ОСОБЕННОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ С НИЗКИМ ESR До
последнего времени четкое определение конденсатора с низким ESR
отсутствовало. Такие стандарты, как JIS5141 и EIA395, касаются только
процедур испытаний конденсаторов. Отсутствие стандартов заставило
отдельных производителей самостоятельно определять, что же значит
конденсатор с низким ESR. В итоге большинство поставщиков установили
согласованный критерий, определяющий такие конденсаторы как элементы, у
которых: · срок службы больше, чем у стандартных конденсаторов; · максимальный импеданс задается на частоте 100 кГц и остается неизменным в диапазоне температур +20…-10°С; · пульсирующий ток определяется на частоте 100 кГц; · повышенная температурная стабильность (температурный коэффициент импеданса). Конденсаторы с низким ESR одного и того же номинала могут монтироваться в корпуса различных размеров. Для
лучшего понимания того, что же представляют собой конденсаторы с низким
ESR и каковы их характеристики, необходимо сначала понять, что же
значит низкое ESR и как оно влияет на рабочие характеристики схемы. Эквивалентная
схема конденсатора содержит четыре основных элемента (рис.1), причем
значения трех – импеданса конденсатора (Z), эквивалентного
последовательного сопротивления (ESR), эквивалентной последовательной
индуктивности (ESL) – зависят от частоты. Значение Rp зависит от
постоянного тока. Рассмотрим лишь зависящие от частоты характеристики
конденсатора – ESL, ESR и Z. ESL – сумма индуктивностей всех индуктивных элементов конденсатора. ESL = 2PIЧfЧL, где f – рабочая частота и L – индуктивность. ESR, подобно ESL, – сумма всех резистивных элементов конденсатора. ESR = DF/(2PIЧfЧC)ЧХс, где DF – коэффициент рассеяния, f – частота, С – емкость и Хс – емкостное сопротивление, ... Z – импеданс конденсатора. Z = Ц(ESR)2 + (ESL – Xc)2. Зависимости этих параметров от частоты приведены на рис.2. Частотные
зависимости параметров всех конденсаторов имеют одинаковый характер.
Таким образом, для уменьшения ESR следует использовать конденсатор либо
большей емкости, либо с меньшим коэффициентом рассеяния. Уменьшение ESR с
увеличением емкости конденсатора хорошо понятно и не требует
объяснений. Уменьшение ESR за счет применения диэлектрика с меньшим
коэффициентом рассеяния наглядно иллюстрирует табл.1, из которой можно
сделать несколько важных выводов. Во-первых, если обратить внимание
на частоты, для которых рассчитывалось значение ESR, можно отметить, что
с увеличением частоты значение ESR уменьшается. Поэтому при задании в
технических условиях на конденсатор с низким ESR требуемого значения
эквивалентного последовательного сопротивления необходимо также
указывать частоту, на которой ESR измеряется, в противном случае велика
вероятность неправильного выбора конденсатора. На рис.3 приведена
типовая зависимость ESR от частоты для танаталового конденсатора
емкостью 22 мкФ на напряжение 25 В. Важна и температура, которую
необходимо учитывать при оценке конденсатора, особенно если он должен
работать при минусовых температурах. Это в первую очередь существенно
для алюминиевых электролитических конденсаторов. При очень низких
температурах емкость этих конденсаторов может уменьшиться на 10–40%, а
DF возрасти на порядок. Поэтому конденсаторы, которые должны работать
при низких температурах окружающей среды, необходимо выбирать очень
тщательно. Во-вторых, у конденсаторов с различными диэлектриками
различны и значения ESR. Меняя диэлектрик, можно изменять значение ESR.
Следует обратить внимание на существенное различие между значениями ESR
для алюминиевых электролитических и полипропиленовых конденсаторов.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Различны
и значения ESR для пленочных и алюминиевых электролитических
конденсаторов. Эти различия определяют предпочтительные области
применения каждого типа. К достоинствам пленочных конденсаторов
относятся, в первую очередь, независимая полярность конструкции, высокое
рабочее напряжение, малые значения емкости, жесткие допуски на значение
емкости, самовосстановление (только металлизированная конструкция),
высокая безотказность, стойкость к большому току пульсации, разнообразие
форм выводов и корпусов. Применяются пленочные конденсаторы, как
правило, в системах, где требуется низкое ESR для подавления
электромагнитных и радиопомех. Алюминиевые электролитические
конденсаторы широко используются в импульсных преобразователях
напряжения. Выпускаются они различных, отличающихся по своим параметрам,
типов (табл.2). Так, в сравнении со стандартными, алюминиевые
электролитические конденсаторы с низким ESR характеризуются большими
значениями емкости, большим сроком службы (более 5 тыс. часов) и
долговечностью при полной нагрузке, способностью выдерживать более
высокие токи пульсации, большим разнообразием размеров корпусов. Самые
большие различия получены для таких параметров, как долговечность при
полной нагрузке, импеданс (Z) и ESR на частоте 100 кГц. Конденсаторы с
малыми значениями ESR и импеданса широко используются в импульсных
источниках питания для обеспечения стабильности их характеристик.
Конденсаторы с высокими значениями ESR будут слишком нагреваться и не
позволят стабилизировать ток. Очевидно, саморазогрев конденсаторов также
приводит к сокращению их срока службы и, соответственно, к ухудшению
характеристик и срока службы стабилизатора на токовых ключах. К тому же,
максимальное значение тока пульсации низкоимпедансных конденсаторов
больше, чем у стандартных, что позволяет сократить число используемых
элемнтов и, тем самым, уменьшить размеры преобразователя. В качестве
примера на рис.4 приведена зависимость напряжения пульсаций на ИС от ESR
конденсатора, используемого в цепи развязки по питанию. Комментарии,
как говорится, излишни. Таким образом, если в схеме необходимо
использовать конденсаторы с низким ESR, в первую очередь следует
определить допустимые пределы значения эквивалентного сопротивления и
выбрать компоненты, "соответствующие" требованиям. При этом важно знать
условия, при которых производитель проводил испытания, поскольку их
характеристики существенно влияют на работу конденсатора в схеме.
Серьезную техническую поддержку при выработке требований и рекомендаций
по выбору нужного типа конденсатора оказывают разработчикам такие
изготовители, как Teapo Electronics и Illinois Capacitor.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Ведущие
мировые компании по производству конденсаторов уделяют очень большое
внимание конденсаторам с низким ESR. Например, Teapo Electronic
Corporation, специализирующаяся на выпуске высококачественных
алюминиевых электролитических и пленочных конденсаторов, предлагает
алюминиевые электролитические низкоимпедансные конденсаторы с низким ESR
на рабочую температуру до 105°C серий SC (срок службы 3 тыс. ч при
температуре 105°C ) и SX (5 тыс. ч при температуре 105°C ). Но,
пожалуй, нигде, кроме России, нельзя встретить столь вопиющее
неcоответствие между назначением изделия и уровнем (откровенно низким)
используемой элементной базы. Например, вряд ли где-либо еще в дорогой
системе промышленной автоматики можно найти плохие "электролиты". И это
не у одного какого-либо производителя. Это – общая беда российской
электронной промышленности последних лет. Правда, сегодня ситуация
меняется. Качественные конденсаторы, в том числе и с низким ESR, по цене
лишь незначительно превосходящие стандартные, становятся доступными
отечественному производителю. К тому же, меняется и его менталитет. И
это дает надежду на то, что изделия с маркой "Сделано в России" в
реальности, а не на бумаге, не будут уступать лучшим зарубежным
аналогам.
