Сначала пара слов для тех, кто еще не знает для чего служат подобные приборы.
Как правило, большую часть радиокомпонентов можно проверить обычным мультиметром. Однако есть и такие, которые мультиметром не протестировать вовсе или удастся это сделать лишь частично. Например, полевые транзисторы MOSFET, J-FET. Кроме того, не все мультиметры могут измерять емкость конденсаторов, а те которые могут это делать, не могут измерять ESR – эквивалентное последовательное сопротивление и Vloss – напряжение утечки.
Не удастся так же мультиметром определить напряжение стабилизации стабилитронов при затертой или мелкой маркировке.
И вот в этих случаях очень может выручить многофункциональный тестер ТС-1, которым можно тестировать резисторы сопротивлением до 50 МОм, диоды, стабилитроны с напряжением стабилизации до 30 вольт, светодиоды, npn и pnp биполярные транзисторы, N и P канальные полевые транзисторы MOSFET и J-FET, IGBT биполярные транзисторы с изолированным затвором, тиристоры, симисторы, измерять индуктивность, емкость, ESR, Vloss конденсаторов, а так же напряжение литиевых аккумуляторов до 4,5 вольт. Тестер умеет дешифровать сигналы пультов дистанционного управления. Питается прибор от внутреннего литий-ионного аккумулятора и заряжается через microUSB разъем от любого источника напряжением не более 6 вольт. Информация о результатах теста выводится на цветной TFT дисплей размером 1,8 дюйма с разрешением 160*128 пикселей.

Поставляется тестер в небольшой коробке с цветным принтом и информацией о возможностях тестера.

Внутри лежит интуитивно понятная инструкция на английском языке и антистатический пакет.

Внутри антистатического пакета спрятан тестер, короткий шнур для зарядки и … еще два антистатических пакета).

В полностью распакованном виде содержимое пакетов выглядит так:

Большой плюс, что положили в комплект щупы – не нужно допаивать провода к радиодеталям с короткими ножками или аккумуляторам, чтобы вставить их в разъем. Наконечники щупов подпружинены и хорошо зажимают выводы радиокомпонентов.
Но есть и претензии к щупам – они могли бы быть и одного цвета с проводами. Позже, когда проводил тесты, испытывал дискомфорт от этого. Оно может и не имеет значения – тестеру все равно какой контакт детали, в какой контакт колодки вставлен. Он сам разберется, но все же когда внимание сосредоточено на приборе/щупах/измерениях, то лишний отвлекающий фактор не к месту (а может и придираюсь).

Конденсатор на 10 мкф*25 вольт и красный светодиод положили в качестве бонуса, а вызвавшие сначала недоумение неразрезанные контакты, позже пригодились для калибровки тестера – да, есть тут и такая задекларированная в инструкции процедура.
С самого начала прибор вызвал интерес тем, что у него приличный корпус, ничего делать как в случае с бескорпусным вариантом LC тестера Т4 не нужно. В руке лежит удобно.

Излишество или хороший тон, но экран закрыт транспортировочной пленкой.
К номерным контактам разъема подключаются любые контакты радиодеталей, кроме стабилитронов. Для стабилитронов предусмотрены контакты разъема КАА (катод, анод, анод).
В инструкции указано, что не следует одновременно в номерные контакты вставлять, например, транзистор, а в контакты для стабилитронов стабилитрон – будет проводиться тест только компонента в номерных контактах.
Рядом с разъемом расположено окно инфракрасного датчика для проверки и декодирования сигналов пультов ДУ.
Все управление прибором производится одной кнопкой, которая в инструкции обзывается многофункциональной. Под «много» имеется ввиду, краткое нажатие для активации прибора и начала теста, после установки компонента в разъем и длительное нажатие для принудительного выключения прибора. Как и в Т4 здесь не забыли про автоотключение после 25 секунд бездействия. Кому этого времени покажется много, тот может воспользоваться информацией из инструкции, вскрыть прибор и установить паяльником перемычку, задав нужный период до отключения от 10 до 25 секунд.
На задней стороне прибора находится разъем microUSB и светодиод. Во время зарядки он светится красным, а по ее окончании привычно зеленым цветом.

Дальняя и нижняя сторона корпуса

Размеры корпуса

Как и все приборы, содержащие аккумулятор, тестер перед использованием рекомендуется зарядить. Максимальный ток зарядки составляет 0,44 Ампера.

С описанием внешнего вида и характеристикам всё и можно переходить к тестированию радиокомпонентов.
Для включения тестера кратко нажимаем кнопку и видим следующее на экране:

Прибор пишет, что не обнаружил тестируемый компонент или компонент поврежден.
Выпрямительный диод 1N4007, диод Шоттки SR504, сдвоенный диод Шотки SBL2040CT.

Для светодиодов тестер показывает ёмкость перехода и минимальное напряжение, при котором светодиод открывается. Во время теста светодиод начинает мерцать.

Стабилитроны на разное напряжение:

Транзисторы структуры npn: BC547C, МJE1309, КТ312Б, КТ315Б

MJE13003С с защитным диодом и составной транзистор КТ827А

Транзисторы структуры pnp: МП40А, ВС557В, S8550

Полевые транзисторы: APM3055L – N-канальный MOSFET и LD1010D – N-канальный JFET с PN диодом:

Из имеющихся у меня под рукой компонентов тестер не совсем точно отобразил N- канальный MOSFET К3742. Его он показал как IGBT:

P-канальный MOSFET BSS92

А вот IGBT транзистор G20N50C тестер отобразил как N канальный MOSFET, но тут есть оговорка: по одному даташиту он N-канальный MOSFET, а по другому N-канальный IGBT и обозначения немного разные.

Не смотря на «путаетесь в показаниях») нужно сказать, что тестер суть компонента определил – будь транзистор пробитым или оборванным, мы бы увидели совсем иную картинку.
Последние две фотки снимались по случаю на телефон на радиорынке так, как в наличии P-канальных MOSFET и IGBT в наличии не было. Не обессудьте.
Следующими в очереди были симисторы MAC97A8 и BT134600E

В инструкции к прибору говорится, что тестер способен тестировать тиристоры и симисторы с током управляющего электрода до 6 mA, но у MAC97A8 этот параметр равен 7 mA, а у BT134600E — 25 mA. Выходит или в инструкции ошибка или прибор лучше). С конденсаторами такая же история – до 100 mF. Микро или мили? Учитывая, что тестер измеряет конденсаторы емкостью больше 100 мкФ, то тогда в инструкции имеются в виду миллиФарады, а это 100 000 микроФарад. Но вернемся к тестированию.
Измерение индуктивности:

Тестер умеет распознавать сигналы пультов дистанционного управления и декодировать их. Но касается это только пультов работающих в IR формате Hitachi. Из таковых оказался только ПДУ от ДВД плейера BBK. При нажатии кнопок на пульте картинка на дисплее тестера менялась.

В случае с остальными пультами на зеленом поле экрана мигала красная крупная точка, просто сигнализируя о том, что пульт работает и что то излучает.
Насколько полезная данная функция судить не берусь, но пусть лучше будет.
Сопротивление тестер измеряет в диапазоне 0,01 Ом — 50 Мом. Не всё нашлось в закромах, но общий вывод – справляется. Погрешность есть, как, впрочем, и у всякого измерительного прибора. В инструкции, кстати, она не указана.

На резисторах провел сравнительные замеры тремя приборами:

Как говорится, придраться к каждому можно. И в то же время каждый не далеко ушел от соседа. Где то больше, где то меньше, но все равно достаточно точно.
Проверку конденсаторов провел по той же схеме. Расхождения между приборами присутствуют, но иное представить трудно.

Опять же сравнительные замеры тремя приборами:

Примечательный факт — конденсаторы были разные — керамика, лавсан и другие, но с МБМ не смог справиться ни один из приборов. При этом, обозреваемый ТС-1 показал лишь на 35 % больше от номинала. Два других дали погрешность почти на +80 %).

Как уже говорил, важным параметром электролитических конденсаторов является ESR – эквивалентное последовательное сопротивление. Его возрастание приводит к некорректной работе схем. Не лишним будет знать и Vloss конденсатора – напряжение утечки, измеряющееся в процентах и показывающее, сколько процентов заряда теряет конденсатор через одну секунду после прекращения процесса заряда. При его значении в несколько процентов конденсатор лучше отложить в сторону.
Измеренные величины ESR сравниваются с табличными, обязательно следует учитывать напряжение, на которое рассчитан конденсатор.

Сначала фото приличных конденсаторов. Номиналы на фото написаны желтым цветом.

Пара сравнительных фото с мультиметром.
Тот же конденсатор 47 мкф*160 вольт и 2200 мкф*25 вольт.

