Виды конденсаторов в телевизорах

История конденсаторов уходит в глубь веков. Первым прототипом конденсатора принято считать лейденскую банку, которую независимо друг от друга в 1745 г. создали немец Эвальд Юрген фон Клейст (Ewald Georg von Kleist) и голландец Питер ван Мушенбрук (Pieter van Musschenbroek). Разумеется, за прошедшие годы технология конденсаторов претерпела множество изменений, одно поколение устройств сменяло другое, и конструктивно современные конденсаторы бесконечно далеки от прародителей. Основные различия между ними заключаются в типах применяемых диэлектриков.

В рамках краткого обзора невозможно рассмотреть подробно особенности практического применения всех типов конденсаторов, поэтому сосредоточимся на тех, которые наиболее часто применяются в современной электронике. Общая классификация выглядит следующим образом:

• конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические конденсаторы):

• алюминиевые;
• танталовые;
• гибридные;

• керамические конденсаторы;
• диэлектрик из стекла;
• слюдяные конденсаторы.

По способу монтажа различают три категории:

КМ конденсаторы и золотые резонаторы в старых телевизорах и мониторах ✔ Приемные радиодетали

• для поверхностного монтажа;
• для монтажа в отверстия;
• с выводами под винт.

Иногда конденсаторы с оксидным диэлектриком называют электролитическими конденсаторами, но это неверно. Танталовые конденсаторы не являются электролитическими.

Несмотря на множество различий, для всех типов конденсаторов используется одна и та же эквивалентная схема. Она показана на рис. 1, и на ней отображены паразитные элементы конденсатора:

Рис. 1. Эквивалентная схема конденсатора

• ESL – эквивалентная последовательная индуктивность;
• ESR – эквивалентное последовательное сопротивление;
• RL – сопротивление утечки.

Особенности практического применения конденсаторов

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC)

Этот тип конденсаторов можно найти практически на любой печатной плате. Массовость их применения обусловлена экономичностью и отличными частотными свойствами. Керамические конденсаторы разделяются на две группы: в одной из них используется диэлектрик класса I, а в другой — класса II.

Диэлектрик класса I имеет хорошую стабильность, но небольшую диэлектрическую проницаемость, поэтому емкость конденсаторов с ним обычно не превышает 10 нФ. Диэлектрик класса II, напротив, имеет высокую диэлектрическую проницаемость, что позволяет достичь емкости в несколько сотен микрофарад, но он нестабилен, поэтому величина емкости конденсатора зависит от условий эксплуатации.

Емкость керамического конденсатора в основном зависит от трех условий: температуры, постоянного напряжения смещения и длительности эксплуатации (старения). Сведения о температурной нестабильности содержатся в документации изготовителя, и ее легко учесть. К сожалению, изготовитель обычно ничего не говорит о других двух факторах.

Конденсаторы в электронике. Самое понятное объяснение!

При заряде конденсатора до напряжения U в диэлектрике возникает электрическое поле, напряженность которого определяется выражением:

где: E — напряженность электрического поля; T — толщина диэлектрика.

Напряженность E не влияет на диэлектрик класса I, но влияет на параметры диэлектрика класса II и, следовательно, на емкость конденсатора. На рис. 2 приведены экспериментальные результаты влияния постоянного смещения на конденсаторы емкостью 4,7 мкФ разных производителей. Конденсаторы имели разные типоразмеры и разные нормируемые напряжения.

Рис. 2. Влияние постоянного смещения на конденсаторы емкостью 4,7 мкФ разных производителей

Как видно из рисунка, чем больше типоразмер конденсатора, толщина диэлектрика, нормируемое напряжение, тем меньше постоянное смещение сказывается на емкости конденсатора. Однако отметим, что и при одинаковых параметрах конденсаторы разных производителей ведут себя по-разному.

Старению, так же, как и воздействию постоянного смещения, тоже подвержены только конденсаторы с диэлектриком класса II. Причина в том, что их диэлектрик, в отличие от диэлектрика класса I, представляет собой ферроэлектрический материал. Со временем происходит переориентация магнитных диполей и свойства диэлектрика меняются. Старение происходит не только при эксплуатации, но и при хранении конденсаторов.

Однако процесс старения обратим: при нагревании до температуры выше точки Кюри в данном случае +125 °С) происходит риформинг — емкость конденсатора возвращается к начальной. До +125 °С конденсатор нагревается в печи оплавления, потому отсчет срока службы можно начинать от момента монтажа. Напомним, что точкой Кюри называется температура, при которой происходит фазовый переход в состоянии вещества. В нашем случае диэлектрик конденсатора становится парамагнетиком.

