Конденсатор является одним из наиболее часто используемых элементов в радиоэлектронике. Несмотря на развитие технологий, ни одна цифровая схема не обходится без конденсаторов, в основном из-за всплесков тока, возникающих при переключении миниатюрных КМОП-транзисторов в ее структуре. Правильно подобранная мощность, включаемая в цепь питания схемы, обеспечивает эти переключения энергией, одновременно снижая эмиссию помех и обеспечивая бесперебойную работу. Без конденсаторов не будут работать (или будут со значительным ухудшением параметров), преобразователи напряжения, стабилизаторы, усилители, автогенераторы и многие другие узлы.
История создания конденсатора
Изобретение конденсатора приписывают немецкому ученому Эвальду Георгу фон Клейсту, который сделал его в 1745 году. Затем упоминание об этом изобретении, а возможно, и более подробное его описание перешли в Лейденский университет, к профессору Питеру ван Мусшенбруку. Он разработал свой вариант изобретения, который до сих пор присутствует во многих школьных физических лабораториях под названием «лейденский цилиндр». Именно этот цилиндр, а не прототип Клейста, сейчас считается первым электрическим конденсатором.
Те конденсаторы использовались в основном для экспериментов с еще непонятым электричеством, а также для производства спецэффектов для использования в различных представлениях. Только Франклин отнесся к ним серьезно, отметив, что плоские поверхности, разделенные стеклянным диэлектриком, накапливают электричество не хуже лейденской бутылки. Опираясь на собственный опыт, он изготовил плоский конденсатор, который назвал квадратом Франклина. Но первооткрывателем практического применения конденсаторов был Майкл Фарадей, который попытался с помощью конденсатора «запомнить» электроны, образовавшиеся в ходе его экспериментов. Многочисленные попытки привели к разработке конденсатора, сделанного из большой масляной бочки.
Формула электрической емкости плоского конденсатора хорошо известна ещё со школы. Напомним, что в знаменателе произведение относительной диэлектрической проницаемости на площадь поверхности, а в числителе — расстояние между пластинами. Таким образом, чем больше диэлектрическая проницаемость и меньше расстояние между пластинами, тем большую емкость будет иметь конденсатор. Хотя формула емкости многократно сложенного цилиндрического конденсатора иная, по-сути его емкость будет зависеть от тех же факторов. Поэтому технологическая гонка в области улучшения параметров конденсаторов в основном касается материалов, используемых для пластин, их выводов и диэлектрического слоя.
В девяностые годы были в основном отечественные твердотельные и электролитические конденсаторы, хотя импортные тоже встречались. В то же время начали использовать SMD конденсаторы, изначально в профессиональной аппаратуре и в основном для фильтрации питания из-за отсутствия выводов в виде проводов, которые для тока достаточно высокой частоты представляют собой индуктивность и портят схемные параметры. Но чаще использовались конденсаторы для сквозной сборки, названия которых зависят от типа диэлектрика. Это были слюдяные, керамические и электролитические конденсаторы. Танталовые конденсаторы хотя и доступны, но из-за высокой цены по сравнению с электролитическими конденсаторами применялись относительно редко. В те годы их недостатками было также небольшое – по сравнению с электролитическими конденсаторами – напряжение пробоя. Ну и знаменитые “каэмки”, которые из-за дороговизны материалов, позже почти все ушли на переработку.
Да, возможности полупроводниковых схем растут стремительными темпами, но следует также отметить, что производители пассивных компонентов тоже совершенствуют свою продукцию и современные конденсаторы имеют гораздо лучшие электрические параметры, а также гораздо меньшие габариты.
Многослойные конденсаторы MLCC
Английская аббревиатура MLCC рядом с названием означает многослойный керамический конденсатор. Он состоит из множества одиночных конденсаторов, уложенных друг на друга и соединенных параллельно. Сырьем для производства таких конденсаторов обычно служат суспензии тонкоизмельченного диоксида титана (TiO2) или титаната бария (BaTiO3) с добавками Zr, Nb, Co или Sr. Целью здесь является получение частиц с размером менее 10 нм. Эти суспензии смешиваются со специальным связующим компонентом и перерабатываются в керамические пленки, толщина которых составляет всего несколько тысячных долей миллиметра.
Современный конденсатор MLCC может иметь диэлектрический слой толщиной до 1/1000 мм, а количество слоев может превышать тысячу.
Толщина отдельных слоев зависит от степени фрагментации и особенностей зернистости керамических частиц. В настоящее время наблюдается тенденция к все меньшему и меньшему масштабу, что заставляет искать новые материалы и способы их измельчения. Емкость современных конденсаторов MLCC достигает 100 мкФ. Но необходимо учитывать, что чем выше емкость, тем тоньше диэлектрический слой и, следовательно, ниже напряжение пробоя.