Результаты сравнения показаний емкости трех приборов такие же как и в случае с резисторами и неэлектролитическими конденсаторами – плюс/минус, но все рядом.
В завершении конденсаторной главы несколько фото негодных конденсаторов.
4,7*25 В, 100 мкф*10 В, 10 мкф*50 В:

4,7 мкф*400 В, 22 мкф* 250 В, 470 мкф * 25 В

Следуя инструкции и по опыту угробленного Т4, скажу что перед проверкой конденсаторов их следует обязательно разрядить.
Кроме всего вышеперечисленного ТС-1 позволяет так же проверять напряжение элементов питания с напряжением до 4,5 Вольт.

Последним пунктом из функционала тестера остается калибровка. Тут, как в случае с Т4, не требуется конденсатор. Здесь для калибровки достаточно вставить в колодку те самые неразрезанные контакты из комплекта, что при распаковке удивили своим наличием в комплекте, и нажать кнопку.
После этого на экране появится сообщение о самотестировании и ниже шкала с процентами его выполнения.

На уровне 22 процентов тестер попросит извлечь замкнутые контакты и тест продолжится.

На этом повествование о богатом функционале маленького прибора можно заканчивать и переходить ко всем любимой разборке и тесту аккумулятора.
Разбирается прибор просто, для этого нужно лишь открутить четыре самореза. Аккумулятор приклеен на двухсторонний прозрачный скотч. Теперь ищу такой же – еле оторвал аккумулятор, пришлось поддевать пластикой картой. Если кто знает, прошу дать ссылку. Приклеено было так хорошо, что при отрывании аккумулятора обертка слегка поменяла рельеф, но с самим аккумулятором все в порядке.

Мозговым центром тестера является микроконтроллер Atmega 324PA, надпись на втором чипе старательно затерта.

Обратите внимание на область платы в красном прямоугольнике – замкнув контакты на массу можно изменить время до отключения тестера. С завода перемычек нет и установлено время 25 секунд. Добавив перемычки можно установить 10,15,20 секунд.

С обратной стороны платы все так же аккуратно и без следов флюса, а плата экрана припаяна через пины (надеюсь правильно назвал), что куда надежнее, чем шлейф, как в Т4.

Тест аккумулятора провел из спортивного интереса аж тремя способами: зарядка-разрядка iMax B6 (током 0,2 А), зарядка-разрядка EBD-USB (током 0, 18 А) и зарядка через USB-тестер. И на удивление все три теста дали практически одинаковый результат – аккумулятором прибор укомплектован качественным.

Под финал изучения тестера под руку попались динисторы DB3. С ними, не смотря на напряжение пробоя по даташиту от 28 до 32 вольт, тестер тоже как-то справился.

Подводя черту, по традиции и правилам сайта отмечу минусы и плюсы.
Минусы (или пожелания): прибору следует немного добавить точности измерений, вопросы по определению некоторых MOSFET и IGBT транзисторов и хотелось бы щупы и провода одного цвета.
Плюсы: многофункциональность, компактность и законченный вид благодаря корпусу, внутренний качественный аккумулятор, щупы, простая калибровка, цветной дисплей.
P.S. Из имеющихся теперь тестеров T4 и ТС-1 предпочту пользоваться обозреваемым.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

мультифункциональный тестер радиодеталей • Проверено лично!

Скажу сразу, я очень поверхностный радиолюбитель. Я могу собрать готовую схему, умею пользоваться мультиметром и паяльником, в целом понимаю принцип действия основных радиодеталей, но профессионалом назвать меня сложно. Я не смогу создать схему усилителя для бытового использования или рассчитать полосу пропускания частотного фильтра, но мне в жизни это ни разу и не потребовалось. Я умею читать даташиты и вполне смогу собрать тот же усилитель из TDA2050 и готовой платы питания, которую можно за копейки купить на Алиэкспресс, а простейший ремонт всяческой радиотехники — это вообще та область, с которой мне приходится сталкиваться постоянно. Заменить сгоревший транзистор в блоке питания (а заодно найти причину поломки) при наличии Гугла и паяльника я могу. Или переделать питание настольной лампы под светодиод на 12 вольт. Но иногда у меня появляются задачи посложней, в частности, недавно мне принесли нерабочий киловаттный автомобильный инвертор, который я решил восстановить (и при возможности сделать его более надежным). Для упрощения диагностики я решил приобрести мультифункциональный ESR тестер LCR-T4. Собственно говоря, я не подозревал о его существовании, готовился выпаивать всё подряд и прозванивать обычным тестером, но Алиэкспресс услужливо подсунул мне рекламу, и после небольшого знакомства с сутью этого ценного прибора, я его заказал. Тестер по отзывам вполне работоспособный, убедиться в этом мне помогла переведенная с немецкого документация разработчика данного прибора. Инструкцию по использованию lcr-t4 можно скачать тут. Там же есть схемы измерения и описание исходников прошивки.

Что понимает это чудо техники:

• Резисторы;
• Полярные и неполярные конденсаторы;
• Катушки индуктивности;
• N-P-N и P-N-P биполярные транзисторы;
• MOSFET транзисторы P- и N-канальные;
• JFET транзисторы;
• Диоды;
• Двойные диоды;
• Тиристоры;
• Симисторы.

Вариантов комплектации тестера LCR-T4 на Алиэкспрессе не так много. Тестер продается в виде платы с экраном и разъемом для батарейки 9 Вольт (типа «Крона»). По большому счету выбор сводится к тому, купите ли вы просто LCR-T4, а к нему отдельно корпус, или купите тестер LCR-T4 вместе с корпусом одним лотом. В любом случае, собирать его вам придется самостоятельно. Я выбрал второй вариант, тестер с коробкой, это получилось дешевле, поскольку в стоимость включена одна доставка, а не две, как если бы я покупал их по отдельности.

Ждать пришлось недолго, уже через 15 дней в дверь позвонил почтальон. Вот так выглядит то, что пришло в посылке.

Часть 9 — Параметры испытаний и электрические свойства

Добро пожаловать в серию «Основы работы с конденсаторами», где мы расскажем вам обо всех особенностях микросхем конденсаторов — их свойствах, классификации продукции, стандартах испытаний и сценариях использования — чтобы помочь вам сделать обоснованные решения о правильных конденсаторах для ваших конкретных приложений. После описания классификации диэлектриков в нашей предыдущей статье давайте обсудим условия испытаний конденсаторов и их электрические свойства.

Электрические характеристики конденсаторов с керамической микросхемой сильно зависят от условий испытаний, в первую очередь от температуры, напряжения и частоты.Эта зависимость от параметров испытаний более очевидна для сегнетоэлектрических диэлектриков класса II и пренебрежимо мала или более легко предсказуема для составов класса I. Поэтому были установлены определенные отраслевые стандарты измерений, которые устанавливают соответствующие пределы производительности для любых заданных электрических свойств и диэлектрических характеристик.

Температурная зависимость

Температурный коэффициент (зависимость емкости и температуры)

Как правило, материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью K при 25 ° C демонстрируют большее изменение при изменении температуры.Температурный коэффициент емкости (T _CC или TC) измеряет отклонение емкости от температуры и выражается в единицах ppm / ° C (частей на миллион на градус Цельсия) для конденсаторов класса I и% ΔC (изменение емкости в процентах. ) от измерения комнатной температуры для конденсаторов класса II.

Диэлектрические потери и температура

Диэлектрики класса I демонстрируют лишь незначительное изменение коэффициента рассеяния (DF) с температурой в стандартном температурном диапазоне от -55 ° C до 125 ° C, тогда как диэлектрики класса II демонстрируют общее уменьшение DF с температурой (особенно в точке или около точки Кюри). материала).При комнатной температуре 25 ° C отраслевые стандарты требуют, чтобы DF для стандартных диэлектриков класса I (например, C0G-NP0) не превышал 0,1%, тогда как DF для диэлектриков класса II Mid-K (например, X7R) не должен превышать 2,5. %, а DF диэлектриков High-K класса II (таких как Z5U и Y5V) не должен превышать 3,0%.

Рисунок 1. Кривые коэффициента диэлектрических потерь в зависимости от температуры

Сопротивление изоляции и температура

Емкость конденсатора обратно пропорциональна его сопротивлению изоляции (IR), которое является мерой способности материала выдерживать утечку тока.Поскольку тепловая энергия увеличивает диффузию носителей заряда, утечка тока увеличивается с температурой. Обычно ИК-излучение большинства диэлектриков при 125 ° C уменьшается на один-два порядка величины по сравнению с измерением при 25 ° C. Отраслевые стандарты требуют, чтобы показания ИК-излучения при 125 ° C превышали 100 Ом-Фарад (ΩF).

