Полимерные конденсаторы - альтернатива многослойным керамическим конденсаторам

Расширение сферы применений портативных устройств для обработки информации и вычислений, а также рост автомобильной промышленности вызвали огромный спрос на многослойные керамические конденсаторы. Сложность производственных процессов при изготовлении этих конденсаторов (с использованием чередующихся слоев керамики и металла толщиной в несколько нанометров) ограничивает число производителей, способных осуществлять последовательный контроль качества.
4432
В избранное

Расширение сферы применений портативных устройств для обработки информации и вычислений, а также рост автомобильной промышленности вызвали огромный спрос на многослойные керамические конденсаторы. Сложность производственных процессов при изготовлении этих конденсаторов (с использованием чередующихся слоев керамики и металла толщиной в несколько нанометров) ограничивает число производителей, способных осуществлять последовательный контроль качества. Отраслевые наблюдатели ожидают, что дефицит исчезнет к 2020 году, но производители конечных изделий электроники по-прежнему обеспокоены. 

Хорошей новостью является то, что у инженеров есть множество способов избежать применения в разработках многослойных керамических конденсаторов. Один из подходов состоит в том, чтобы использовать конденсаторы большей емкости в доступном типоразмере, если это не требует больших изменений в трассировке печатной платы. Другой подход заключается в параллельном соединении конденсаторов меньшей емкости или использовании конденсаторов, выполненных по совершено другой технологии, такой как полимерные конденсаторы.

Онлайн-сообщество “Element14” проверило последнее утверждение относительно полимерных конденсаторов в рамках специального конкурса. В поисках подходящих альтернатив интернет-сообщество из более чем 650 000 инженеров провело конкурс, который включал в себя испытания полимерных конденсаторов на предмет того, как они ведут себя по сравнению с аналогичными керамическими конденсаторами. В итоге были получены очень интересные результаты.

Участники конкурса получили набор из 17 типов полимерных конденсаторов производства Panasonic, которые обладали емкостью 4,7…470 мкФ. Они также получили тестер, который позволял измерять пиковые значения эквивалентного последовательного сопротивления конденсаторов (далее ESR), экспериментировать с различными конденсаторами, создавать оригинальные схемы, модифицировать уже существующие и так далее (рисунок 1). Вот что написали участники экспериментов о сделанных выводах.

Их первая задача заключалась в том, чтобы найти лучший способ измерения величины ESR и фактической емкости конденсаторов. Эти параметры важны потому что современным микропроцессорным системам требуются источники питания, выдающие большой ток и с чрезвычайно быстрым прохождением переходных процессов, что в свою очередь требует жесткого регулирования. Эти условия создают потребность в экономичных компактных конденсаторах с высокими значениями емкости.

Идеальный конденсатор не имеет эквивалентного последовательного сопротивления, однако во всех реальных конденсаторах это сопротивление присутствует, хотя и имеет крайне небольшие значения. ESR конденсатора влияет на поведение всей электрической цепи и по прошествии определенного времени. Из-за старения и высыхания электролита в некоторых конденсаторах, неправильного использования и перегрева значение этого параметра может ухудшиться. В таком случае рассеиваемая мощность возрастает, что еще более ухудшает производительность.

ESR-метр ESR 70 и настольный мультиметр Tenma 72-1020, используемые для измерения величины ESR при испытаниях конденсаторов

Рис. 1. ESR-метр ESR 70 и настольный мультиметр Tenma 72-1020, используемые для измерения величины ESR при испытаниях конденсаторов

Одной из первых целей участников эксперимента был поиск наиболее надежного способа измерения величины ESR полимерных конденсаторов. Для этого участники использовали два разных метода измерений: метод измерения при помощи осциллографа и метод с использованием специального измерителя значения ESR (рисунок 2). Исследованные конденсаторы соответствовали своим спецификациям с учетом условий, при которых проводились измерения. Участники исследования были особенно внимательны к тому, чтобы обеспечить надежный контакт между выводами конденсатора и щупами средства измерения величины ESR.