Конденсаторы MLCC можно использовать при температуре 150 градусов, а специальные версии даже до 200°С. Высокая термостойкость достигается за счет соответствующих диэлектриков: X8R, X8L и X9U (200°С). Их использование гарантирует хороший температурный коэффициент. Изменения емкости в максимальном диапазоне температур составляют: X8R ±15 %, X8L +15…-40 %, X9U +15…-56 %. Очевидно, что при более низкой температуре получаются лучшие параметры, например около -7,5% при 125°С. Также растет число компонентов, оптимизированных для функций, которые они должны выполнять в конкретном устройстве. Для них может потребоваться, например, чрезвычайно низкая паразитная индуктивность и, кроме того, четко определенные характеристики постоянного и переменного тока.
Примерно за 30 лет в области конденсаторов MLCC были достигнуты значительные успехи. По сравнению с 1980-ми годами, когда они были запущены в серийное производство, конденсатор миниатюризировался в 100 раз! Например конденсатор емкостью 100 нФ, который обычно использовался для фильтрации питания в 1980-х годах, был размещен в корпусе 3216, а в настоящее время его можно легко приобрести даже в корпусе 0603!
Танталовые конденсаторы
Где-то 30 лет назад если и использовали танталовые конденсаторы, то в основном малой емкости (порядка единиц мФ) и сквозной сборки. Они имели характерный каплевидный корпус, чаще всего красного и синего цвета.
Танталовые электролитические конденсаторы имеют твердофазный электролит. В настоящее время, в основном благодаря технологии сборки SMT и значительному удешевлению, они приобрели большую популярность и используются гораздо чаще и охотнее, чем 30 лет назад. Применяются в основном в силовых цепях, отличаются стабильностью параметров, долговечностью и малыми габаритами.
В современных танталовых конденсаторах используются полимерные катоды для снижения последовательного сопротивления (ESR), эквивалентной последовательной индуктивности (ESL) и обеспечения дальнейшей миниатюризации. При использовании высококачественных танталовых порошков эти конденсаторы значительно превосходят по своим параметрам конденсаторы изготовленные по другим технологиям, особенно типовые электролитические.
В обычных танталовых конденсаторах в качестве катода используется спеченный диоксид марганца (MnO2). Этот недорогой полупроводниковый материал является самовосстанавливающимся, что обеспечивает надежность, но при высокой температуре из-за большого содержания кислорода может воспламеняться, поэтому с середины девяностых годов ведутся работы по замене MnO2 проводящими полимерами. Их значительно более высокая электропроводность приводит к более низкому ESR, что в сочетании с устранением опасности воспламенения способствует увеличению уровня затрат на эту технологию.
Полимерные танталовые конденсаторы отличаются от обычных только со стороны катода. Полимерный слой не содержит кислорода, поэтому риск воспламенения при перегрузке практически исключен. В результате полимерные танталовые конденсаторы обеспечивают большую надежность. Эта технология также позволяет получить повышенное номинальное напряжение (до 125 В). Кроме того, использование полимеров исключает пьезоэлектрический эффект и склонность к растрескиванию.
Производители предлагают различные типы танталовых конденсаторов, оптимизированные для целевого применения. Различные производственные серии специализированы по-разному, например, с точки зрения снижения ESR, миниатюрных размеров корпуса, получения повышенной надежности (военная, автомобильная или медицинская серия), снижения тока утечки в приборах с батарейным питанием или достижения устойчивости к повышенным температурам. Конденсаторы с уменьшенным ESR обеспечивают больший КПД в импульсных устройствах и лучшую фильтрацию помех питания.
Материал катода и процесс его формирования оказывают существенное влияние на величину ESR. Как уже упоминалось, значительное снижение ESR было достигнуто заменой MnO2 проводящим полимером. Для дальнейшего улучшения этого параметра железо-никелевый сплав (сплав 42), используемый для производства металлического свинцового каркаса, был заменен на медь. Электропроводность меди примерно в 100 раз выше, чем у сплава 42, поэтому, например, ESR танталового полимерного конденсатора Vishay 100 мкФ 6,3 В в корпусе «А» (EIA 3216) с обычной выводной рамкой составляет 70 мОм при 25°С и частоте 100 кГц, а с медным каркасом при сохранении тех же параметров окружающей среды около 40 мОм.
Преимущество полимерных танталовых конденсаторов определяется и их сроком службы – он практически не ограничен. В отличие от алюминиевых электролитических конденсаторов с постепенно высыхающим жидким электролитом, они полностью состоят из твердых тел и поэтому сохраняют свои свойства на протяжении всего срока службы. В полимерных танталовых конденсаторах практически отсутствуют ограничения по сроку службы, вытекающие из применяемой технологии, а на долговечность самих конденсаторов влияет температура окружающей среды, последовательное сопротивление и возникающие в конденсаторе потери мощности.
При использовании обычных электролитических или танталовых конденсаторов, обычно сразу несколько из них включают параллельно для уменьшения ESR. Полимерные танталовые конденсаторы позволяют достичь желаемого значения всего одним компонентом. В результате можно изготовить устройство с меньшими габаритами и уменьшить количество его компонентов.