Диэлектрическая прочность и температура

Диэлектрическая прочность изоляторов обратно пропорциональна температуре, так как тепло снижает собственное сопротивление материала.Как правило, правильно спроектированный конденсатор прочной конструкции должен выдерживать нормальное диэлектрическое напряжение 25 ° C, выдерживающее импульсное напряжение, даже при температуре 125 ° C.

Зависимость от напряжения постоянного тока

Коэффициент постоянного тока (зависимость емкости и постоянного напряжения)

При подаче постоянного напряжения все сегнетоэлектрические составы класса II в конечном итоге испытывают снижение диэлектрической проницаемости, и это воздействие более серьезное для диэлектриков с более высокой диэлектрической проницаемостью.Такое поведение объясняется ограничением постоянного напряжения на реакцию поляризационных механизмов, которые приводят к увеличению диэлектрической проницаемости материала.

Как видно на рисунке 2, ожидаемая емкость изменяется с увеличением напряжения смещения постоянного тока вольт / мил. Толщина отдельных диэлектрических слоев определяет нагрузку вольт / мил устройства во время работы. Следовательно, конденсаторы с одинаковым значением емкости и номинального напряжения могут вести себя по-разному в зависимости от внутренней конструкции конденсаторов.

Рисунок 2. Коэффициенты напряжения для смещения постоянного тока

Этот эффект имеет большое значение в конструкции конденсаторов, предназначенных для удовлетворения характеристик, которые требуют, чтобы комбинированные коэффициенты температуры и напряжения (TVC) не превышали определенного ΔC в рабочем диапазоне температур при рабочем напряжении. Предполагая, что диэлектрик доступен с T.C. характеристики находятся в пределах максимального ΔC ± 15%, производителю обычно нужно обращать внимание только на отрицательный вклад коэффициента напряжения.

Например, давайте рассмотрим конденсатор X7R емкостью 0,1 мкФ, рассчитанный на 50 В постоянного тока. Этот многослойный керамический конденсатор (MLCC) состоит из 30 слоев толщиной 1,5 мм, что означает, что диэлектрические слои испытывают только 33 В / мм при работе при 50 В постоянного тока. Следовательно, согласно рисунку 2, коэффициент напряжения (VC) составляет всего -15%. Если T.C. диэлектрика составляет ± 7% ΔC, а VC составляет -15% ΔC, тогда максимальное TVC составляет + 7% -22% ΔC.

Преобразование напряжения и старение

класса II испытывают эффект ускоренного старения при воздействии постоянного напряжения даже при комнатной температуре, и этот эффект еще сильнее проявляется при более высоких напряжениях и с диэлектриками с повышенной диэлектрической проницаемостью.При производстве диэлектриков Mid-K или высоковольтных устройств с жестким допуском (± 5%) продукт обычно повторно нагревается после испытания на выдерживаемое ИК-излучение или напряжение диэлектрика, чтобы сохранить допуск по емкости и установить новый цикл старения. Блоки X7R могут снизить емкость до 3% после испытания выдерживаемым постоянным током при 300 вольт / мил.

Коэффициент рассеяния и напряжение постоянного тока

класса II уменьшают диэлектрические потери с увеличением напряжения. Фактически, DF может быть уменьшен на 75% при смещении 100 вольт / мил для диэлектриков X7R.

Зависимость от переменного напряжения

Коэффициент переменного напряжения (зависимость емкости и переменного напряжения)

У конденсаторов класса II диэлектрическая проницаемость всегда увеличивается с изменением испытательного напряжения переменного тока (более высокие диэлектрики K реагируют быстрее) до тех пор, пока не будет достигнуто некоторое пороговое значение напряжения, при котором эффект обратится. Диэлектрики класса I, работающие в параэлектрическом состоянии, демонстрируют незначительную или ограниченную реакцию на смещение переменного тока.

Отраслевые стандарты определяют испытательное напряжение 1.0 ± 0,2 В _{среднеквадратичное значение} для всех диэлектриков, за исключением некоторых менее стабильных корпусов класса II High-K, которые обычно указываются производителями на 0,1 или 0,5 В _{среднеквадратичное значение} . Таким образом, применение этих материалов при других напряжениях представляет проблемы корреляции даже при низком напряжении напряжения (менее 5 В _rms / мил), как показано на рисунке 3. Как и в случае с коэффициентом постоянного напряжения, ситуация еще больше осложняется добавлением переменной конструкция конденсатора (т.е. толщина диэлектрика отдельных слоев).

Рисунок 3. Коэффициенты переменного напряжения

Коэффициент рассеяния и напряжение переменного тока

Увеличение диэлектрической проницаемости при испытательном напряжении переменного тока сопровождается заметным увеличением коэффициента рассеяния, как показано на рисунке 4. Поскольку MLCC построены с тонкими диэлектрическими слоями, они не идеальны для использования схем с большим переменным напряжением и большим током. , поскольку диэлектрические потери становятся весьма значительными при напряжении от 5 до 20 В _rms / мил.

Рис. 4. Влияние смещения переменного тока на диэлектрические потери

Частотная зависимость

Ранее мы обсуждали тесную взаимосвязь частоты, диэлектрической поляризации и диэлектрических потерь. По сути, увеличение частоты приложенного поля приводит к уменьшению измеренного значения емкости. Некоторые поляризационные процессы имеют более медленное время реакции, которое не может угнаться за высокочастотным изменением полярности поля, что приводит к снижению диэлектрической проницаемости и увеличению диэлектрических потерь.

Эти эффекты являются общими для всех диэлектрических групп, но более преобладают в сегнетоэлектрических составах, которые демонстрируют большую ионную поляризацию. Типичные кривые зависимости емкости и коэффициента рассеяния от частоты показаны на рисунках 5 и 6.

Рисунок 5. Зависимость емкости от частоты

Рисунок 6. Коэффициент рассеяния в зависимости от частоты

Старение и зависимость от времени

Как обсуждалось в части 5 нашей серии статей, сегнетоэлектрические диэлектрики проявляют старение, когда происходит потеря емкости, когда ионы в кристаллической решетке смещаются и стабилизируются в положениях с более низкой потенциальной энергией.Ограничения на процентные потери емкости за декаду-час скорости старения обычно устанавливаются пользователями микросхем конденсаторов.

X7R будет стареть менее 2,5% за декаду час, и большинство диэлектриков с этой характеристикой обычно имеют скорость старения от 0,8% до 2,0% за декаду час. Спецификация старения High-K по необходимости более либеральна; нормальным считается скорость старения 5% за декаду час. Многие диэлектрики класса II могут также демонстрировать старение коэффициента рассеяния, что более характерно для составов с высоким содержанием K.

Надеюсь, часть 9 дала вам лучшее понимание параметров диэлектрических испытаний и того, как их результаты могут повлиять на ваше конкретное приложение. В части 10 мы подробно рассмотрим отраслевые стандарты тестирования. Также ознакомьтесь с нашими конденсаторами Knowles Precision Devices, чтобы ознакомиться с полным ассортиментом нашей продукции.

Чтобы узнать больше о конденсаторах, загрузите нашу электронную книгу «Руководство по выбору правильного конденсатора для вашего конкретного применения».

Конденсаторы — Потери (ESR, IMP, DF, Q) — Блог о пассивных компонентах

C 1.3.1 Импеданс и ESR

Конденсатор создает в цепях переменного тока сопротивление, емкостное реактивное сопротивление (формула C1-3). В конденсаторе также есть определенная индуктивность. В цепях переменного тока он создает индуктивное сопротивление , которое пытается нейтрализовать емкостное. Наконец, конденсатор имеет резистивных потерь . Вместе эти три элемента создают импеданс Z.

Если мы подаем переменное напряжение на конденсатор, его потери выделяют тепло.Их можно рассматривать как резистивную часть импеданса, то есть как резистивные элементы, распределенные в разных частях компонента, например в соответствии с эквивалентной схемой на рисунке С1-16.

