Некоторые особенности применения оксидных конденсаторов.

на страницах сайта 

electrosad.narod.ru Rambler's Top100
 

Здесь не будут рассматриваться конструкции различных видов оксидных конденсаторов и их особенности, поскольку они описаны в литературе. Рассмотрим только особенности поведения их в применениях современной электроники, с точки зрения их нагрева.

Оксидные (электролитические) конденсаторы (ОК) применяются в фильтрах устройств питания, в качестве разделительных конденсаторов в УНЧ. Пока они применялись в фильтрах работающих в источниках питания промышленной частоты 50-60 Гц и малосигнальных цепях УНЧ, никаких проблем с ними не возникало. Исторически сложилось так, что на их частотные характеристики 10-15 лет назад особого внимания не обращали. Сейчас, диапазон их применений расширился. Это импульсные блоки питания (ИБП), сервоприводы и других устройствах с ШИМ, мощные импульсные нагрузки. Они применяются в качестве разделительных в выходных цепях УНЧ.

Все они характеризуются широкой полосой рабочих частот и большими токами.

В ИБП и других характеризующихся импульсным характером работы цепях эти ОК работать не могли. Они грелись, разрушались. Поэтому появились конденсаторы с малыми индуктивностями, потерями, а сейчас и супер малым сопротивлением потерь Rs (ESR), так называемые OSCON. Хотя уже имелись ОК которые по своей природе (физике) имеющие лучшие характеристики по сравнению с остальными и на уровне лучших современных, но они не находили ранее применения ввиду их дороговизны. Это так называемые «твердотельные» - оксидно-полупроводниковые и оксидные танталовые.

В чем особенность работы ОК в импульсных цепях?

Импульсные цепи отличаются широким частотным диапазоном токов.

Например, в ИБП частоты коммутации их силовых приборов сейчас составляют 60-:- 150 КГц. Разработчики стремятся повысить скорость переключения силовых коммутаторов, поскольку в результате уменьшается тепловыделение на них.

При этих частотах время переключения составляет 1-:-0,5 мкс.

(1)[Л.6]

Ширину спектра коммутируемых токов и согласно (1) можно определить как от 0 до 1-:-2 МГц. В этом диапазоне сосредоточено 90% мощности гармоник.

Это в фильтрах цепей питания!

Примерно аналогичная ситуация и с мощными динамическими нагрузками, в большинстве своем они имеют еще более короткое время переключения и соответственно шире гармонический состав напряжений и токов.

К таким нагрузкам можно отнести:

  • сервоприводы, построенные на принципах ШИМ (fгр=10-20 МГц),

  • сверх высококачественные УНЧ (fгр=0,1- 5 МГц),

  • узлы вычислительной техники (процессоры, чипсеты, модули памяти) (fгр=0,5-5 ГГц – именно ГГц, это не опечатка!).

 

Характеристики конденсаторов.

Все привыкли считать, что конденсатор для переменного тока имеет реактивное сопротивление равное:

ХС= 1/2πfC

Это так, но только в ограниченном предельной, для данного типа конденсатора, рабочей частотой. Во всем диапазоне частот это только одна из трех составляющих.

Исходя из реальной эквивалентной схемы конденсатора (одной для всех видов конденсаторов, в том числе ОК) имеющей вид:

Рис.1

Импеданс (полное сопротивление) конденсатора с эквивалентной схемой изображенной на рис.1 описывается формулой:

Здесь на эквивалентной схеме рис.1. параметры имеют значения:
R
п – ESR, эквивалентное сопротивление потерь ESR = Rп = tgδ · Xc,
L
п – ESL, собственная индуктивность ESL = XL = 2π·f·Lп,
C – собственно емкость конденсатора, имеет емкостное сопротивление Xc = 1/2π··f·C.
При резонансе выполняется условие XC = XL, при этом Z = Rп.

Все члены этого уравнения имеют существенное влияние на характеристики конденсаторов. XL ограничивает сверху частотный диапазон в котором работает конденсатор. На частотах превышающей резонансную для данной эквивалентной схемы XL начинает преобладать, и конденсатор работает как ИНДУКТИВНОСТЬ.

Рассмотрим практическое величины индуктивности выводов.

Индуктивность выводов любых конденсаторов при стандартной длине менее 25 нГ,
индуктивность Al ОК в безвыводном исполнении емкостью 47 мкФ – 6,8 нГ,
такой же танталовый ОК имеет собственную индуктивность 3,4 нГ.

Учитывая, что последние монтируются на плату индуктивность разводки, которой имеет существенное влияние на граничную частоту ОК, минимальная индуктивность приближается к величине 25 нГ.

Подведем итог. На частотах ниже резонанса импеданс имеет емкостной характер. На резонансной частоте его сопротивление активно и равно Rп, а на частотах выше резонансной импеданс носит индуктивный характер. Конденсатор работает как емкость только на частотах на 10% ниже резонанса. Поэтому импеданс ОК (как и других) является функцией частоты. Поэтому каждый вид конденсаторов (и даже внутри вида – разные конструкции и номиналы) работают в ограниченной полосе частот.

Для примера рассмотрим частотную зависимость импеданса разных моделей ОК. Они приведены на рис.5.

Это:

  • OS-CON 56,0 мкФ/16в (A),

  • Al электролитический низко импедансный 47,0 мкФ/16в (B),

  • Ta электролитический 47,0 мкФ/16в (C),

  • Al электролитический низко импедансный 1000,0 мкФ/16в (D).

Рисунок 1

На рис.5 видно, что поскольку конструктивные индуктивности конденсаторов равной емкости (A,B,C) приблизились к конструктивному минимуму и равны, характеристики отличаются только минимальным значением импеданса равным ESR.