При старении емкость конденсатора изменяется на 3–7% в течение декады, выраженной в часах. Ранее считалось, что механизмы старения действуют независимо, но исследования, проведенные компанией Vishay, показали, что при постоянном смещении темп старения возрастает. Также ускоряет процесс старения повышение температуры.

В т аблице приведены все факторы, влияющие на изменение емкости конденсаторов (по данным Vishay), и остаточная емкость конденсаторов через 100 тыс. ч (около 11,5 лет). Следует учесть, что в промышленных приложениях срок службы изделий достигает 15–20 лет, а иногда и 25 лет, поэтому в таких изделиях желательно использовать конденсаторы с диэлектриком класса I.

Воздействие на конденсатор

Конденсатор 1 мкФ, 25 В

Конденсатор 2,2 мкФ, 10 В

Температура +70 °С

Старение за 100 тыс. ч

Снижение емкости из-за указанных воздействий

Электролитические конденсаторы

Частотные свойства этих конденсаторов хуже, чем у керамических, но они имеют самую высокую плотность емкости. Конденсаторы производятся по одной из трех технологий:

• с жидким электролитом;
• с твердым электролитом из проводящих полимеров;
• гибрид, сочетающий жидкий электролит и проводящие полимеры.

Емкость электролитических конденсаторов с жидким электролитом достигает сотен тысяч микрофарад, но ахиллесовой пятой таких конденсаторов является срок службы, его величина определяется формулой:

(2)

где:

Tx – температура при эксплуатации; L0 — срок службы по документации производителя при заданных режимах эксплуатации; IX — рабочий ток пульсации в схеме; I0 — нормируемый ток пульсации; K = 2 при IX > I0 и K = 4 IX ≤ I0.

Как видно из (2), для того чтобы увеличить срок службы конденсаторов, необходимо уменьшить его температуру и ток пульсаций. Заметим, что с уменьшением частоты уменьшается и максимально допустимое значение тока пульсации. Снизить рабочую температуру конденсатора можно не только за счет конструкции изделия, но и за счет выбора конденсатора большего размера, поскольку при этом увеличивается его поверхность охлаждения.

Конденсаторы с электролитом из проводящих полимеров имеют увеличенный срок службы, малый размер и высокую надежность, их емкость достигает нескольких тысяч микрофарад. Гибридные конденсаторы отличаются хорошей стабильностью, их параметры в меньшей степени зависят от условий эксплуатации. Сказанное иллюстрирует рис. 3 , на котором показана зависимость емкости от частоты для электролитических конденсаторов с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов. Также и сопротивление (ESR) гибридного конденсатора значительно меньше подвержено изменению во всем диапазоне рабочих частот.

Рис. 3. Зависимость емкости от частоты для электролитических конденсаторов с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов

Следует еще отметить возможность самовосстановления полимерной пленки гибридных конденсаторов. В месте ее повреждения возрастает ток и из-за дополнительного нагрева разрушается молекулярная структура пленки в этом месте, что приводит к изолированию поврежденного участка и локализации разрушения. Поэтому гибридные конденсаторы более устойчивы к перегрузкам по току.

В компании Panasonic провели эксперимент, в котором гибридный конденсатор с нормируемым пульсирующим током 1,3 А подвергался воздействию пульсирующего тока 3,6 А. За 5 000 ч испытаний параметры конденсатора не вышли за пределы допусков, указанных в документации.

Танталовые конденсаторы

В конденсаторах этого типа отсутствует механизм старения, их параметры стабильны и очень мало зависят от условий эксплуатации. Увы, у них есть серьезный недостаток: при импульсном перенапряжении в них развивается ток короткого замыкания, что приводит к их перегреву и даже к возгоранию. Поэтому такие конденсаторы желательно выбирать с 2–, 2,5-кратным запасом по напряжению и использовать в цепях с токоограничивающими элементами.

Пленочные конденсаторы

По сочетанию параметров емкость — нормируемое напряжение — максимальный ток эти конденсаторы не имеют себе равных для применения в силовой электронике. Их можно использовать и в цепях помехоподавления, и в цепях сглаживания пульсаций тока.