• C = емкость
• IR = сопротивление изоляции (IR >> Rs)
• Rs = последовательные потери
• L = индуктивность в подводящих проводах

R _s состоит из сопротивления в подводящих проводах, контактных поверхностях и металлизированных электродах, где такие элементы встречаются, а также из диэлектрических потерь.Если мы подадим на конденсатор постоянное напряжение, генератор «почувствует» чисто резистивные потери, в которых преобладает ИК-излучение. Но из-за высокого значения ИК тепловыделение будет незначительным. Если вместо этого мы переключимся на переменное напряжение и позволим частоте повышаться, ток будет пропорционально увеличиваться и в конечном итоге будет выделять значительное тепло в R _s . Если мы преобразуем IR в небольшое последовательное сопротивление с помощью формулы C1-14 и объединим его с R _s , мы получим общее последовательное сопротивление, называемое ESR (эквивалентное последовательное сопротивление, иногда называемое эффективным последовательным сопротивлением).Последовательный импеданс Zs на рисунке C1-16 можно записать в виде:

В качестве среднеквадратичного значения получаем формулу:

(Ом) ……………………… [C1-9]

Емкостное реактивное сопротивление, 1 / ωC, в приведенной выше формуле уменьшается с частотой до того уровня, на котором преобладает индуктивное реактивное сопротивление L. Это происходит на резонансной частоте конденсатора fo, где 1 / ωC = L. Выше резонансной частоты конденсатор является индуктивным. Точно на резонансной частоте остается сопротивление Z только резистивного ESR (рисунок C1-17).Определяя потери на резонансной частоте, мы получаем точность. Но есть условие такой точности. Нам необходимо знать частотную зависимость ESR, которая в значительной степени обусловлена ​​материалом диэлектрика. В одних материалах она незначительна, в других — значительна. Некоторое руководство можно получить с помощью частотных диаграмм, которые иногда приводятся в этой книге для некоторых диэлектрических материалов, для которых эта информация важна.

Выражение для емкости в формуле для Z _s выше можно упростить до последовательной емкости C _s .Если C означает номинальную емкость, то мы получаем C _с как

………………………… [C1-10]

и

………………………… [C1-11]

Эквивалентная принципиальная схема будет выглядеть так, как на Рисунке C1-18.

Импеданс около резонансной частоты

На рисунке C1-17 показан пример диаграммы импеданса вокруг резонансной частоты.Мы продолжим рассуждать дальше.

Из-за приближений, использованных при выводе формулы C1-10, она применяется только намного ниже резонансной частоты, f ₀ . Однако там это может вызвать заметные отклонения от истинного значения. Уже при 0,2 x f ₀ C _s будет примерно на 4% больше номинального значения C.

Часто выражение для C _s используется, когда частотная зависимость емкости показана на диаграммах.Это означает, что емкость, вопреки физическим и электрическим законам, начинает расти с более высокими частотами. Соответственно, объяснение следует искать в ошибках метода измерения.

За исключением электролитических и других конденсаторов с высокими потерями, кривая сопротивления обычно имеет вид кривой, показанной на рисунке C1-19.

Острый острие на резонансной частоте характерно для конденсаторов со сравнительно небольшими потерями.В этом диапазоне частот вклад в полное сопротивление от ESR меньше, чем от емкостного и индуктивного реактивных сопротивлений. Когда уменьшающееся емкостное реактивное сопротивление достигает тех же величин, что и возрастающее индуктивное реактивное сопротивление, последнее будет возрастать. Это снижает емкостное реактивное сопротивление и в конечном итоге устраняет его. Кривая изгибается острым концом. Дно изгиба определяется ESR.

В конденсаторах с относительно высокими потерями, например электролитических, кривые импеданса достигают этих потерь и на них влияют задолго до того, как мы достигаем резонансной частоты.Частотно-зависимое уменьшение емкости также может играть определенную роль в частотном диапазоне. Кривая импеданса будет отклоняться от начальной кривой реактивного сопротивления и выровняться в гибком изгибе на вкладе ESR, высоко над точкой пересечения между емкостной и индуктивной ветвями. Это явление проиллюстрировано на Рисунке C1-20.

Тепловыделение от приложений переменного тока ограничивает температурный диапазон, например, бумажных конденсаторов, где потери значительно повышают внутреннюю температуру. В то время как приложения постоянного тока, например, допускают +85 или + 100 ° C, приложения переменного тока уже при 50 Гц могут потребовать ограничения до +70 ° C.

Более высокие частоты требуют дальнейшего снижения номинальных характеристик из-за соответствующего возрастания тока. R.M.S. Кроме того, значение переменного напряжения снижается в соответствии с допустимым значением постоянного тока не только в отношении пикового значения и повышения температуры, но также из-за дополнительной деформации, которую каждая реполяризация оказывает на диэлектрик.Чем выше номинальное напряжение, тем выше степень снижения номинальных характеристик.

Пример: AC / DC = 40/63, 63/100, 125/250, 220/400, 300/630, 500/1000, 660/1600. Но, пожалуйста, всегда проверяйте, что указано в соответствующих технических паспортах.

Потери на рисунке C3-18 сосредоточены в ESR, которое, следовательно, становится значительным, когда мы покидаем низкочастотный диапазон. Для высокочастотных микросхем и компонентов с высокими потерями, например электролитических, часто указывается ESR в технических паспортах.Если информация о ESR отсутствует, вы всегда найдете для всех типов компонентов заданное значение рассеяния , коэффициент (DF), tanδ (рисунок C1-21).

Следовательно, на более высоких частотах применяется последовательная схема согласно рисунку C1-18. Есть

……………… .. [C1-12]

Tanδ обычно выражается в%.

Если частота падает до нуля, цепь становится резистивной, как показано на рисунках C1-10 и -16, без какой-либо емкости, и потери ограничиваются IR.Также на очень низких частотах преобладает IR, но здесь он должен быть дополнен потерями, зависящими от переменного тока, до эквивалентного сопротивления потерь R _p . Схема на рисунке C1-16 теперь может быть упрощена до параллельной цепи с емкостью C _p (рисунок C1-22).

Если мы опишем импеданс в параллельной цепи в соответствии с рисунком C1-22, легко показать, что его коэффициент рассеяния, который применяется на низких частотах, может быть записан как

…………………………… [C1-13]

Разница между C _s и C _p обычно незначительна в зависимости от значения импеданса — см. Примечание ниже.Вернемся к связям в некоторых формулах. Если приравнять формулу C1-10 к C1-11, получим

…………………………… [C1-14]

Давайте закончим обсуждение потерь в конденсаторах, выделив различные типы потерь, как показано на следующем рисунке C1-23.

• R _d = диэлектрические потери
• R _s = потери в подводящих проводах, соединениях и металлизации электродов
• ESR = R _s + R _d
• C = C ₁ + C ₂ .

Анализатор импеданса может измерять емкость как параллельно, так и последовательно. Лучше всего подходит модель схемы в зависимости от величины емкости конденсатора.

Когда C мало, а полное сопротивление высокое, параллельное сопротивление между C и Rp станет значительно выше, чем Rs. Таким образом, настройка измерителя для измерения емкости должна быть Cp. Когда C велик, а импеданс мал, параллельный импеданс для C и Rp не так важен.Следовательно, Cs следует использовать для настройки измерителя для измерения емкости.

Хорошее практическое правило для выбора настройки импеданса — использовать Cp для значений импеданса конденсатора более 10 кОм и Cs для менее 10 Ом.

Другой практический выход — подумать, какой параметр лучше подходит для описания потерь в конденсаторе — ESR или DF? С точки зрения чистой физики это не имеет значения, поскольку вместе со вторым параметром (емкостью или импедансом) оба параметра описывают одну и ту же ступень конденсатора.В то время как ESR — это информация только о реальных потерях, DF объединяет информацию о реальных потерях и реактивных потерях (но нам в любом случае нужен второй параметр, чтобы точно описать конденсаторный каскад).

То же самое и с частотной зависимостью ESR / DF. Не имеет значения, использую ли я характеристики ESR или DF для описания на низких или высоких частотах из базовой физики. ОДНАКО в отрасли принято использовать пеленгатор для характеристики низких частот (120 Гц или 1 кГц), где преобладают диэлектрические потери, и ESR для более высоких частот (100 кГц), где потери резистивного соединения являются основной частью потерь.Вы можете найти значения как DF, так и ESR в технических описаниях производителя со ссылкой на эти частоты.

Пример: , вы можете услышать, как представители отрасли говорят: «Этот конденсатор имеет высокий DF», что означает, что конденсатор имеет высокие потери в зоне более низких частот (120/1 кГц), что может указывать на некоторые проблемы с диэлектрическим материалом ( примеси, расслоение…). и, конечно, ESR на 120 Гц / 1 кГц также будет высоким. То же самое и с ESR — когда кто-то говорит: «ESR конденсатора является проблемой», он / она обычно имеет в виду ссылку на стандартную измерительную частоту 100 кГц, указывающую на проблемы с резистивными потерями (проблемы с межсоединениями, плохие сварные швы и т. Д.)… И, конечно, DF на 100 кГц также будет высоким.

Иногда встречаются выражения Q или Q value, особенно в высокочастотных приложениях. Вместо того, чтобы описывать потери в конденсаторе как DF (Tanδ), мы скорее укажем отсутствие потерь в конденсаторе, его добротность и значение Q. Он определяется как

……………………. [C1-15]

Типичные значения добротности керамических диэлектриков класса 1 находятся в диапазоне от 200 до 2000 при 100 МГц и сильно зависят от частоты.

