Свойства конденсатора и их влияние на его применение
на страницах сайта
www.electrosad.ru
Основные характеристики конденсатора
и по ней, его величина с ростом частоты стремится к «0».
Если посмотреть зависимость емкостного сопротивления керамического конденсатора емкостью 1 мкФ то частоты, то на графике это выглядит так:
Мы привыкли считать, что конденсатор работает на нужной нам частоте и его характеристика описывается приведенной выше формулой.
Это так, но только для конденсатора в пределах его рабочего диапазона частот.
В более широком диапазоне частот этого не происходит, поскольку идеальных конденсаторов не существует. Реальный конденсатор имеет еще и паразитную индуктивность Ls , и паразитное сопротивление потерь Rs (в литературе его еще называют — ESR ). Любая индуктивность, включенная последовательно в частотно зависимую цепь, каковой является любой конденсатор (как фильтрующий элемент), вносит свой вклад в частотную характеристику этой цепи. Эквивалентная схема реального конденсатора приведена на рис.2.
В результате зависимость Z от частоты выглядит следующим образом (обратите внимание — это тот же график что и на рис.1):
И описывается выражением:
Эта зависимость заставляет обращать внимание на рабочий диапазон частот конденсатора. А он ограничен областью, где Z определяется XC . На рис.3 это левая ветвь зависимости Z , обозначенная как XC .
вплоть до частоты (0,8- 0,9) f.
Правая ветвь, имеет индуктивный характер и на частотах выше f ведет себя как индуктивность
В минимуме XC равно XL , в результате Z = R , это последовательный резонансный контур. В котором при достаточно малых R добротность будет больше 1 и в цепочке в ответ на перепады тока, могут возбуждаться вынужденные колебания.
Как влияет R ( ESR ) на резонансные свойства конденсатора видно из графика.
Я имел «счастье» столкнуться со случаем, когда неправильно собранный фильтр (резонировали блокировочные конденсаторы красиво впаянные с полной длинной выводов при малым Rs и индуктивность выводов) в цепи питания широкополосного усилителя с большим коэффициентом усиления. Вместо фильтрации питающего тока эти конденсаторы послужил цепью обратной связи и привел к его возбуждению. Частота генерации находилась в полосе пропускания усилителя. Проблема решилась просто, выводы были укорочены до предела и резонанс ушел за пределы полосы пропускания.
Применение конденсаторов в широкополосных цепях
Ниже приведены графики зависимости Z от частоты для керамических конденсаторов разных номиналов. Вы возможно уже видели их на странице «Что можно сделать «на коленке»?» на этом сайте.
 |  |
Из сказанного выше и графиков видим, что учитывать частотные свойства конденсаторов надо в обычных применениях, но особенно важно учитывать их в широкополосных цепях. и учитывать необходимо не только свойства самих конденсаторов, но и параметры цепей к которым они подключены. Поскольку эти параметры существенно ухудшают (снижают высокочастотную границу рабочего диапазона) характеристику звена фильтра в котором этот конденсатор работает.
Примером может быть фильтр в цепях питания мощных быстродействующих дискретных устройств, который должен работать в диапазоне частот от нескольких десятков тысяч герц до нескольких тысяч гигагерц.
Логика подсказывает, элементы такого фильтра должны перекрывать весь диапазон частот генерируемых в цепях питания защищаемой нагрузки. Число звеньев такого фильтра должно быть большим (более трех).
В качестве примера посмотрите характеристику шестизвенного фильтра.
Но не стоит обольщаться, не смотря на перекрытие полосы частот в семь декад и его характеристики существенно зависят от характеристик защищаемой цепи. Особенно усложняется решение проблемы, когда характеристики защищаемой цепи носят динамически изменяющийся характер, как в фильтрах цепей питания процессоров.
P.S.
Распространенное мнение — применяй оксидные конденсаторы с рабочей температурой 105 град. С в цепях инверторов питания центрального процессора и импульсных блоков питания компьютера, и все будет в порядке.
НО!
Температура воздуха в системном блоке может превышать 60 град.С жарким летом. Кроме того оксидные конденсаторы (ОК) нагреваются за счет потерь ВЧ составляющих в их цепи. (Подробнее о ВЧ составляющих см.*****) Я имел возможность наблюдать температуру корпуса ОК 98 град.С. А их ресурс 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. При 24 часовом режиме работы это всего 42 дня, а 8 часовом — 125 дней.