В итоге оба метода дали схожие результаты, хотя были отмечены некоторые важные моменты. Значения емкости, измеренные с помощью ESR 70 и настольного мультиметра Tenma 72-1020 были в практически полном соответствии, хотя ESR 70 неизменно давал результаты, значения которых были ниже, чем у Tenma 72-1020. Прибор ESR 70 оказался простым в использовании, но ему не хватает точности для измерения значений ESR ниже, чем, примерно, 0,04 Ом.

Типовые схемы для измерения величины ESR конденсатора с использованием осциллографа и встроенного генератора сигналов

Рис. 2. Типовые схемы для измерения величины ESR конденсатора с использованием осциллографа и встроенного генератора сигналов

Метод с применением осциллографа, хотя и сложнее в настройке и медленнее, дает схожие с полученными при помощи прибора ESR 70 результаты. Однако метод с применением осциллографа имеет некоторые преимущества. Например, изменяя частоту или просто наблюдая форму сигнала, можно получить более глобальное понимание иных причин, которые вызывают неидеальное поведение конденсатора (скажем, наличие индуктивности выводов). 

Уменьшение пульсаций на выходе при коммутации

В другом эксперименте было исследовано влияние замены керамических конденсаторов на полимерные. Участники исследования подключили емкость к силовому модулю TI SWIFT Power Module, чтобы увидеть, уменьшают ли полимерные конденсаторы пульсации на выходе модуля.

Силовой модуль SWIFT TPSM84A21 10 A представляет собой понижающий преобразователь, который позволяет получить на выходе постоянное напряжение в диапазоне 0,508…1,3 В с максимальным током 10 А при входном постоянном напряжении 8…14 В. Модуль имеет встроенные конденсаторы на входе и на выходе. Внешняя емкость обычно не требуется. Однако если источник входного напряжения находится на расстоянии более нескольких дюймов от TPSM84A21, то может возникнуть необходимость в дополнительной емкости, которую необходимо подключить ко входу микросхемы. Типовое рекомендуемое значение входной емкости составляет 47…100 мкФ.

Члены сообщества проверили, может ли помочь в решении поставленной задачи полимерный конденсатор с низким значением ESR. Чрезвычайно низкое значение ESR необходимо для уменьшения амплитуды пульсаций напряжения и, как правило, в этом случае используются керамические конденсаторы. Альтернативой является один алюминиевый полимерный конденсатор Panasonic, который может заменить несколько керамических конденсаторов.

Участники сообщества оценили ограниченное количество условий проведения эксперимента при относительно низкой выходной мощности. В первом испытании не использовалась внешняя дополнительная емкость, в результате чего величина пульсаций составила около 8 мВ. Коммутационный шум возникал на той же частоте, что и коммутация модуля.

Затем участники экспериментировали, добавляя внешнюю входную емкость в виде алюминиевого твердотельного конденсатора Panasonic для поверхностного монтажа на 120 мкФ. Добавление внешнего конденсатора уменьшило пульсации с 8 до 5,6 мВ, что значительно ниже значения, указанного в описании модуля.

Пульсаций и шума, не уменьшенных посредством фильтрации, может быть достаточно, чтобы ухудшить характеристики устройств, подключенных к источнику питания. Добавление дополнительной емкости показало, как можно уменьшить шум и пульсации на выходе схемы.

Схема накачки заряда

Рис. 3. Схема накачки заряда

Другой эксперимент был сосредоточен на схеме накачки заряда и сравнивал характеристики полимерных конденсаторов с характеристиками многослойных керамических. В качестве краткого обзора: схема накачки заряда – это своего рода преобразователь постоянного тока (DC/DC-преобразователь), который использует конденсаторы для повышения или понижения напряжения. Некоторые виды коммутирующих устройств контролируют подключение напряжения питания к нагрузке через конденсатор. В схеме накачки заряда с двухступенчатым циклом конденсатор на первом этапе подключается через источник питания и заряжается от источника напряжения питания. На втором этапе схема изменяется таким образом, что конденсатор включается последовательно с источником питания и нагрузкой. Это делает напряжение на нагрузке равным сумме напряжения питания и напряжений на конденсаторах. Импульсный характер переключаемого более высокого выходного напряжения часто сглаживается путем использования конденсатора.