Мы будем использовать значение Q для описания связи между величинами в последовательной и параллельной цепях на рисунках C1-18 и -20. Изобразив выражения для импеданса и значений добротности этих цепей и уравняв действительную и мнимую части импеданса, мы можем показать, что

На рисунке C1-24 показано поведение различных диэлектрических диполей при воздействии на них переменного поля.Они будут колебаться с той же частотой, что и поле, если позволит время их реакции. Каждое вращательное движение требует энергии, а выполняемая работа выделяет тепло. Наиболее инертные диполи будут реагировать на очень низкие частоты и здесь будут вносить вклад в потери. Но по мере увеличения частоты различные типы диполей не смогут реагировать достаточно быстро, один за другим, как показано на рисунке.

Как раз в диапазоне, где время реакции диполей и период частоты совпадают, возникает своего рода резонанс, который заставляет дипольные типы реагировать с пиком потерь (Рисунок C1-24).

Обратите внимание, что на рисунке C1-24 показаны потери на диполе , , ничего больше. Есть и другие диэлектрические материалы, у которых нет молекулярных диполей. Их называют неполярными, а остальные — полярными. Это не имеет ничего общего с полярной зависимостью электролитов.

Сумма потерь в полярном и неполярном конденсаторах может выглядеть так, как показано на рисунке C1-25.

Следует помнить, что диэлектрические потери (диэлектрическая проницаемость материала) могут быть частотно-зависимыми, и согласно расчету основной емкости это единственный параметр, отвечающий за частотную зависимость конденсатора в идеальном конденсаторе (с учетом площади поверхности электродов и толщины диэлектрической стабильной конструкции).Реальный конденсатор может иметь дополнительную лестничную структуру RLC, которая ограничивает его резонанс и максимальную рабочую частоту.

Зависимость емкости (диэлектрической проницаемости) и ESR от частоты также может быть хорошим инструментом для анализа отказов, который может определить, есть ли дополнительная (неправильная) поляризация, вызванная пустотами, примесями или какая часть конструкции конденсатора соответствует более высоким потерям и т. Д.

Потери конденсатора (ESR, IMP, DF, Q)

Лицензионный контент EPCI:

[1] EPCI Эксперты Европейского института пассивных компонентов оригинальные статьи
[2] Справочник по пассивным компонентам CLR от P-O.Фагерхольт *

* используется под авторским правом EPCI от CTI Corporation, США

Содержание этой страницы находится под международной лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0.

Ухудшение характеристик конденсатора, потеря емкости в процентах как …

Контекст 1

… идеальный конденсатор не будет оказывать сопротивления протеканию тока по его выводам. Однако электролит (оксид алюминия), заполняющий пространство между пластинами и электродами, создает небольшое эквивалентное внутреннее последовательное сопротивление (ESR). ESR рассеивает часть накопленной энергии в конденсаторе. Несмотря на наличие диэлектрического изоляционного слоя между пластинами конденсатора, между пластинами протекает небольшой ток «утечки». Для исправного конденсатора, работающего номинально, этот ток не имеет большого значения, но он становится больше по мере разрушения оксидного слоя во время работы.Известно, что высокое электрическое напряжение усиливает деградацию оксидного слоя из-за локальных пробоев диэлектрика на оксидном слое (Иконописов, 1977; Wit & Crevecoeur, 1974). Литература по деградации конденсаторов показывает прямую связь между уменьшением электролита и увеличением ESR конденсатора (Kulkarni, Biswas, Koutsoukos, Goebel, & Celaya, 2010b). Увеличение ESR означает большее рассеивание и, следовательно, медленное уменьшение среднего выходного напряжения на выводах конденсатора.Другой механизм, происходящий одновременно, — это повышение внутреннего давления из-за увеличения скорости химических реакций, которые объясняются повышением внутренней температуры в конденсаторе. Во время экспериментов, как обсуждалось ранее, конденсаторы характеризовались через регулярные промежутки времени. ESR и емкость — два основных предвестника отказа, которые определяют текущее состояние работоспособности устройства. Значения ESR и емкости были рассчитаны после определения характеристик конденсаторов. Поскольку устройства деградируют из-за различных механизмов отказа, мы можем наблюдать уменьшение емкости и увеличение ESR.Значения ESR и емкости оцениваются путем идентификации системы с использованием модели общих параметров, согласованной с последовательной емкостью и ESR, как показано на рисунке 3. Частотная характеристика импеданса конденсатора (измеренная с помощью электроимпедансной спектроскопии) используется для измерения оценка параметров. Следует отметить, что модель с сосредоточенными параметрами, используемая для оценки ESR и емкости, не является моделью, которая будет использоваться в алгоритме прогнозирования; это только позволяет нам оценить параметры, которые указывают на процесс деградации во времени.Такие параметры, как ESR и емкость, сложно оценить на основе измерений напряжения и тока на месте с помощью испытания на ускоренное старение. На рисунке 4 показано процентное увеличение значения ESR для всех шести тестируемых конденсаторов за период времени. Это значение ESR рассчитывается на основе измерений импеданса после определения характеристик конденсаторов. Точно так же на рис. 5 показано процентное уменьшение значения емкости по мере того, как конденсатор деградирует в течение периода, описанного в условиях испытания EOS.В соответствии со стандартами MIL-C-62F (2008) конденсатор считается неисправным, если в электрическом режиме его ESR увеличивается на 280-300% от исходного значения или емкость уменьшается на 20% ниже исходного значения. Из графиков на рисунке 4 мы видим, что за время, в течение которого проводились эксперименты, среднее значение ESR увеличилось на 54% — 55%, в то время как за тот же период времени средняя емкость уменьшилась более чем на 20% (пороговая отметка для исправного конденсатора) (см. рисунок 5).В результате процент потери емкости выбирается в качестве переменной, предваряющей отказ, которая будет использоваться при разработке модели деградации, представленной далее. Представлен алгоритм прогнозирования на основе модели, основанный на фильтре Калмана и основанной на физике эмпирической модели деградации. Этот алгоритм может прогнозировать оставшийся срок службы конденсатора на основе ускоренной деградации …

Контекст 2

… идеальный конденсатор не будет оказывать сопротивления протеканию тока по его выводам.Однако электролит (оксид алюминия), заполняющий пространство между пластинами и электродами, создает небольшое эквивалентное внутреннее последовательное сопротивление (ESR). ESR рассеивает часть накопленной энергии в конденсаторе. Несмотря на наличие диэлектрического изоляционного слоя между пластинами конденсатора, между пластинами протекает небольшой ток «утечки». Для исправного конденсатора, работающего номинально, этот ток не имеет большого значения, но он становится больше по мере разрушения оксидного слоя во время работы.Известно, что высокое электрическое напряжение усиливает деградацию оксидного слоя из-за локальных пробоев диэлектрика на оксидном слое (Иконописов, 1977; Wit & Crevecoeur, 1974). Литература по деградации конденсаторов показывает прямую связь между уменьшением электролита и увеличением ESR конденсатора (Kulkarni, Biswas, Koutsoukos, Goebel, & Celaya, 2010b). Увеличение ESR означает большее рассеивание и, следовательно, медленное уменьшение среднего выходного напряжения на выводах конденсатора.Другой механизм, происходящий одновременно, — это повышение внутреннего давления из-за увеличения скорости химических реакций, которые объясняются повышением внутренней температуры в конденсаторе. Во время экспериментов, как обсуждалось ранее, конденсаторы характеризовались через регулярные промежутки времени. ESR и емкость — два основных предвестника отказа, которые определяют текущее состояние работоспособности устройства. Значения ESR и емкости были рассчитаны после определения характеристик конденсаторов. Поскольку устройства деградируют из-за различных механизмов отказа, мы можем наблюдать уменьшение емкости и увеличение ESR.Значения ESR и емкости оцениваются путем идентификации системы с использованием модели общих параметров, согласованной с последовательной емкостью и ESR, как показано на рисунке 3. Частотная характеристика импеданса конденсатора (измеренная с помощью электроимпедансной спектроскопии) используется для измерения оценка параметров. Следует отметить, что модель с сосредоточенными параметрами, используемая для оценки ESR и емкости, не является моделью, которая будет использоваться в алгоритме прогнозирования; это только позволяет нам оценить параметры, которые указывают на процесс деградации во времени.Такие параметры, как ESR и емкость, сложно оценить на основе измерений напряжения и тока на месте с помощью испытания на ускоренное старение. На рисунке 4 показано процентное увеличение значения ESR для всех шести тестируемых конденсаторов за период времени. Это значение ESR рассчитывается на основе измерений импеданса после определения характеристик конденсаторов. Точно так же на рис. 5 показано процентное уменьшение значения емкости по мере того, как конденсатор деградирует в течение периода, описанного в условиях испытания EOS.В соответствии со стандартами MIL-C-62F (2008) конденсатор считается неисправным, если в электрическом режиме его ESR увеличивается на 280-300% от исходного значения или емкость уменьшается на 20% ниже исходного значения. Из графиков на рисунке 4 мы видим, что за время, в течение которого проводились эксперименты, среднее значение ESR увеличилось на 54% — 55%, в то время как за тот же период времени средняя емкость уменьшилась более чем на 20% (пороговая отметка для исправного конденсатора) (см. рисунок 5).В результате процент потери емкости выбирается в качестве переменной, предваряющей отказ, которая будет использоваться при разработке модели деградации, представленной далее. Представлен алгоритм прогнозирования на основе модели, основанный на фильтре Калмана и основанной на физике эмпирической модели деградации. Этот алгоритм может прогнозировать оставшийся срок службы конденсатора на основе ускоренной деградации …