Не полагайтесь только на качественные конденсаторы, на частотах выше 5 МГц они мало отличаются от обычных!
Любой корпус должен иметь хорошую вентиляцию.
Цель, добиться чтобы температура в воздуха в системном блоке отличалась от температуры наружного воздуха не более чем на несколько градусов.
Введение
Частотные характеристики конденсаторов являются важными параметрами, которые необходимы для разработки схем. Понимание частотных характеристик конденсатора позволит вам определить, например, какие шумы может подавлять конденсатор или какие флуктуации напряжения цепи питания он может контролировать. Эта статья описывает два типа частотных характеристик: |Z| (импеданс или полное сопротивление) и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора).
Частотные характеристики конденсаторов
Импеданс Z идеального конденсатора определяется формулой 1, где ω — угловая частота, а C — емкость конденсатора.
Рисунок 1. Идеальный конденсатор
(1)
Из формулы 1 видно, что с увеличением частоты импеданс конденсатора уменьшается. Это показано на рисунке 1. В идеальном конденсаторе нет потерь и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) равно нулю.
Рисунок 2. Частотная характеристика идеального конденсатора
В реальном конденсаторе (рис. 3) существует некоторое сопротивление (ESR), вызванное диэлектрическими потерями, потерями на сопротивлении обкладок конденсатора и потерями связанные с сопротивлением утечки, а также паразитная индуктивность (ESL) выводов и обкладок конденсатора. В результате частотная характеристика импеданса принимает V образную форму (или U образную в зависимости от типа конденсатора), как показано на рисунке 4.Также на рисунке показана частотная характеристика ESR.
Рисунок 3. Реальный конденсатор
Рисунок 4. Пример частотной характеристики реального конденсатора
Причина, по которой графики |Z| и ESR имеют такой вид как на рисунке 4, можно объяснить следующим образом.
Низкочастотная область
|Z| в этой области уменьшается обратно пропорционально частоте, как и в идеальном конденсаторе. Значение ESR определяется диэлектрическими потерями в конденсаторе.
Область резонанса
При повышении частоты ESR, в результате паразитной индуктивности, сопротивления электродов и других факторов, вызывает отклонение |Z| от идеальной характеристики (красная пунктирная линия) и достигает минимального значения. Частота, на которой |Z| достигает минимума, называется собственной резонансной частотой и на этой частоте |Z| = ESR. После превышения собственной частоты резонанса, характеристика элемента меняется с емкостной на индуктивную и |Z| начинает повышаться. Область ниже собственной резонансной частоты называется емкостной областью, а область выше — индуктивной.
В области резонанса к диэлектрическим потерям добавляются потери на электродах.
Высокочастотная область
При дальнейшем увеличении частоты характеристика |Z| определяется паразитной индуктивностью конденсатора. В высокочастотной области |Z| увеличивается пропорционально частоте, согласно формуле 2. Что касается ESR, в этой области начинают проявляться скин-эффект , эффект близости и другие.
(2)
Итак, мы рассмотрели частотную характеристику реального конденсатора. Здесь важно запомнить, что c повышением частоты ESR и ESL уже нельзя игнорировать. Поскольку существуют большое количество приложений, в которых конденсаторы используются на высоких частотах, ESR и ESL становятся важными параметрами, характеризующими конденсатор помимо значения его емкости.
Частотные характеристики конденсаторов различных типов
Паразитные составляющие реальных конденсаторов имеют различное значение в зависимости от их типа. Давайте посмотрим на частотные характеристики разных конденсаторов. На рисунке 5 показаны графики |Z| и ESR для конденсаторов емкостью 10 мкФ. Все конденсаторы, кроме пленочных, планарные (SMD).
Рисунок 5. Частотные характеристики конденсаторов разных типов.
Для всех типов конденсаторов |Z| ведет себя одинаково до частоты 1 кГц. После 1 кГц импеданс увеличивается сильнее в алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторах, чем в монолитных керамических и пленочных конденсаторах.
Это происходит из-за того, что алюминиевые и танталовые конденсаторы имеют высокое удельное сопротивление электролита и большое ESR. В пленочных и монолитных керамических конденсаторах используются металлические материалы для электродов и, следовательно, они обладают очень маленьким ESR.
Монолитные керамические конденсаторы и пленочные показывают примерно одинаковые характеристики до точки собственного резонанса, но у монолитных керамических конденсаторов резонансная частота выше, а |Z| в индуктивной области ниже.