Системы с накачкой заряда могут удваивать, утраивать напряжение, вдвое уменьшать его и генерировать произвольные напряжения путем быстрого переключения между режимами, в зависимости от топологии схемы и применяемого контроллера. В данном случае схема накачки заряда представляла собой схему Диксона, в которой использовался вход, на который подавалось 12 В. На выходе без подключенной нагрузки было напряжение порядка 48 В (рисунок 3).

Генератор, приводящий в действие схему накачки заряда.

Рис. 4. Генератор, приводящий в действие схему накачки заряда

Экспериментаторы управляли этой системой с помощью простого генератора. Конструкция генерировала последовательность импульсов на выходе, используя счетчик 74HC4040D, инверторы на основе триггеров Шмитта 74AC14 и H-образный мост LMD18201 (рисунок 4). Схема использовала только один из выходов драйвера H-образного моста, потому что конденсаторы полярные, а полный мост сгенерировал бы напряжение обратной полярности, которое было бы подано на конденсаторы. В системе использовались керамические многослойные конденсаторы и полимерные конденсаторы, в обоих случаях это были конденсаторы емкостью 10 мкФ и рабочим напряжением 50 В.

В таблице 1 приведены результаты исследования функционирования конденсаторов в схеме накачки заряда. Полимерные конденсаторы могут значительно лучше выполнять свою функцию, чем многослойные керамические конденсаторы, особенно в тех случаях, когда рабочее напряжение близко к номинальному напряжению конденсатора.

Параметр Многослойный керамический конденсатор Полимерный конденсатор
Выходное напряжение, В 49 49
Входное напряжение, В 16 14,05
Входной ток, А 0,572 0,565
Выходной ток, А 0,139 0,138
Входная мощность, Вт 9,15 7,94
Выходная мощность, Вт 6,82 6,76
Эффективность, % 74,5 85,2
Напряжение пульсаций, Vp-p 2,91 0,5

Участники обнаружили, что без нагрузки обе схемы накачки генерировали одинаковое повышенное напряжение; при 12 вольтах на входе они выдавали 47 вольт на выходе. Тем не менее, чтобы получить на выходе 49 В, схеме с применением керамических многослойных конденсаторов потребовалось дополнительно подать еще два вольта на вход, что на 13% больше номинального входного напряжения.

Для схемы накачки заряда с полимерными конденсаторами и выходным напряжением 49 В, где в качестве нагрузки был подключен нагреватель клеевого пистолета, входная мощность составила 7,94 Вт, выходная мощность – 6,76 Вт, а КПД составил 85,2%. Для многослойных керамических конденсаторов, использовавшихся в схеме накачки заряда с выходным напряжением 49 В и аналогичной подключенной нагрузкой в виде нагревателя, входная мощность составила 9,15 Вт, выходная мощность – 6,82 Вт, а КПД – 74,5%.

Испытания также показали, что пульсации выходного напряжения в цепи, содержащей многослойные керамические конденсаторы, были примерно в пять раз выше, чем в цепи, содержащей полимерные конденсаторы, что было бы важно, если бы схему использовали в качестве источника питания. При том же входном напряжении (12 В) схема, содержащая полимерные конденсаторы, генерировала примерно на шесть вольт больше (под нагрузкой), чем схема с многослойными керамическими конденсаторами, что выше примерно на 17%.

Реальная альтернатива многослойным керамическим конденсаторам

Применение схемы накачки заряда показало, что полимерные конденсаторы могут работать значительно лучше, чем многослойные керамические конденсаторы, особенно в тех случаях, когда фактическое рабочее напряжение близко к номинальному напряжению конденсатора.