Микроволны101 | Эффекты ESR конденсатора

Щелкните здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу, посвященную схемам стабилизации питания

Нажмите здесь, чтобы перейти на страницу главного конденсатора

Щелкните здесь, чтобы перейти на страницу математических вычислений конденсаторов

Щелкните здесь, чтобы сравнить работу в импульсном и непрерывном режимах

Новое за декабрь 2018 г .: вот новая страница, на которой представлен обновленный расчет рассеяния накопления заряда.Возникли проблемы с методом, представленным на этой странице.

Эта страница покажет вам, почему вам нужно беспокоиться об эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) конденсаторов накопления заряда в импульсных приложениях. В некоторых случаях необходимое количество конденсаторов зависит от нагрева, а не от падения напряжения. СОЭ — это один из паразитарных элементов, другие обсуждаются здесь.

Посетите нашу сопутствующую страницу о зарядно-накопительных конденсаторах

В случае электролитических конденсаторов, питающих импульсный передатчик, ESR одного 4.Конденсатор емкостью 7 мкФ может быть порядка одного Ом. Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора может сильно зависеть от напряжения в керамических конденсаторах, но почти постоянно в электролитических. Часто в импульсных передатчиках вам необходимо разработать схему модулятора, которая подает высокие пиковые токи на усилители мощности с быстрым нарастанием и спадом. Источник питания будет расположен достаточно далеко от усилителя / модулятора, чтобы он не мог передавать импульсы тока. Это когда зарядно-накопительные конденсаторы берут на себя тяжелую работу.

На диаграмме ниже мы исследуем систему накопления заряда (да, нам тоже нужно опубликовать схему!), В которой ток от источника питания эффективно развязан от батареи накопительных конденсаторов. Колпачки расположены рядом со схемой модулятора, которая включает передатчик на 10 мксек, а затем выключает на 40 мксек (рабочий цикл 20%). Источник питания подает постоянный ток 0,2 А (пиковый ток x коэффициент заполнения). Колпачки питают остальные 0,8 А во время импульса и заряжаются при -0.2 ампера, когда передатчик выключен (так что зарядка = зарядка).

Проблема с этим анализом заключается в следующем: Суммарный бросок и скачок заряда (ток x tine) конденсатора должны быть равны. По сюжету вы видите, что это не так. Действительно, ток конденсатора не будет постоянным при перезарядке крышки. Перейдите сюда, чтобы лучше проанализировать это.

Эффект падения напряжения

Напряжение, которое подает батарея зарядно-накопительных конденсаторов, уменьшается на эквивалентное ей последовательное сопротивление.Для определения чистого ESR банка вы должны вычислить ESR всех конденсаторов параллельно. Обычно предполагается, что все они одинаковы (но на самом деле это не так). Но конденсаторы обычно указываются с максимальным ESR, поэтому этот расчет будет немного пессимистичным и даст вашему дизайну некоторый запас.

В приведенном выше примере, если накопитель заряда составляет 1 Ом ESR, он будет способствовать падению напряжения в системе на одно вольт; таким образом, если вы хотите, чтобы импульсный сток GaAs-усилителя составлял 8 вольт, вам понадобится источник питания на 9 вольт.Следующая часть этой страницы объяснит, как рассчитывается рассеиваемая мощность из-за ESR.

Эффект рассеивания мощности

Мощность, рассеиваемая на резисторе, равна среднеквадратичному значению сигнала импульсного тока, умноженному на сопротивление. Для конденсаторов N, подключенных параллельно, разделите значение ESR для одной конденсатора на N.

Затем нам нужно вычислить среднеквадратичный ток сигнала.

Искусство вычисления без вычислений…

Чтобы вычислить среднеквадратичный ток, необходимо вычислить средний по времени квадрат тока, а затем извлечь квадратный корень из результата. Чаще всего на этом этапе ваш инструктор по СВЧ прибегает к интегральным знакам. Но для прямоугольных импульсов тока это можно сделать почти в уме, и вам не нужно прибегать к расчетам! Будем следовать примеру Брюса Ли:

Искусство сражаться без боя из Enter the Dragon

Во время импульса тока, если источник питания полностью отделен от накопителя заряда, конденсаторный источник пиковый ток минус средний ток (I1):

Когда передатчик выключен, конденсаторы заряжаются током I2:

Теперь мы просто усредняем по времени квадрат формы сигнала тока, чтобы получить среднеквадратичный ток.Приведенные ниже уравнения показывают пошаговый расчет.

Теперь, когда вычислен среднеквадратичный ток, мы можем рассчитать рассеивание из-за ESR:

Наконец, давайте посмотрим на среднеквадратичный ток в процентах от пикового тока. При полностью включенном или выключенном передатчике (DF = 100% или DF = 0%) конденсаторы подают нулевой ток. Максимальный ток возникает при DF = 50% (прямоугольная волна). При 25% или 75% DF соотношение составляет 3/16.

Если кому-то нужна электронная таблица, которая выполнила этот расчет, просто спросите.

Теперь рассчитаем рассеиваемую мощность на примере. Пиковый ток на 1 А, DF на 20% и ESR на 1 Ом, конденсаторные источники 0,32 А (среднеквадратичное значение). Его рассеиваемая мощность составляет 102 мВт, в этом случае проблем быть не должно. Если вы попросите этот единственный конденсатор подать пик 10 ампер, держите огнетушитель под рукой, он рассеивает 10 ватт!

Основные параметры алюминиевых электролитических конденсаторов SMD

Объяснение смещения постоянного тока MLCC с высоким напряжением постоянного тока и потери емкости при старении

MLCC Емкость при температуре

В зависимости от типа диэлектрика емкость изменяется в зависимости от температуры — см. Рис.2. Это четко определено международными стандартами, и даже класс диэлектрической проницаемости указывает на температурную стабильность, включая поле допуска, как показано в таблице 1.

MLCC Класс II Емкость с постоянным током смещения

Некоторые диполи BaTiO3 блокируются постоянным напряжением, и они не могут двигаться дальше при небольших изменениях переменного напряжения, что приводит к потере емкости.Емкость

из-за смещения постоянного тока являются наиболее важным фактором, влияющим на реальное значение емкости в рабочих условиях.

Уровень Потери емкости (количество заблокированных диполей) пропорционален полю постоянного тока (В / м м), , таким образом, конденсатор с более тонким диэлектриком и более высоким напряжением на воздействие толщины диэлектрика будет демонстрировать более высокие потери емкости с постоянным током смещения. Тип и структура диэлектрика (размер зерен, форма, распределение, примеси) также могут иметь значительное влияние на уровень потерь емкости.

Как следствие, уровень потерь емкости может увеличиваться с более высокой плотностью CV (высокая емкость при малых размерах), и это может быть номер детали и конкретный производитель . См. Рисунок 3. ниже в качестве примера потери емкости корпуса 10 мкФ, 6,3 В MLCC X7R 0805 с различиями смещения постоянного тока между тремя производителями. Потери при номинальном напряжении могут варьироваться от -35% до -65%, и даже при более вероятных условиях пониженного напряжения при 3,3 В они могут составлять от -12 до -32%, что может привести к довольно значительным внутрисхемным характеристикам у различных производителей. .

Оценка таких характеристик может иметь решающее значение при квалификации альтернативного производителя MLCC в текущей ситуации на рынке с ограниченным предложением.

Падение емкости из-за смещения постоянного тока происходит не сразу, но иногда требуется для полной блокировки более медленных диполей. Таким образом, мы можем видеть некоторое быстрое немедленное падение емкости в момент времени, близкое к нулю после подключения напряжения постоянного тока, и некоторое дополнительное падение в пределах от десятых минут до часа (часов), чтобы достичь окончательного уровня падения емкости.См. Рисунок 4.