На частотах ниже этого минимума, как уже было сказано выше, работает ОК.

Считается, что у всех типов конденсаторов тепловыделение определяется величиной ESR (Rп) и согласно [Л.1]

Pпот = 4πf2·C2·V2·Rп

Особенно важна величина сопротивления потерь Rп (ESR) для ОК стоящих в выходных цепях транзисторных усилителей НЧ. Выходное сопротивление этих усилителей составляет доли Ома, сопротивление нагрузки порядка нескольких Ом. Величина переменных составляющих токов протекающих через разделительные ОК могут доходить до сотен ампер. Поэтому сопротивление потерь должно быть как можно меньше. Для таких цепей выпускают специальные конденсаторы.

Рассмотрим процессы, происходящие в ОК работающих при наличии ВЧ составляющих тока.

В первую очередь это тепловыделение. Зная температуру корпуса ОК можно практически определить тепловыделение на конденсаторе. Это делается с помощью формул описывающих процессы конвективного теплообмена корпус ОК – среда.

Откуда берётся эта мощность, рассмотрим ниже.

Нагрев ОК определяется мощностью выделяемой в его объеме, для ОК это потери в диэлектрике, потери в металлических элементах. (2)

Потери в ОК описываются тангенсом угла потерь tgс.

Типовое значение для ОК tgс =1000-2000х10-4 на частоте 50 Гц. Это значит, ее величина достигает 0,1-0,2% мощности тока проходящего через конденсатор на частоте 50 Гц.

      (2)

Где:
Pn
– мощность потерь;
Pc
– мощность в конденсаторе (реактивная);
Pm
– мощность потерь в металле;
P
 - мощность потерь в диэлектрике;
tg
m, tg– тангенс угла потерь, для металла и диэлектрика соответственно.

С ростом частоты тока, растет и мощность потерь, поскольку мощность потерь в металлах растёт с ростом частоты:

    (3)

tgс имеет тенденцию роста с ростом частоты.

Учитывая, что спектральный состав фильтруемых токов (напряжений) доходит до единиц мегагерц в ИБП, можно сказать самые лучшие и дорогие ОК работают даже ИБП на пределе возможности.

Но, как писалось выше, существуют цепи, где гармонические составляющие фильтруемых токов много выше чем в ИБП. Там в ОК в тепло переходит более 80% , высокочастотных составляющих.

Есть схемные способы борьбы с ВЧ составляющими фильтруемых токов и поэтому тепловыделением и перегревом, о них сказано в других статьях сайта.


 

Как влияет на работу ОК повышение температуры?[Л.5]
  1. Сопротивление изоляции.

Сопротивление изоляции с ростом температуры на 10 град.C падает в 1,26 – 2 раз, а при повышении температуры до предельной 105 град.C в 7 – 350 раз. Минимальные значения соответствуют неорганическим диэлектриков, а максимальные органическим.

  1. Электрическая прочность.

Электрическая прочность конденсатора с ростом частоты приложенного напряжения падает в 3 раза при повышении частоты в 10 раз, при номинальной мощности потерь.

Посмотрим, какую мощность способны рассеивать корпуса ОК.

В условиях естественного конвективного теплообмена, при максимальной температуре корпуса равной 105 °С и в зависимости от типоразмера отводимая мощность приведена в таблице 1.

Типоразмер, DxL,
мм
8х11,5 8х16 8х20 10х12,5 10х16 10х20 10х25 13х25 13х30 13х35 16х25
Отводимая мощность,
Вт.
0,41 0,5 0,82 0,68 0,87 1,05 1,26 1,58 1,9 2,6 2,17

Именно поэтому некоторые производители ставят нагревающиеся ОК в зонах, где присутствуют воздушные потоки от принудительно охлаждаемых узлов. Переводя их охлаждение в режим принудительной конвекции, чем многократно усиливают теплоотдачу корпусов ОК.

Ресурс ОК существенно зависит от температуры (см. рис. ниже для 4 типов ОК)

Самые лучшие ОК с малыми потерями имеют ресурс 2000 ч.на своей максимальной температуре, а обычные только 1000ч. Их ресурс падает в 70-80 раз.

При 24 часовом режиме работы это всего 42 дня, а 8 часовом - 125 дней.

Подведём итоги.

Всё изложенное выше говорит о том, что недопустимо использовать ОК в цепях питания таких нагрузок без применения специальных мер. Так как это приводит к снижению надёжности ОК, и может спровоцировать их выход из строя даже в рабочем диапазоне температур. Недопустима замена ОК с разрушенным в процессе эксплуатации корпусом на аналогичные с меньшим размером корпуса (типоразмером).

Надежность ОК в предельных режимах значительно падает. Их использование при одновременном действием нескольких предельных параметров недопустимо.

Литература для более глубокого изучения:

  1. Low Inductance Capacitors, AVX, (w2lw3l.pdf)

  2. Multilayer Ceramic Chip Capacitors, NMC series X7R, Nic Components, (nmc2.pdf)

  3. OS-CON, Part VII, Construction and Characteristics, Sanyo, http://www.avelcom.ru/pdf/o55.pdf

  4. Ренне В.Т. Электролитические конденсаторы. М., Энергия, 1969 г.

  5. Дулин В.Н., Жук М.С. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. М, Энергия, 1977 г.

  6. И.С.Гоноровский Радиотехнические цепи и сигналы Ч.1, М, Советское радио, 1967 г.

  7. Henry W. Ott Noise reduction techniques in electronic system. John Wiley & Sons N-Y, 1976

  Rambler's Top100

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "electrosad.narod.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через гостевую книгу, форум или почтой.

Copyright Sorokin A.D.

Дата - 2007 год. Ver.4


Сайт создан в системе uCoz