Эти результаты показывают, что импеданс монолитных керамических конденсаторов SMD типа в широком диапазоне частот имеет небольшое значение. Это делает их наиболее подходящими для высокочастотных приложений.
Частотные характеристики монолитных керамических конденсаторов
Существует также несколько типов монолитных керамических конденсаторов, изготовленных из различных материалов и имеющих различную форму. Давайте посмотрим, как эти факторы влияют на частотные характеристики.
ESR
ESR в емкостной области зависит от диэлектрических потерь, вызванных материалом диэлектрика. 2-й класс диэлектрических материалов на основе сегнетоэлектриков имеет высокую диэлектрическую постоянную и, как правило, высокое ESR. 1-ый класс материалов — температурно-компенсированные материалы на основе параэлектриков — имеют низкие диэлектрические потери и низкое ESR.
На высоких частотах в области резонанса и индуктивной области, в дополнение к сопротивлению материала электродов, их форме и количеству слоев, ESR зависит от скин-эффекта и эффекта близости. Электроды часто делают из Ni, но для дешевых конденсаторов иногда применяют Cu, который тоже имеет низкое сопротивление.
ESL
ESL монолитных керамических конденсаторов сильно зависит от внутренней структуры электродов. Если размеры внутренних электродов задаются длиной, шириной и толщиной, то индуктивность ESL может быть определена математически. Значение ESL уменьшается, когда электроды конденсатора короче, шире и тоньше.
На рисунке 6 показана связь между номинальной емкостью и резонансной частотой различных типов монолитных керамических конденсаторов. Вы можете видеть, что при уменьшении размеров конденсатора собственная резонансная частота увеличивается, а ESL уменьшается для одинаковых значений емкости. Это означает, что небольшие конденсаторы короткой длины лучше подходят для высокочастотных приложений.
Рисунок 6.
На рисунке 7 показан обратный LW конденсатор с короткой длиной L и большой шириной W. Из частотных характеристик, показанных на рисунке 8, можно увидеть, что LW конденсатор имеет меньший импеданс и лучшие характеристики, чем обычный конденсатор такой же емкости. С помощью LW конденсаторов можно достичь тех же характеристик, как у обычных конденсаторов, но меньшим числом компонентов. Уменьшение числа компонентов, позволяет сократить расходы и уменьшить монтажное пространство.
Рисунок 7. Внешний вид обратного LW конденсатора.
Рисунок 8. |Z| и ESR обратного LW конденсатора и конденсатора общего назначения
Эти загадочные конденсаторы
Эта статья — об особенностях керамических конденсаторов, которые проявляются на высоких частотах (порядка десятков, сотен мегагерц и выше). Статья основана на материалах исследований, проводимых специалистами компании Johanson Technology.
Речь в основном пойдет о керамических конденсаторах, годных для применения в:
- Высокоскоростных цифровых устройствах (фильтрация собственных и внешних помех);
- Высокочастотных устройствах (фильтрация, ВЧ согласование, обработка ВЧ-сигнала и пр.);
- Любых других устройствах для фильтрации внешних высокочастотных помех, которые могут поступать как через цепи питания, так и по воздуху от устройств и систем беспроводной связи, радиостанций, устройств силовой электроники и пр.
При производстве таких конденсаторов используются специальные диэлектрики, которые называются NPO или COG. Эти диэлектрики известны тем, что обеспечивают слабую зависимость емкости конденсатора от температуры окружающей среды и приложенного напряжения.
Чаще всего для уменьшения габаритов керамические конденсаторы выполняются в виде многослойных керамических конденсаторов — MLCC, Multilayer Ceramic Capacitor, структура которых показана на следующей картинке: 
Одним из мировых лидеров в производстве высокочастотных керамических конденсаторов является компания Johanson Technology, материалы которой и послужили основой для этой статьи.
Что происходит с конденсаторами при увеличении частоты?