Благодаря способности диэлектрика выдерживать высокую напряженность электрического поля (230–500 В/мкм) и весьма низкому ESR нормируемое напряжение пленочных конденсаторов может достигать нескольких тысяч вольт, а ток пульсации — нескольких десятков ампер.

Существуют две основные технологии производства таких конденсаторов: использование фольги или напыление металла. В первом случае фольгу, служащую обкладкой конденсатора, толщиной не более 5 мкм, помещают между слоями диэлектрика. Вторая технология заключается в напылении алюминия или сплавов цинка на полипропиленовую пленку толщиной 20–50 нм.

Конденсаторы, изготовленные с использованием фольги, допускают значительные максимальные токи, но в них практически отсутствует эффект самовосстановления. А вот в технологии с напылением этот эффект весьма заметен. Пробой такого конденсатора сопровождается электрической дугой, температура в месте пробоя может повыситься до +6000 °С, что приводит к испарению металла и исчезновению проводящего тракта, а следовательно, к восстановлению диэлектрической прочности.

Частотные характеристики конденсаторов

Нетрудно заметить, что схема замещения конденсатора представляет собой последовательный колебательный контур с собственной резонансной частотой ω0 = √1/(ESL × C) и степенью затухания — β = (ESR/2) × √C/ESL. Сопротивлением утечки RL в данном случае можно пренебречь. Примерный вид частотной характеристики импеданса пленочного, керамического и танталового конденсатора приведен на рис. 4. Частотная характеристика импеданса электролитического конденсатора более сглаженная, она изображена на рис. 5.

Рис. 4. Частотная характеристика импеданса пленочного, керамического и танталового конденсатора

Рис. 5. Частотная характеристика электролитического конденсатора

Для того чтобы уменьшить паразитные составляющие ESR и ESL, а следовательно, снизить потери и улучшить частотные свойства конденсаторов, можно вместо одного конденсатора с емкостью С использовать N параллельно включенных конденсаторов с емкостью С/ N. При этом величина емкости не изменится, а ESR и ESL уменьшатся в N раз.

Источник: www.promelec.ru

Выбор плёночных конденсаторов для применения в Hi-Fi- и High-End-аудиотехнике. Часть 2. Основные характеристики конденсаторов

Любой конденсатор является электростатическим пассивным элементом, который накапливает энергию в виде заряда на своих проводящих, но электрически изолированных обкладках. Процесс накопления энергии электрического поля конденсатором зависит от размера обкладок (S), расстояния между ними (d) и свойств изолирующего материала. Математически ёмкость конденсатора можно выразить следующей формулой:

где диэлектрическая проницаемость (ε) – безразмерная физическая величина, показывающая степень поляризации материала под воздействием электрического поля в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость может быть выражена как ε = εs / ε0, где ε – диэлектрическая проницаемость, εs – диэлектрическая проницаемость материала среды, ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума.

Так, например, для полиэстера ε=3,3, а для полипропилена ε=2,2. Учитывая, что ёмкость конденсатора

при замене диэлектрика в конденсаторе изменение ёмкости будет:

То есть в таком же по размеру конденсаторе, с равными по площади S пластинами и расстояниями d между ними ёмкость уменьшится в 1,5 раза.

Минимальная толщина плёнки – также важный параметр, так как, с одной стороны, он определяет расстояние между обкладками конденсатора d, и чем меньше оно будет, тем больше окажется ёмкость. Но с другой стороны, чем меньше слой диэлектрика, тем может быть ниже напряжение пробоя.

Диапазон напряжений – это диапазон номинальных напряжений. Под номинальным напряжением понимается максимально допустимое рабочее напряжение. Если на конденсатор подаётся переменная составляющая с пиковым Umax и постоянная UDC, то номинальное напряжение UR должно быть не меньше их суммы:

ΔС/С в рабочем диапазоне температур – изменение ёмкости конденсатора при граничных рабочих температурах. Численно этот параметр можно выразить как

Зависимость ёмкости от температуры нелинейная, и часто производители приводят соответствующий график. Типичный пример (рис. 5) для плёночных полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных(PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов:

Рис. 5. Типичные зависимости ёмкости от температуры для полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных (PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов.

Если конденсатор подвергается циклическому изменению температуры от Tmin до Tmax, то могут наблюдаться необратимые изменения между начальной и конечной ёмкостями. Это отклонение получило название циклического дрейфа ёмкости и выражается в процентах от ее номинального значения (рис. 6).