После того, как все диполи заблокированы, больше не будет значительного влияния постоянного напряжения в более длительном временном интервале. Значение емкости все еще продолжает уменьшаться за декаду из-за спонтанной поляризации, как описано в главе 1., но это явление не связано с приложенным постоянным напряжением. Производители MLCC используют, чтобы говорить о поведении конденсатора в течение десятилетий… Итак, что происходит в первое десятилетие, второе десятилетие и т. Д., Поскольку это напрямую связано с физическими механизмами и его влиянием на общую производительность.

Пример падения емкости с течением времени можно увидеть на рис. 4. Источник: Panasonic в их примере стабильности емкости танталового полимера по сравнению с MLCC.

Потери емкости из-за эффекта смещения постоянного тока можно уменьшить за счет использования корпуса большего размера, который уменьшает электрическое поле В / мм, воздействующее на диэлектрик. См. Рис. 5 в качестве примера потери емкости при сравнении напряжения смещения постоянного тока на 10 мкФ 6,3 В X5R в корпусах типоразмеров 0805 и 0603. Другой вариант, если это применимо, — использовать материал диэлектрического типа более высокого качества, такой как переход от X5R к X7R или X7R на X8R, или более жесткое поле допуска e.грамм. переход от типов X7R к типам X7P (согласно таблице 2). См. Рис. 6 в качестве примера сравнения потерь емкости при смещении постоянного тока на конденсаторе 1 мкФ 6,3 В 0402 между типами X5R и X7R.

MLCC Класс II Емкость при переменном напряжении

Сегнетоэлектрические материалы (BaTiO3) демонстрируют некоторый гистерезис поляризации в зависимости от электрического поля, что вызывает зависимость емкости MLCC также от переменного напряжения. Уровень зависит в основном от типа диэлектрика, как показано на рисунке 7.

Стандартные условия измерения напряжения переменного тока на конденсаторе устанавливаются на 1 В среднеквадратичное значение при 1 кГц и комнатной температуре. Тем не менее, существует ряд применений конденсаторов MLCC, которые работают при значительно более низком напряжении переменного тока, таком как 10 мВ. В этом случае можно ожидать падения емкости из-за небольшого напряжения переменного тока в диапазоне от -5 до -15%.

«Гистерезис переменного напряжения» также можно «перенастроить» путем нагрева конденсатора до температуры Кюри.

Пьезошум MLCC

Рис. 8. Иллюстрация пьезоэффекта MLCC, источник: Panasonic

MLCC II BaTiO3 сегнетоэлектрический диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью проявляет пьезоэффект. Молекула титана колеблется под действием внешних напряжений вперед и назад. Электрические сигналы могут механически деформировать диэлектрик. Это искажение или движение создает характерный «жужжащий» шум. Эффект используется для микрофонов, пьезодатчиков и т. Д., Но он нежелателен для конденсаторов, где он может ухудшить чистоту сигнала или создать дополнительный шум.Пьезоэффект увеличивается с увеличением напряжения смещения постоянного тока и напряжения поля постоянного тока (в / мм). (таким образом, детали с наибольшими потерями в конденсаторе смещения постоянного тока могут также демонстрировать более сильный пьезошум). Наихудший частотный диапазон для возникновения пьезоэффекта составляет от 1 до 10 кГц, что типично, например, для драйверов светодиодной подсветки, где использование MLCC с высоким CV необходимо тщательно оценивать.

Краткое описание поведения потерь емкости MLCC класса II в рабочих условиях

MLCC класса II предлагают очень высокий уровень плотности энергии при миниатюрных размерах, что позволяет использовать широкий спектр современных цифровых устройств.С другой стороны, высокая плотность емкости «компенсируется» низкими электрическими параметрами, которые могут быть или не иметь решающего значения в конкретной области применения.

Имеется эффект умножения рабочих условий, который может вызвать значительную потерю емкости конденсаторов MLCC класса II в реальных условиях эксплуатации.

, например — если вы выберете конденсатор X5R 0805 10 мкФ 6,3 В в качестве соединительного конденсатора 5 В в операционном усилителе, конденсатор может иметь (в зависимости от производителя):

• -60% падение емкости из-за постоянного напряжения 5 В, близкого к 6.Максимальное номинальное напряжение 3 В (согласно типичным данным, предоставленным производителем)
• — Падение емкости на 15% из-за переменного напряжения 10 мВ (согласно типовым данным, предоставленным производителем)
• -10% падение емкости из-за рабочей температуры (согласно спецификации)
• Падение емкости на 5% при каждой декаде (согласно спецификации)

Общее значение емкости при фактических условиях затем определяется как произведение коэффициентов падения емкости.

C _{фактическое} = C _{номинальное} * F _{падение постоянного напряжения} * F _{падение переменного тока} * F _{падение температуры} * F _{падение температуры}

В примере выше

C _{фактическое} = 10 мкФ * 0,4 * 0,85 * 0,9 * 0,95 = 2,9 мкФ

Ожидается, что фактическое значение емкости конденсатора 10 мкФ 6,3 В MLCC X5R в указанных выше условиях эксплуатации составит 2,9 мкФ.

Однако в таких условиях эксплуатации реальное значение емкости может составлять всего 10% в зависимости от конкретной конструкции PN и производителя.Разработчики электронных устройств должны учитывать такое поведение, и всегда рекомендуется проверять технические характеристики производителя, моделирование и его подробные спецификации. Ведущие производители MLCC предоставляют сложные интерактивные имитационные модели, в которых проектировщики могут ввести условия эксплуатации, а программное обеспечение сгенерирует типовые графики для выбранной детали.

Насколько достоверны данные моделирования производителей?

Этот подраздел следует за экспериментальной работой И.Новак в пер. [2] был реализован в 2011 году у нескольких поставщиков MLCC X5R и X7R.

Рис. 7. сравните данные поставщиков MLCC 1 мкФ 0603 X5R и X7R 16 В с данными измерений в стандартных условиях, смещение переменного тока 500 мВ (среднеквадр.) При 100 Гц и комнатной температуре.

Не все производители указывают условия (температура, смещение переменного тока, частота) для своих данных смещения постоянного тока, но наши данные смещения переменного тока 500 мВ (среднеквадр.), Похоже, с большей вероятностью соответствуют условиям поставщика, чем набор данных 10 мВ среднеквадр.

Поставщик-B и поставщик-C имеют очень хорошее согласие между измеренным и прогнозируемым поставщиком падением емкости.Данные для поставщика-A и поставщика-F показывают большие различия, и оба прогноза недооценивают потери емкости.

В качестве важного примечания следует добавить, что производители постоянно улучшают свои программные инструменты моделирования и их точность. Данные, представленные на Рисунке 9, отражают текущую ситуацию в 2011 году.

Рис. 9. Сравнение емкости в% и смещения 1 мкФ 0603 X5R и X7R 16 В при 100 Гц и 500 мВ переменного тока. Зеленые треугольные маркеры обозначают данные поставщика; синяя линия показывает измеренные данные.Источник: И. Новак; electric-integrity.com, 2011

Керамические конденсаторы широко используются в современных электронных схемах. Многие из них находят применение в сетях преобразования и распределения энергии. В высокоскоростных каналах передачи данных они используются в качестве конденсаторов блокировки по постоянному току, а иногда и как часть RC-заделки. Аналоговые схемы также используют их для синхронизации и блокировки по постоянному току.

Конденсаторы в блоках питания

Силовые электронные системы требуют некоторого минимального значения емкости для безопасного режима работы ИС.В случае падения напряжения ниже значения отсечки это может привести к сбоям в работе источника питания и критическим сбоям при потере мощности. Это очень важно, особенно для приложений, критичных к безопасности.

MLCC X5R или X7R являются предпочтительным выбором для многих миниатюрных силовых конструкций из-за их уменьшенных размеров, низкого ESR, низкого ESL и высокой способности к току пульсаций. Однако потеря емкости из-за воздействия старения смещения постоянного тока может привести к значительной потере значения емкости. Это явление зависит от различных параметров, влияющих на внутреннюю напряженность электрического поля, и, следовательно, от PN и от производителя.

Аттестация нового поставщика, использование квалифицированной детали в различных условиях применения без каких-либо предварительных знаний и данных может привести к катастрофическим сбоям системы. На рисунке 10 показан пример падения емкости во времени у трех разных производителей одной и той же PN. Синие и черные поставщики изначально были квалифицированы конечным пользователем, красные поставщики были добавлены из-за риска остановки линии из-за ситуации на рынке нехватки MLCC, что привело к системным сбоям.

Конденсаторы, включенные параллельно (источник: [2])

Приложение, в котором может потребоваться учитывать зависимость MLCC от смещения постоянного и переменного тока, — это когда мы используем параллельно MLCC с разными значениями емкости (рисунок 11).