Экспериментаторы проверили работу схемы при различных условиях и при относительно низких значениях выходной мощности, с внешней входной емкостью и без нее. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

№ испытания (эксперимента) Входное напряжение, В Входной ток, А Выходное напряжение, В Выходной ток, А Нагрузка на выходе, Ом Мощность, рассеиваемая на нагрузке, Вт Пульсации напряжения на выходе, мВ
1 10,52 0,036 1,005 0 Бесконечно большая величина 0 8
2 10,52 0,046 1,004 0,1 10 0,1 8
3 10,52 0,138 1,005 1 1 1 8
4 10,51 0,247 1,005 2 0,5 2 8
5 10,04 0,046 1,005 0,1 10 0,1 5,6
6 10,05 0,138 1 1 1 1 5,6
7 10,05 0,247 1,005 0,5 0,5 2 5,6

Эти эксперименты указывают на большие перспективы применения полимерных конденсаторов в качестве замены многослойным керамическим конденсаторам. Полимерные конденсаторы имеют преимущества перед многослойными керамическими конденсаторами, особенно с точки зрения более низкого значения ESR, обеспечения меньших пульсаций напряжения и лучшей энергоэффективности. Нехватка многослойных керамических конденсаторов вызвала много дискуссий в сообществе разработчиков относительно пассивных компонентов в целом и использования полимерных конденсаторов в частности. Хотя спрос и предложение многослойных керамических конденсаторов со временем стабилизируются, текущий дефицит конденсаторов данного типа помог понять, что полимерные конденсаторы в качестве альтернативы керамическим помогут избежать проблем с поставками в будущем.