Рис. 6. График циклического дрейфа ёмкости. Во время работы конденсаторов при высоких температурах происходит внутренняя деградация диэлектрика, вследствие чего уменьшается ёмкость при нормальных условиях (T=25°C. P=760 мм рт. ст.)

Для плёночных конденсаторов этот параметр обычно очень мал. Однако в сигнальных цепях усилителей, подверженных нагреву из-за расположенных рядом мощных транзисторов или ламп, нужно учитывать этот параметр. Плёночные и фольговые конденсаторы крайне не рекомендуется подвергать нагреву выше максимально допустимой рабочей температуры для конкретного экземпляра конденсатора. Типичные значения максимальных рабочих температур:

• для полипропиленовых (PP) конденсаторов: 105°C
• для полиэтилентерефталатных (PET): 125°C
• для полиэтиленнафталатных (PEN) 125°C
• для полипропиленовых конденсаторов с масляной пропиткой: 85°C
• для фольговых бумажно-масляных и бумажно-восковых: 80°C

При высоких температурах эксплуатации, достигающих 70% и выше от максимально-допустимой рабочей температуры конденсатора, его характеристики ухудшаются. Для номинального напряжения вводится так называемый фактор снижения, который обозначает снижение рабочего напряжения при высоких температурах.

Рассмотрим эффект, который может существенно повлиять на звук. Он связан с изменением ёмкости в зависимости от частоты колебания напряжения на конденсаторе. Надо заметить, что в отличие от конденсаторов других типов, все плёночные не подвержены такому эффекту. На графике (рис.

7) видно, что полипропиленовые конденсаторы (PP) имеют практически линейную характеристику: уменьшение ёмкости на доли процента происходит на частотах выше 20 кГц. Уменьшение на 1% ёмкости у конденсаторов с полиэтилентерефталатными и полиэтиленнафталатными диэлектриками может стать причиной отказа от них для High–End-приложений.

Рис. 7. Графики зависимости ёмкости от частоты напряжения для полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных (PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов.

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) характеризует потери энергии электрического поля, приходящиеся на его рассеяние в диэлектрике. Он определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты. Значение тангенса угла потерь диэлектрика зависит от его качества, температуры окружающей среды и от частоты переменного тока, на которой он измеряется.

Рассмотрим потери электростатической энергии в конденсаторе более подробно. В цепях переменного тока происходит процесс изменения полярности на обкладках конденсатора. В его результате трение в молекулярных структурах трансформируется в тепло. Потери такого же рода в конденсаторе происходят из-за резистивных потерь в частях конденсатора: выводах, металлическом контактном слое и электродах. Упрощённая эквивалентная схема конденсатора представлена на рис. 8.

Рис. 8. Эквивалентная схема конденсатора, в которой L – эквивалентная индуктивность, RS – эквивалентное последовательное сопротивление, C – ёмкость

Как видно из диаграммы на рис. 9, для частот значительно ниже собственной резонансной частоты конденсатора (L и US очень малы), RS смещает фазу между напряжением и током чуть менее чем на 90 градусов. Разность между углом фазы и 90о представляет собой угол диэлектрических потерь δ, который определяется через тангенс диэлектрических потерь tgδ, то есть отношением эквивалентного последовательного сопротивления RS к ёмкостной реактивной составляющей

Можно показать, что тангенс угла диэлектрических потерь также является отношением активной мощности к реактивной (δ=PA/PA). Рассеянная мощность может быть представлена как функция напряжения US, выраженная через эквивалентное последовательное сопротивление RS или через протекающий через него ток:

и для плёночных конденсаторов tgδ = 2πƒ∙RS∙C≪0,1, то

Тогда мощность может быть рассчитана как P = 2πƒ∙C∙tgδ∙U2 или P = (2π∙C)2∙R∙U2

Рис. 9. Диаграмма диэлектрических потерь

Тангенс угла диэлектрических потерь и эквивалентное последовательное сопротивление очень важны, так как они характеризуют тепловые потери энергии электрического поля, а значит и затухание звукового сигнала.

Самовосстановление

Плёночные конденсаторы обладают выдающимися характеристиками по скорости заряда и разряда, что делает их незаменимыми в сетевых фильтрах блоков питания. В сети часто возникают высокоэнергичные импульсы, которые нередко становятся причиной выхода из строя электронных приборов, питающихся от сети. Плёночные конденсаторы могут частично защитить цепи питания, сглаживая такие сетевые помехи. При этом их рабочие свойства меняются незначительно. Данное свойство получило название самовосстановление, так как оно обуславливается способностью самостоятельно избавляться в процессе работы от дефектов (например, пор и примесей в плёнке).