Пленочные конденсаторы
Технология изготовления плёночных (фольгированных) конденсаторов также изменилась с появлением новых материалов. Габариты конденсаторов уменьшились, параметры значительно улучшились.
Металлизированные пленочные конденсаторы обычно используются для защиты от кондуктивных помех и для фильтрации напряжения питания полупроводниковых компонентов с питанием от постоянного тока. Обычно конденсаторы «X2» для сети используются в фильтрах приборов, питающихся непосредственно от сети. Они обеспечивают множество преимуществ, в том числе низкий коэффициент рассеяния Df, практически не зависящий от температуры и частоты.
Из-за меньших габаритов фольгированных конденсаторов они быстрее стареют, что проявляется снижением емкости. Основная причина – электрическая дуга (коронный эффект – внутренняя ионизация), вызывающая испарение металлического покрытия. Дополнительными факторами, снижающими надежность, являются повышенная температура и влажность.
Производители конденсаторов хорошо осведомлены об этом риске и предлагают пленочные конденсаторы не обладающие эффектом коронного разряда. Они имеют специальную структуру препятствующую образованию электрической дуги, и изготовлены из материалов повышенной прочности. Кроме того, такие конденсаторы могут содержать встроенные RC-цепи, что позволяет избежать ионизации и обеспечивает повышенную надежность.
Электролитические конденсаторы
До недавнего времени электролитические конденсаторы были единственными, обладающими достаточной емкостью для использования в энергосистемах. Ведь четверть века назад большой популярностью пользовались блоки питания выполненные на базе сетевых трансформаторов, которые сегодня встречаются довольно редко – им на смену пришли импульсные преобразователи. А основными элементами трансформаторного блока питания являются выпрямительный мост и фильтрующий конденсатор большой емкости в зависимости от потребляемого тока.
Обычно в таких блоках питания ставили конденсаторы емкостью от 1000 до 10 000 мкФ. Сегодня встретить такую большую емкость в БП уже редкость. Помнится, раньше отказы электролитических конденсаторов были частой причиной выхода из строя оборудования, а сегодня ели они и случаются, то намного реже.
Преобразователи постоянного тока в постоянный (DC-DC) и прогрессирующая миниатюризация электронных устройств установили новые требования к технологии электролитических конденсаторов. Первое — возможное низкое сопротивление ESR, второе — повышенная рабочая температура. Современные электролитические конденсаторы не только меньше по размерам, но и могут использоваться при температуре 100°С. Также есть серии выдерживающие до 150°С. Поэтому стоит использовать новые типы электролитических конденсаторов, которые не теряют своих функциональных параметров в течение более длительного периода времени и выдерживают повышенные температуры. Они не только имеют больший срок службы (до 20 000 часов при 100°С), но и дешевле в покупке.
В электролитическом конденсаторе пластины отличаются друг от друга. Одна из них представляет собой металлический электрод — обычно алюминиевый, а другая — электролитический электрод. Диэлектрический слой создается при приложении напряжения – в алюминиевом конденсаторе это оксид алюминия. Как известно из уроков физики, при явлении электролиза на аноде выделяются иные вещества, чем на катоде. Поэтому для электролитического конденсатора важна полярность напряжения на обкладках.
Ионисторы
Наконец, нельзя не заметить нового члена семейства электролитических конденсаторов – суперконденсатора (ионистора). В начале 1950-х годов инженеры начали эксперименты с использованием электродов из пористого активированного угля для топливных элементов и электрических батарей. Активированный уголь представляет собой электрический проводник, который характеризуется пористой, «губчатой» структурой с сильно развитой удельной поверхностью.
В 1957 г. Беккер разработал «низковольтные электролитические конденсаторы с углеродным пористым электродом». Он предположил, что энергия запасается в них в виде заряда в углеродных порах, подобно вытравленной фольге электролитических конденсаторов. В то время механизм двойного слоя не был известен.
Ранние электрохимические конденсаторы состояли из двух алюминиевых пластинок фольги, покрытых активированным углем, в качестве электродов, пропитанных электролитом и разделенных тонким слоем пористого изолятора. Эта модель обеспечила конденсатор емкостью 1 фарад, что значительно больше чем у электролитических конденсаторов тех же размеров.
Суперконденсаторы используются в качестве заменителей батарей, обеспечивающих питание памяти, работу часов RTC и так далее. Они характеризуются большой емкостью — до нескольких сотен фарад — и относительно низким напряжением пробоя — обычно около 2,5 В. Их охотно используют из-за очень долгого срока службы. Их электроды не деградируют даже после многих тысяч циклов, как в случае с батареями. Более того, батарея, независимо от типа, имеет ограниченный срок службы, так как накопление энергии в ней происходит в соответствии с химическими изменениями электродов, вызывающими их деградацию. Так что на технологию суперконденсаторов возлагаются большие надежды. Есть мнение, что в будущем эти конденсаторы могут полностью заменить аккумуляторы. Хотя почему в будущем? Это происходит уже сейчас…