 Источник: https://www.eeworldonline.com

Литература

  1. Evaluating polymer capacitors 
  2. The polymer capacitor contest page
Производитель: AVX A Corp.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TCJA106M010R0300
TCJA106M010R0300
AVX A Corp.
Арт.: 182123 ИНФО PDF
Доступно: 4768 шт. 27,70
CAPACITOR, CASE A, 10UF, 10V; Application:Solid; Capacitance:10чF; Tolerance, Capacitance:+ 20%; Series:TCJ; Voltage, Rating:10V dc; Capacitor Dielectric Type:Tantalum; Case Style:A; Termination Type:SMD; Depth, External:1.6mm; Length / Height, External:3.2mm; Quantity, Reel:2000; Resistance, ESR:300mohm; Temp, Op.…
TCJA106M010R0300 27,70 от 84 шт. 25,60 от 288 шт. 24,80 от 604 шт. 23,60
1 шт.
(на складе)
4767 шт.
(под заказ)
TCJB107M006R0045
TCJB107M006R0045
AVX A Corp.
Арт.: 1141651 ИНФО PDF
Доступно: 7365 шт. 18,90
Tantalum Capacitors - Polymer SMD 6.3V 100uF 20% 1210 ESR45mOhm
TCJB107M006R0045 18,90 от 123 шт. 17,50 от 422 шт. 16,90 от 886 шт. 16,10
3667 шт.
(на складе)
3698 шт.
(под заказ)
TCJB227M006R0070
TCJB227M006R0070
AVX A Corp.
Арт.: 2088905 ИНФО PDF
Доступно: 2865 шт. от 1 шт. от 124,30
Выбрать
условия
поставки
Tantalum Capacitors - Polymer SMD 6.3V 220uF 20% 1210 ESR70mOhm
TCJB227M006R0070 от 1 шт. от 124,30
2865 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EEFCD1B220R
EEFCD1B220R
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 319429 ИНФО PDF NRND
Доступно: 6792 шт. от 1000 шт. от 52,35
Выбрать
условия
поставки
CAPACITOR, CASE D, 22UF, 12.5V; Application:Low ESR; Capacitance:22чF; Tolerance, Capacitance:+ 20%; Series:CD; Voltage, Rating:12.5V dc; Capacitor Dielectric Type:Aluminium Electrolytic; Resistance, ESR:30mohm; Case Style:D; Length / Height, External:7.3mm; Termination Type:SMD; Temperature, Operating Range:-40°C to +105°C; Current, Ripple AC:1.3A; Depth, External:1.8mm; Frequency, ESR:100kHz; Frequency, Ripple Current:100kHz; Quantity, Reel:3500; Temp, Op.…
EEFCD1B220R от 1000 шт. от 52,35
6792 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
10TPB330M
10TPB330M
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 1352589 ИНФО PDF RND
Доступно: 2159 шт. 138,00
CAP, TANT, 330UF, 10V, CASE D4
10TPB330M 138,00 от 17 шт. 128,00 от 58 шт. 124,00 от 121 шт. 118,00
166 шт.
(на складе)
1993 шт.
(под заказ)
16TQC68MYF
16TQC68MYF
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 1921787 ИНФО PDF RND
Доступно: 2734 шт. 74,00
Конденсатор алюминиевый 25 В x 100 мкФ ±20%, SMD, -55...105 °C, 10000 ч
16TQC68MYF 74,00 от 32 шт. 68,50 от 108 шт. 66,00 от 226 шт. 63,00
1835 шт.
(на складе)
899 шт.
(под заказ)
10SVP10M
10SVP10M
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2186052 ИНФО PDF RND
Доступно: 5615 шт. 30,20
Конденсатор алюминиевый 10 В x 10 мкФ ±20%, SMD, -55...105 °C, 2000 ч
10SVP10M 30,20 от 77 шт. 27,90 от 265 шт. 27,00 от 555 шт. 25,70
1969 шт.
(на складе)
3646 шт.
(под заказ)
10SVP56M
10SVP56M
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2186057 ИНФО PDF
Доступно: 2170 шт. от 2 шт. от 163,83
Выбрать
условия
поставки
CAPACITOR, 56UF, 10V
10SVP56M от 2 шт. от 163,83
2170 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
10SVPC68M
10SVPC68M
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2186058 ИНФО PDF RND
Доступно: 6727 шт. 36,10
Конденсатор алюминиевый 10 В x 68 мкФ ±20%, SMD, -55...105 °C, 2000 ч
10SVPC68M 36,10 от 64 шт. 33,40 от 221 шт. 32,30 от 464 шт. 30,80
1488 шт.
(на складе)
5239 шт.
(под заказ)
10TPB150ML
10TPB150ML
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2186062 ИНФО PDF RND
Доступно: 4188 шт. 51,00
Конденсатор танталовый 10 В, 150 мкФ ±20%, корпус D3L, SMD_7343-28, -55...105 °C
10TPB150ML 51,00 от 46 шт. 47,30 от 157 шт. 45,70 от 328 шт. 43,50
2400 шт.
(на складе)
1788 шт.
(под заказ)
10TPB220M
10TPB220M