Рассмотрим суть процесса, основываясь на рис. 10. Плёночные конденсаторы имеют металлическое покрытие, нанесённое в вакууме непосредственно на пластиковую плёнку; оно имеет толщину всего лишь 20 .. 50 нм. В результате импульсной перегрузки по напряжению в конденсаторе может случиться локальный пробой диэлектрика.

В этот момент происходит дуговой разряд, под действием которого за несколько микросекунд испаряется металлическое покрытие в области пробоя. Металл и диэлектрик выбрасываются за пределы места пробоя, и там образуется непроводящая область. Во время и после этого события конденсатор сохраняет свою функциональность. Из-за уменьшения эффективной площади обкладок после него ёмкость конденсатора в 0,1-1 мкФ уменьшается на очень незначительную величину, не превышающую 100 пФ. С учётом ёмкости конденсатора такие пробои могут быть обнаружены только с помощью прецизионного измерительного оборудования.

Рис. 10. Схематическое изображение области возникновения дугового разряда между обкладками.

• Зазор между диэлектриком и электродом с газообразными парами металла и диэлектрика
• Зона плазмы
• Граничная зона между плазмой и газовыми образованиями
• Канал пробоя диэлектрика
• Зона газообразного диэлектрика
• Зона переместившегося диэлектрика и металлизации
• Зона плазмы

Влагопоглощаемость – характеристика конденсаторов, определяющая, как будет меняться ёмкость конденсатора при изменении влажности рабочей среды. В зависимости от типов конструкции и диэлектрика, а также наличия воздушного зазора между обкладками различные плёночные конденсаторы могут вести себя очень по-разному. Если температура и относительная влажность рабочей среды, указанные производителем, не будут превышать допустимых значений, то процесс изменения ёмкости будет обратимым. В противном случае – нет.

Диэлектрическая абсорбция

В процессе заряда конденсатора происходит накопление его носителей на обкладках, в то же время между обкладками конденсатора существует электрическое поле, силовые линии которого проходят через диэлектрическую плёнку, разделяющую обкладки. В диэлектриках нет свободных носителей заряда, но молекулы диэлектрика при этом имеют в своей структуре положительно и отрицательно заряженные ионы, за счёт которых в них образуются два полюса. Такие молекулы называют диполями. Взаимодействуя с внешним электрическим полем, диполи поворачиваются и выстраиваются вдоль силовых линий электрического поля.

На данном графике видно, как изменяется напряжение между обкладками конденсатора во времени при саморазряде, коротком замыкании, и как восстанавливается заряд на обкладках за счёт диэлектрической абсорбции.

При быстром разряде в диэлектрике происходит обратный процесс, в котором диполи начинаются вращаться и приходить в обычное «расслабленное» состояние; это явление называют диэлектрической релаксацией. При этом на поверхностях диэлектрика возникает разность потенциалов, которую также называют дипольной поляризацией. У плёночных конденсаторов она минимальна и составляет меньше 1% от их рабочего напряжения, в отличие, например, от электролитических, где она может достигать 15%. Диэлектрическая релаксация сопровождается выделением тепловой энергии и приводит к диэлектрическим потерям, что отражается на величине тангенса угла диэлектрических потерь, о котором мы говорили ранее.

Плёночные конденсаторы благодаря своей совокупной постоянной ёмкости, практически не зависящей от температуры и рабочего напряжения, очень низким диэлектрическим потерям, высоким импульсным токам, диапазону доступных ёмкостей и умеренным габаритам нашли широчайшее применение не только в аудиотрактах HighEnd-класса (рис. 12) и профессиональной звукозаписывающей аппаратуре, но и в прецизионном измерительном оборудовании, медицинской и военной технике – на суше, под водой и даже в космосе.

Менее распространены их предшественники – фольговые конденсаторы, изготовленные с использованием ретроградных диэлектриков в виде промасленной бумаги и натурального пчелиного воска. Там, где цена, а также плохие массогабаритные показатели не имеют значения, а искажения недопустимы, используются и они. Чаще всего их приложениями являются кроссоверы акустических систем. Еще они встречаются в роли проходных конденсаторов в High-End-аппаратуре (рис. 13).

Рис. 12. Mundorf MCAP EVO Aluminium Oil (плёночно-фольговый конденсатор полипропиленово-масляный) в ламповом усилителе Prima Luna Prologue One High-End-класса.

