого затухания на линейном участке АЧХ хорошо совпали с известной формулой:

А = 20lg√1+(0,5<ωRC)², (2)

где А — вносимое затухание, дБ; ω — круговая частота, с^-1; R — сопротивление измерительной схемы, Ом; С — емкость конденсатора, Ф.

Эта формула основана на зависимости емкостного сопротивления от частоты и справедлива для линейного участка А(<). На нелинейном участке зависимость А(<) отличается от (2), причем как в сторону увеличения, так и уменьшения фактических значений А. На кривых А(<) наблюдались резонансные «горбы» и «впадины», что можно объяснить различным сочетанием собственных резонансных частот отдельных слоев керамического диэлектрика и металлических электродов многослойного конденсатора.

Важной характеристикой помехоподавля-ющих конденсаторов являются значения частоты среза f, при которой вносимое затухание равняется трем децибелам. Измеренные значения f хорошо совпали с соотношением:

f = 1/πRC. (3)

В таблице 4 приведены минимальные значения вносимого затухания в диапазоне частот

Таблица 4. Вносимое затухание конденсаторов К10-81 в диапазоне фиксированных частот 0,01-1000 МГц

0,1-1000 МГц с учетом минимально возможного значения фактической емкости. Значения А приведены для измерительной схемы с волновым сопротивлением 50 Ом. Значения затухания приведены с запасом, фактические значения А превышают эти цифры (рис. 4).

В реальной аппаратуре сопротивления систем, как правило, отличаются от 50 Ом. Для пересчета значений А (дБ) для системы с сопротивлениями, отличными от указанного значения, можно воспользоваться формулой:

А = 20lg[1+ Z_sZ₁/Z_t(Z_s+Z_t)], (4)

где Z_s — внутреннее сопротивление источника; Z₁ — полное сопротивление нагрузки; Z_t — передаточное сопротивление, определяемое по графику (рис. 5) [1] для значения затухания в 50-омной системе.

Рис. 5. Зависимость передаточного сопротивления Z_t в 50-омной системе

При разработке конденсаторов была исследована кратковременная и долговременная электрическая прочность, определены и реализованы пути ее увеличения. Из-за разницы до 10 раз внешнего диаметра конденсатора (4-12 мм) и диаметра внутреннего сквозного отверстия (1,3 мм) наибольшая напряженность электрического поля находится вблизи этого отверстия. В этом месте и происходили пробои диэлектрика при определении кратковременной электрической прочности. Для выравнивания электрического поля была предложена конструкция с применением так называемого «плавающего электрода» [8], что позволило повысить номинальное напряжение конденсаторов К10-81 до 1000 В.

При длительных испытаниях конденсаторов в режиме максимально допустимых значений окружающей температуры и электрической нагрузки не наблюдается существенного ухудшения электрических параметров. Результаты этих испытаний позволили оценить надежность конденсаторов К10-81, показатели которой приведены в таблице 5.

Таблица 5. Показатели надежности конденсаторов К10-81

В качестве одного из основных параметров, определяющих предельно допустимые электрические режимы (по переменному напряжению и частоте) для керамических конденсаторов, в том числе и для ранее разработанных шайбовых конденсаторов К10-54, обычно принимается максимально допускаемое значение реактивной мощности:

Р_р = U₂*ω*C.

При этом величина допускаемой реактивной мощности определяется исходя из превышения температуры поверхности конденсатора над температурой окружающей среды не более чем на 10-15 °С. Указанный подход справедлив при условии, что температура нагрева одного и того же конденсатора при постоянном значении реактивной мощности P_p = const, но при различных значениях величин переменного напряжения U и частоты ω будет одинакова. Проведенные испытания показали, что это условие для шайбовых конденсаторов не соблюдается. Значения температуры нагрева этих конденсаторов при их нагрузке на постоянную реактивную мощность, но при различных значениях напряжения и частоты существенно различались. Установлено, что основную долю в нагрев таких конденсаторов вносит активная мощность, выделяемая в виде тепла в контактном узле «внутренние электроды — внутренняя контактная поверхность», так как в этом месте плотность тока имеет максимальное значение. Доля, вносимая потерями в диэлектрике, существенно меньше. Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:

• При нагрузке конденсаторов постоянной реактивной мощностью на различных частотах величина перегрева не остается постоянной, а увеличивается с повышением частоты.
• Перегреву конденсаторов на 10 °С на разных частотах соответствует примерно одинаковое значение реактивного емкостного тока.
• При прохождении через конденсатор переменного тока постоянной величины, но различной частоты величина перегрева практически не меняется.
• Задаваемые ранее в ТУ на шайбовые конденсаторы требования по допускаемой реактивной мощности не являются обоснованными и не могут быть рекомендованы для выбора электрических режимов при эксплуатации.

Зарубежные стандарты, каталоги, рекомендации по применению керамических конденсаторов содержат требования по ограничению нагрузки реактивной мощностью только для высоковольтных конденсаторов большой реактивной мощности. Для предотвращения перегрева конденсаторов К10-81 разработаны рекомендации по ограничению электрических режимов при эксплуатации конденсаторов. Амплитуду и форму напряжения помех, которые будут проходить через конденсатор «на землю», нельзя точно определить и регламентировать. Однако величина помех вряд ли может вызвать перегрев конденсатора, и параметры помех не требуют каких-либо ограничений. Нагрев может вызвать емкостной ток переменного напряжения основной цепи, в которую включен конденсатор. Исходя из полученных результатов и имеющегося у нас опыта, с большим запасом было принято ограничение по емкостному току 300 мА. Косвенным подтверждением правильности выбора максимально такого значения емкостного тока является то, что такие же ограничения по току приняты для чип-фильтров конструкции монолитных многослойных конденсаторов фирмы Murata [9]. Площади проходных электродов и контактных узлов этих фильтров сопоставимы с аналогичными площадями конденсаторов К10-81. n

Литература

1. Воловик М. Отечественные керамические проходные конденсаторы и фильтры для подавления электромагнитных помех // Компоненты и технологии. 2005. № 5.
2. EMI Filtering. Product Guide. Каталог фирмы Spectrum Control inc, USA.
3. Ceramic capacitors. Каталог фирмы Eurofarad, Франция.
4. Filters EMI-RFI. Каталог фирмы Tusonix.
5. Discoidal capacitors. Каталог фирмы Syfer, Англия.
6. ГОСТ 13661-92. Пассивные помехоподавляю-щие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания. Комитет стандартизации и метрологии СССР, Москва.
7. Красильщиков М., Смирнов В., Шалаева А. Керамические проходные ФНЧ с малыми потерями // Электроника: НТБ. 2009. № 7, 8.
8. Патент № 87562 (РФ). Дисковый проходной керамический конденсатор постоянной емкости / В. Ф. Смирнов, А. А. Шалаева, М. Я. Красильщиков. Приоритет от 19.06.09.
9. Custom designed filter connectors. Catalog No 61-04. Murata Erie North America, INC.