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2186063 ИНФО PDF RND
Доступно: 3398 шт. 68,00
Конденсатор танталовый 10 В, 220 мкФ ±20%, корпус D4, SMD_7343-38, -55...105 °C
10TPB220M 68,00 от 35 шт. 63,00 от 118 шт. 60,50 от 247 шт. 58,00
1599 шт.
(на складе)
1799 шт.
(под заказ)
10TPB33M
10TPB33M
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2186065 ИНФО PDF RND
Доступно: 5916 шт. 24,10
Танталовые конденсаторы: емкость: 33 мкФ; номинальное напряжение: 10 В; ESR: 70 мОм; рабочая температура: - 55 ... +105 С; монтаж: SMD/ SMT; ток утечки: 33 мкА; пульсация тока: 1,1 А.
10TPB33M 24,10 от 100 шт. 22,30 от 350 шт. 21,50 от 700 шт. 20,50
1690 шт.
(на складе)
4226 шт.
(под заказ)
10TPE68M
10TPE68M
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2186071 ИНФО PDF RND
Доступно: 4037 шт. 37,90
Конденсатор танталовый 10 В, 68 мкФ ±20%, корпус D2E, SMD_7343-18, -55...105 °C
10TPE68M 37,90 от 61 шт. 35,00 от 211 шт. 33,80 от 442 шт. 32,20
2592 шт.
(на складе)
1445 шт.
(под заказ)
16SVP330M
16SVP330M
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2186410 ИНФО PDF RND
Доступно: 2663 шт. 42,80
CAPACITOR, 330UF, 16V
16SVP330M 42,80 от 54 шт. 39,60 от 187 шт. 38,20 от 392 шт. 36,40
831 шт.
(на складе)
1832 шт.
(под заказ)
16SVPC120M
16SVPC120M
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2186411 ИНФО PDF RND
Доступно: 5443 шт. 46,60
CAP, ALU ELEC, 120UF, 16V, SMD
16SVPC120M 46,60 от 50 шт. 43,10 от 172 шт. 41,60 от 360 шт. 39,60
1000 шт.
(на складе)
4443 шт.
(под заказ)
EEHZA1H220P
EEHZA1H220P
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2190350 ИНФО PDF RND
Доступно: 4256 шт. 23,00
Конденсатор алюминиевый 50 В x 22 мкФ ±20%, SMD, -55...105 °C, 10000 ч
EEHZA1H220P 23,00 от 101 шт. 21,20 от 348 шт. 20,50 от 730 шт. 19,50
439 шт.
(на складе)
3817 шт.
(под заказ)
16SEPC100MW
16SEPC100MW
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 2780879 ИНФО PDF
Доступно: 3982 шт. от 1 шт. от 89,43
Выбрать
условия
поставки
CAP, 100µF, 16V, 20%
16SEPC100MW от 1 шт. от 89,43
3982 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
4TPE220MAZB
4TPE220MAZB
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 3096059 ИНФО PDF
Доступно: 7052 шт. 46,00
Rated voltage (DC) (V)4 Rated capacitance range (F)220 Equivalent Series Resistance (m)35 Operating temperature range (°C)-55 to 105 Permissible ripple current (rms) (mA)1400 Leakage current (A)88 Length * Width (mm)3.5 * 2.80 Height (mm)1.9 Size codeB2
4TPE220MAZB 46,00 от 51 шт. 42,60 от 200 шт. 41,10 от 400 шт. 39,20
1 шт.
(на складе)
7051 шт.
(под заказ)
EEFCX0J101R
EEFCX0J101R
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 3154662 ИНФО PDF RND
Доступно: 4489 шт. 33,00
Конденсатор алюминиевый 6.3 В x 100 мкФ ±20%, SMD, -55...105 °C, 2000 ч
EEFCX0J101R 33,00 от 70 шт. 30,50 от 198 шт. 29,50 от 495 шт. 28,10
2918 шт.
(на складе)
1571 шт.
(под заказ)
16SVP180M
16SVP180M
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 3159792 ИНФО PDF RND
Доступно: 2743 шт. 58,00
CAP, 180µF, 16V, 20%, RADIAL
16SVP180M 58,00 от 40 шт. 54,00 от 137 шт. 52,00 от 288 шт. 49,60
260 шт.
(на складе)
2483 шт.
(под заказ)
EEHZA1E101XP
EEHZA1E101XP
PANASONIC (Matsushita Electric Industrial)
Арт.: 3166243 ИНФО PDF RND
Доступно: 4534 шт. 28,80
Конденсатор алюминиевый 25 В x 100 мкФ ±20%, SMD, -55...105 °C, 10000 ч
EEHZA1E101XP 28,80 от 81 шт. 26,70 от 277 шт. 25,80 от 581 шт. 24,60
1185 шт.
(на складе)
3349 шт.
(под заказ)
Производитель: Vishay Intertechnology Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
T55B226M010C0200
T55B226M010C0200
Vishay Intertechnology Inc.
Арт.: 1894297 ИНФО PDF
Доступно: 4002 шт. от 16 шт. от 88,99
Выбрать
условия
поставки
Tantalum Capacitors - Polymer SMD 22uF 10 volts 20% B Case 200 Max. ESR
T55B226M010C0200 от 16 шт. от 88,99
4002 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()