Рис. 13. Ламповый предусилитель ЦАП High-End-класса оснащен четырьмя конденсаторами Duelund CAST PIO-CU (медные фольговые с бумажно-масляным диэлектриком)

Источник: dzen.ru

Конденсаторы для ВЧ/СВЧ.
Часть 3. Пленочные и электролитические

В статье дан обзор разных типов конденсаторов. В третьей части публикации приведены свойства и применение конденсаторов с органическим диэлектриком (при описании значительной части класса органических конденсаторов на основе трех полимеров — поликарбоната, полиэстера и полипропилена — будет использоваться традиционный, но устаревший термин «пленочные» (Film), который мы будем относить не к материалу диэлектрика, а к конструкции этого подкласса органических конденсаторов). Как уже отмечалось, для керамических конденсаторов одним из критических факторов, который необходимо учитывать при определении целесообразности их использования в электрических цепях, является наличие пьезоэффекта у керамических диэлектриков. Указанных ограничений лишены органические конденсаторы.

Особенности конструкции и применения

Необходимо сказать о том, как свойства органических вообще и пленочных диэлектриков в частности определили конструктивные особенности и сферы применения конденсаторов этого типа. Пожалуй, главным фактором, определившим современный набор конструктивных исполнений органических конденсаторов, является неширокий по сравнению с керамическими конденсаторами температурный диапазон применения органических полимеров.

Это резко снизило возможности использования полимеров в чип-конденсаторах. Речь, прежде всего, идет о процессе пайки, в результате которого может происходить температурное разрушение либо деградация конденсаторов. Дополнительные сложности в «жизнь» органических чип-конденсаторов внесло появление требований RoHS по пайке бессвинцовыми припоями.

Поскольку температура плавления таких припоев выше, чем свинцовосодержащих, значительная часть известных серий, в частности пленочных конденсаторов, имеет ограничения при пайке. Часто это невозможность использовать технологию двухволновой пайки либо ограничения по времени прохождения волны припоя. Многолетняя статистика рынка, собранная в основном по пленочным конденсаторам, показывает, что 80–90% таких конденсаторов выпускается в выводном исполнении. Пайка выводов не ухудшает свойств собственно конденсатора.

Органические конденсаторы для ВЧ/СВЧ

Несмотря на то, что признанным лидером в области высокочастотных приложений принято считать керамические конденсаторы, органические полимеры успешно осваивают этот специфический диапазон. Говоря о применении полимерных конденсаторов на высоких частотах, можно упомянуть об авторской технологии AVX — многослойных органических структурах MLO (Multilayer Organic).

Эта технология появилась именно как результат усилий по расширению частотного диапазона применения полимерных устройств. Суть ее заключается в том, что из полимерных материалов и посредством отработанных пленочных технологий создается многослойная подложка, стек слоев которой содержит один или несколько уровней полимера с малыми потерями на высоких частотах. Эти слои «зажаты» между слоями металлизации и разделительными. Слои металлизации используются для формирования стандартных компонентов, посредством трассировки соединяемых в целевые устройства. Стандартный стек слоев подложек первого поколения описан в [1] и представлен на рис. 1.

Рис. 1. Подложка MLO с шестью слоями металлизации

Синим цветом на рис. 1 обозначены переходные отверстия между слоями. Основной проблемой при создании этого типа подложек был поиск полимерного материала, имеющего малые потери на высоких частотах и при этом высокую диэлектрическую проницаемость для формирования значительной емкости в малых габаритах.

В настоящее время в качестве таких материалов для high-Q‑слоев используются политетрафторэтилен (PTFE) и жидкокристаллические полимеры (LCP). Высокочастотные полимерные подложки MLO стали исключительно благодатной средой для размещения в них стандартных компонентов для повсеместно используемых радиотехнологий: беспроводных сетей многих протоколов, широковещательных спутниковых систем, автомобильных радиосистем и т. п. По технологии MLO выполняются конденсаторы, индуктивности, диплексеры, согласующие четвертьволновые трансформаторы, фильтры, ответвители и другие компоненты, вплоть до радиочастотных микросхем (RFIC).

При этом на наружных металлизированных слоях подложек может выполняться стандартная трассировка для SMT-компонентов. Дополнительным бонусом MLO-подложек является их полная совместимость с широко применяемым материалом для печатных плат — FR4.