При увеличении рабочей частоты первой «особенной» частотой, с которой сталкиваются исследователи, является частота последовательного резонанса – SRF, Series Resonant Frequency. Как известно из курса физики, это частота, при которой реактивное сопротивление идеального конденсатора компенсируется реактивным сопротивлением последовательно включенной идеальной катушки индуктивности таким образом, что общее сопротивление цепи становится равным нулю. В случае керамического конденсатора явление последовательного резонанса объясняется наличием паразитной индуктивности выводов и обкладок конденсатора. И примечательна SRF в нашем случае следующим:
- На частоте последовательного резонанса (SRF) конденсатор обладает наименьшим сопротивлением, называемым эквивалентным последовательным сопротивлением – ESR, Equivalent Series Resistance. Этот факт позволяет вместо конденсатора получить узкополосный фильтр, который может использоваться для фильтрации помех.
При дальнейшем увеличении частоты можно наблюдать целый ряд частот, на которых многослойный конденсатор обладает относительно высоким сопротивлением. Такие частоты называют частотами параллельного резонанса – PRF, Parallel Resonant Frequency. Наличие серии параллельных резонансов объясняют наличием паразитных емкостей, включенных параллельно с «DC blocking inductor».
Интересно отметить, что в общем случае, согласно экспериментальным данным, получить грубую оценку частоты первого параллельного резонанса можно, удвоив значение частоты последовательного резонанса.
Другим интересным фактом является то, что можно избавиться от всех нечетных частот параллельного резонанса, включая первую, просто расположив пластины внутренних обкладок многослойного конденсатора не параллельно поверхности печатной платы, а перпендикулярно!
Посмотрите на пример зависимости вносимого ослабления от частоты при двух вариантах расположения обкладок, который приводит Johanson: 
На верхней картинке обкладки конденсатора расположены параллельно печатной плате, а на нижней – перпендикулярно.
Предполагается, что исчезновение нечетных частот PRF связано с уменьшением паразитных емкостей между обкладками керамического конденсатора и печатной платой. Но почему при этом исчезают нечетные резонансы и остаются четные? Если у вас есть какие-нибудь мысли по этому поводу – добро пожаловать в комментарии!
Так как частоты SRF и PRF керамических конденсаторов могут лежать в очень широком диапазоне, информация о них становится жизненно необходимой при проектировании электронных устройств.
В своей документации Johanson Technology приводит значения этих частот, причем частота PRF соответствует частоте первого параллельного резонанса (обкладки конденсатора расположены параллельно поверхности платы).
Вот типичные значения резонансных частот для конденсаторов Johanson Technology размера 0402:
И типичные значения резонансных частот для конденсаторов Johanson Technology размера 0603:
Как видим, резонансные частоты перемещаются в область более низких частот при увеличении емкости и уменьшении размеров конденсаторов. А это приводит к сужению диапазона рабочих частот в случае, когда необходимо, чтобы этот конденсатор вел себя подобно… конденсатору!
Практические рекомендации
- Внимательно изучайте документацию на используемые конденсаторы, чтобы исключить ситуацию, когда «правильная» схема работает неправильно.
Не используйте для фильтрации высокочастотных помех низкочастотные керамические конденсаторы, конденсаторы с неизвестными характеристиками (и тем более — электролитические конденсаторы).
Определите частотные диапазоны помех и подбирайте фильтрующие конденсаторы, исходя из этих диапазонов. Учитывайте при этом индуктивность проводников, сопоставимую с паразитной индуктивностью высокочастотных конденсаторов. Для расчета индуктивности проводника можно воспользоваться формулой:
где L — индуктивность, нГн, x — длина проводника, см, w — ширина проводника, см, h — высота проводника, см.
Следуйте рекомендациям производителей электронных компонентов относительно правил разводки высокочастотных печатных плат.
Для расширения рабочего диапазона керамический конденсатор может быть установлен на бок (исключение первого параллельного резонанса).
В высокочастотных цепях частоты последовательного резонанса используемых конденсаторов должны быть существенно выше рабочего частотного диапазона. Для закрепления этой мысли специалисты Johanson Technology приводят пример из собственного опыта, когда при приближении рабочей частоты к частоте последовательного резонанса конденсатор емкостью 10 пФ вел себя подобно конденсатору, обладающему ёмкостью 1000 пф!
Если в устройстве используется модуль беспроводной связи Bluetooth, Wi-Fi, GSM, GPS и пр. с внешней антенной, то обычно рекомендуется предусмотреть в антенной цепи места для установки согласующих элементов (placeholders). Это позволяет при необходимости произвести безболезненную настройку высокочастотной части плат. Для упрощения этой задачи Johanson Technology предлагает использовать специальные кассы высокочастотных компонентов, которые делают процесс согласования ВЧ цепей менее трудоемким.