Оба материала имеют одинаковое температурное расширение, и при закреплении MLO-компонентов на печатных платах они не создают дополнительных термических нагрузок на платы. Специалисты фирмы AVX отмечают очень хорошие показатели MLO по диэлектрической абсорбции [2]. По данным [2], этот показатель для MLO составляет 0,0015%, что на порядки лучше абсорбции, например, для керамики NP0 — 0,6%. Это свойство MLO, конечно, весьма востребовано в устройствах выборки/хранения. В качестве практического решения AVX предлагает представленный в [3] MLO-конденсатор формата 0603 (EIA) с диапазоном емкостей 0,1–5,1 пФ, рабочим напряжением 50–250 В. Изделие имеет допуск по номиналу ±0,02 пФ и может применяться в диапазоне частот до 20 ГГц.

Вообще необходимо отметить, что технология сложных подложек переживает период стремительного развития не только в области пленочных технологий. Для керамики примером тому служат 3D однослойные конденсаторы фирмы IPDiA, речь о которых пойдет ниже. А наиболее полным конструктивным аналогом MLO-подложек от AVX являются сложные керамические подложки CapStrate фирмы Johanson Dielectrics.

Типы пленочных конденсаторов и основные материалы для их производства

Конструкция пленочного (как поясняется в сноске в начале обзора) конденсатора схожа с конструкцией многослойного керамического конденсатора или с конструкцией оксидного (электролитического) конденсатора, с тем отличием, что рулон диэлектрика с металлизацией укладывается прямоугольным брикетом. Конструкция пленочного конденсатора компании Wima приведена на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция пленочного конденсатора компании Wima

Так же как и в ситуации с MLCC, пленочные конденсаторы имеют большое количество конструктивных исполнений, в основном разделенных на три большие группы c корпусами для поверхностного монтажа (SMD) и выводными корпусами с радиальным (Radial) и аксиальным (Axial) расположением выводов. На рис. 3 представлены некоторые примеры исполнений по информационным материалам фирмы Kemet и промышленной группы Exxelia.

Рис. 3. Виды корпусов пленочных конденсаторов от Kemet и Exxelia:
а) SMD-исполнение от Kemet с размерами 12,7×11,5×6,5 мм;
б) SMD Kemet в корпусе DIL6 с минимальными размерами 11×12,2×6,05 мм;
в) низкоиндуктивные SMD-конденсаторы с самовосстановлением от Exxelia;
г) SMD высокочастотные SMPS Exxelia;
д) радиальный конденсатор с сериальным резистором от Kemet;
е) радиальный Exxelia, выводы с резьбой или в виде контактного лепестка;
ж) радиальный высоковольтный до 1000 В, Exxelia;
з) точный радиальный от Exxelia, каждая обкладка соединена с двумя выводами;
и) аксиальный от Kemet для SMPS-применений;
к) аксиальный низкоиндуктивный от Exxelia;
л) аксиальный высоковольтный до 2200 В от Exxelia;
м) аксиальный Exxelia, имеется исполнение, при котором один из выводов соединен с корпусом

Пленочные конденсаторы применяются, как правило, в сильноточных импульсных устройствах, в том числе работающих в нагруженных режимах с малыми скважностями. Хотя эта область электронной техники напрямую не связана с заявленной темой статьи, тем не менее краткий экскурс в нее оправдан, поскольку в развитии электронной индустрии виден процесс конвергенции, при котором высокочастотные устройства становятся сильноточными, а импульсная техника работает на все больших частотах.

В качестве диэлектрика в них чаще всего применяются поликарбонат, полиэстер и полипропилен, которые называют «большой тройкой» пленочных конденсаторов. Эти диэлектрики применяет большинство фирм — производителей пленочных конденсаторов. Хотя в последнее время на первое место выходит полифенилен сульфид (PPS), который активно замещает конденсаторы из поликарбоната [4]. Достаточно распространены на рынке и конденсаторы с диэлектриком из пропитанной бумаги.

Класс пленочных конденсаторов условно делится на два основных типа. Те конденсаторы, у которых металлические обкладки выполняются из фольги (например, тонкой фольги хрома), называются фольговыми. В англоязычной литературе принят термин all-film либо foiled. Встречается также термин film/foil.

Ко второму типу относятся конденсаторы, чьи обкладки выполняются непосредственным напылением на пленку диэлектрика тонкой пленки металла. Это металлизированные конденсаторы, или metallized. В количественном соотношении металлизированные конденсаторы выпускаются в значительно больших объемах, чем фольговые.

При этом фирмы-производители стараются разрабатывать и использовать проприетарные технологии изготовления для продвижения своей продукции. Так, перед напылением металлической пленки компания AVX проводит обработку диэлектрика коронным разрядом для лучшего сцепления полимера и металла. О причинах количественного неравенства между фольговыми и металлизированными конденсаторами будет сказано ниже.

В зависимости от типа полимера, который используется в качестве диэлектрика, пленочные конденсаторы можно разбить на три большие группы:

• Поликарбонат. Этот материал имеет низкий температурный дрейф (ниже, чем у других материалов), малый коэффициент рассеяния и диэлектрической абсорбции. Конденсаторы на основе поликарбоната применяются в импульсных цепях и прецизионных аналоговых устройствах в тех случаях, когда требуется хорошая температурная стабильность и высокий температурный коэффициент. В отличие от других диэлектриков имеет низкую устойчивость к влажности, что весьма критично в некоторых областях применения. Конденсаторы из поликарбоната имеют высокое тепловое сопротивление (до +125 °C), но плохо подходят для поверхностного монтажа. Большинство производителей рекомендует использовать поликарбонатные пленочные конденсаторы в автомобильных приложениях. Наиболее известные производители конденсаторов этого типа — Kemet PN, Electronic Concepts Inc, American Capacitor Corporation, EFC Wesko.
• Полиэстер. Этот материал, вероятно, самый популярный в пленочных конденсаторах, во всяком случае для монтажа на плату. Полиэстер — другое название класса аналогичных полимеров на основе полиэтилена терефталата. Европейское название — милар, PET, PETE или PETP. Высокий коэффициент рассеяния, особенно с ростом частоты, позволяет применять конденсаторы на основе полиэстера в цепях постоянного тока, в низкочастотных импульсных цепях с малым током или в источниках питания. Конденсаторы на основе полиэстера имеют высокий температурный дрейф, но их совместное подключение с конденсаторами на основе полипропилена позволяет выравнивать температурную кривую. Конденсаторы этого типа имеют номиналы 1 нФ – 10 мкФ и выше (речь идет в основном о конденсаторах до 1000 В). Высокое тепловое сопротивление позволяет применять их для поверхностного монтажа. Наиболее известные производители конденсаторов на основе полиэстера — EFC Wesko, Richey, Southern Electronics Inc.
• Полипропилен. Конденсаторы на основе полипропилена (РР) являются самым распространенным типом пленочных конденсаторов. Они выпускаются в очень широком диапазоне размеров и рабочих напряжений и применяются во многих электрических цепях. РР имеет низкий коэффициент рассеяния во всем диапазоне рабочих температур и в широком диапазоне частот. Это позволяет применять данный тип конденсаторов в высокочастотных цепях и в цепях с высоким током нагрузки, например в импульсных источниках питания. Некоторые типы конденсаторов имеют рабочее напряжение выше 400 кВ переменного тока. Они предназначены для замены старых моделей электролитических и бумажно-масляных конденсаторов. Конденсаторы данного типа имеют номиналы емкостей 100 пФ – 10 мкФ. Малая утечка и низкий коэффициент диэлектрической абсорбции позволяют применять полипропиленовые конденсаторы в интегрирующих цепях и в цепях выборки и хранения. Влияние влажности незначительное. По температурному дрейфу они немногим превосходят конденсаторы на основе полиэстера, поэтому их эксплуатация ограничена температурой +105 °C и делает невозможным их применение для поверхностного монтажа. Наиболее известные производители конденсаторов на основе полипропилена — Susco, RTI Electronics, TSC Electronics, Suntan.

Интересно практическое количественное сравнение различных типов диэлектриков, данное в материалах фирмы Kemet [4] (табл. 1). Отметим, что в таблице сопротивление изоляции представлено в виде постоянной времени саморазряда конденсатора (секунды) после минутного заряда напряжением 100 или 500 В, в зависимости от типа испытуемого конденсатора.

Материал

диэлектрика

Аббревиатура

Минимальная толщина, мкм

Диэлектрическая константа

(1 кГц, +23 °C)

Нормальная рабочая температура, °C (расширенная)

Температурный коэффициент, ppm/°C

Тангенс угла потерь
(1 кГц, +23 °C), %

Сопротивление изоляции, с

Диэлектрическая абсорбция, %

Источник: microwave-e.ru