Если предполагается, что конденсаторы идеальны, как показано слева на рисунке, все, что нам нужно сделать, это просуммировать различные емкости по мере их изменения смещения постоянного и переменного тока. Если также учитывать их паразитные свойства, необходимо также учитывать изменения последовательного и параллельного резонансов. Изменение емкостей приведет к сдвигу последовательного и параллельного резонансов в сторону более высоких значений, а добротность также может немного измениться. Если относительная скорость изменения емкости одинакова для всех конденсаторов, мы получаем в основном сдвиг профиля импеданса в сторону более высоких частот и более высокой добротности на резонансах.

Наихудший случай имеет место, когда часть параллельной емкости уменьшается, а некоторые другие либо не увеличиваются, либо фактически могут увеличиваться, возможно, из-за условий смещения переменного тока.

Такой сценарий проиллюстрирован данными измерений на Рисунке 12. Два конденсатора были подключены параллельно в испытательном приспособлении: X7R емкостью 1 мкФ 0603 16 В от одного производителя и компонент X5R размером 6,3 В емкостью 47 мкФ 1206 от другого поставщика. Минимум около 1 МГц — это частота последовательного резонанса части 47 мкФ.Минимум около 7 МГц — это последовательная резонансная частота части 1 мкФ. Пик около 4 МГц — это антирезонанс между емкостью 1 мкФ и индуктивностью 47 мкФ. Обратите внимание, что все три резонанса перемещаются в сторону более высоких частот, указывая на то, что емкости обеих частей уменьшаются с увеличением смещения постоянного тока.

Конденсаторы в LC-фильтрах (источник: [2])

Вероятно, одна из худших ситуаций — это когда несколько компонентов, объединенных в одну сеть, реагируют на смещения постоянного и переменного тока в противоположных направлениях.Типичный сценарий такого рода — использование последовательных катушек индуктивности или ферритовых шариков для усиленной фильтрации, за которыми следуют шунтирующие конденсаторы.

Если эта схема фильтра должна выдерживать значительный постоянный ток, а индуктивный элемент не имеет надлежащего размера, его индуктивность может упасть из-за постоянного тока, протекающего через деталь. Если в то же время отфильтрованное постоянное напряжение снижает емкость MLCC-части на выходе фильтра, мы получаем уменьшенную индуктивность и уменьшенную емкость, что приводит к значительному сдвигу частоты среза фильтра.Этот эффект был протестирован на схеме, показанной на Рисунке 13.

Испытуемая схема представляла собой простой фильтр PI, состоящий из двух байпасных конденсаторов и ферритовой бусины. Конденсатор C1 на входной стороне фильтра представлял собой конденсатор большой емкости электролитического типа емкостью 390 мкФ 16 В с небольшой или нулевой зависимостью от смещения постоянного и переменного тока, чтобы имитировать низкое значение входного импеданса питания. Конденсатор C2 на выходе представлял собой MLCC размером 47 мкФ 6.3V X5R 1206. Элемент серии L1 представлял собой коммерчески доступный ферритовый шарик, рассчитанный на максимальный ток 2 А.

График на Рисунке 14 показывает все кривые измеренных данных. На графике слева напряжение смещения постоянного тока и ток ограничены разумными диапазонами 0–4 В и 0–1 А соответственно. Пределы смещения постоянного тока 4 В и 1 А составляют 63% и 50% от номинальных пределов 6,3 В и 2 А соответственно.

На графике по двум осям отмечены два диапазона: диапазон изменения величины передаточной функции на частоте 260 кГц составляет 50 дБ; диапазон изменения частоты на уровне -50 дБ составляет примерно 3.2: 1. На графике справа показаны все кривые для полных измеренных диапазонов напряжения смещения 0–16 В и тока смещения 0–1,5 А. На этом графике также отмечены два диапазона: на частоте 260 кГц изменение величины передаточной функции составляет 68 дБ; диапазон изменения частоты на уровне -50 дБ составляет примерно 7,2: 1.

Очевидная задача проектировщиков состоит в том, чтобы получить наихудшее значение падения емкости MLCC класса II при стандартных условиях в качестве основы для их конструктивных соображений.Как упоминалось в предыдущих главах, производители постоянно совершенствуют онлайн-инструменты моделирования, где можно моделировать типичные графики в рабочих условиях, чтобы предоставить информацию о поведении конденсатора в требуемой среде.

Инструментов онлайн-моделирования может хватить для любых видов бытовой электроники, работающих в стандартной среде. Тем не менее, разработчики критически важных систем не могут полагаться на «типовые» графики данных и требуют 100% «гарантированной» точки значения емкости.Интерес к использованию MLCC с высоким CV в автомобилях безопасности, оборонных или медицинских системах возрастает в связи с постоянными требованиями к миниатюризации электроники.

Производители, с другой стороны, могут гарантировать только то, что они могут на 100% измерить при массовом производстве.

Существует два основных способа измерения емкости с помощью смещения постоянного тока: прямое и косвенное измерение емкости.

Прямое измерение емкости

Прямое измерение, которое сегодня используется в массовом производстве большинством производителей MLCC, основано на мостовых измерителях LCR, встроенных в 100% тестеры электрических параметров.Мосты, контактные системы и конструкция эл.тестера должны обеспечивать соответствующую точность, скорость, надежность и срок службы испытаний, чтобы иметь возможность измерять большое количество производимых конденсаторов MLCC всех типов и размеров.

Типичные мосты LCR, используемые производителями el.tester, относятся к классу измерительных мостов HP4263B (рис. 15), которые используются для измерения значений емкости, импеданса, пеленгации или ESR на частотах от 100 Гц до 1 МГц.

В то время как параметры измерения моста удовлетворяют потребности в быстром и надежном измерении электрических параметров, условия смещения постоянного тока ограничены максимумом 2 В.Это соответствует стандартным эталонным условиям емкости: Частота 1 кГц или 120 Гц Напряжение переменного тока: 0,5 или 1,1 В переменного тока и смещение 2 В постоянного тока.

Мосты LCR также могут принимать некоторый уровень внешнего смещения смещения, но в большинстве случаев его значение ограничено. В случае моста HP4263B максимальный уровень смещения составляет всего 2,5 В. Более дорогие мосты могут работать с более высокими внешними напряжениями, но часто ограничиваются максимумом 50 В.

Дополнительным фактором, усложняющим измерение емкости при более высоком смещении постоянного тока, является время зарядки.В зависимости от значения емкости измеряемой части иногда необходимо применять постоянную задержку перед измерением, чтобы позволить конденсатору полностью зарядиться. Это может быть другим осложнением для принятия измерения емкости в el.tester, поскольку для измерения может быть только несколько (десятых) миллисекунд, чтобы существенно не снизить скорость и пропускную способность тестера.

Косвенное (переходное) измерение емкости

Характеристики заряда и разряда конденсатора зависят от его емкости.Зарядный ток соответствует основному уравнению:

где, I = зарядный ток; dV / dt = увеличение напряжения; C = емкость

Таким образом, в случае стабильного увеличения напряжения, значение емкости dV / dt может быть рассчитано на основе измеренного значения тока.

Метод косвенной емкости во время переходного процесса, как показано на рисунке 16, теоретически может быть применим при измерении тока утечки при номинальном напряжении, которое обычно является частью 100% электрических измерений современных конденсаторов MLCC при массовом производстве.

(и ESR) также можно оценить по характеристикам разряда, как показано на рисунке 17. [3]

При постоянном токе разряда значения емкости и ESR можно рассчитать по формулам:

Основной проблемой косвенного измерения емкости здесь будет оценка его корреляции с характеристиками емкости по сравнению с характеристиками смещения постоянного тока, применимыми к широкому диапазону типов и размеров корпусов. Также стоимость модификаций электрического тестера может быть рассмотрена для реалистичного внедрения в массовое производство.

Линейный или нелинейный конденсатор с дополнительными допусками, рабочими пределами и поведение при сбое

Описание

Блок Capacitor позволяет моделировать линейные, нелинейные (на основе таблицы) и частотно-зависимые конденсаторы, в том числе полярные. При желании вы также можете смоделировать следующие эффекты:

Эти параметры моделирования можно включать и выключать независимо друг от друга. Когда все дополнительные опции отключены, поведение компонента идентично Библиотека Simscape ™ Foundation Конденсаторный блок.

В своей простейшей форме конденсаторный блок моделирует линейный конденсатор, описываемый следующим уравнением:

где:

• I — ток.

• C — емкость.

• В — напряжение.

• т время.

Чтобы смоделировать нелинейный или полярный конденсатор, установите модель емкости Параметр в таблицу поиска и обеспечивает поиск таблица значений емкости-напряжения:

• Для полярных конденсаторов, для которых эта справочная таблица асимметрична относительно приложенное напряжение на клеммах, установите таблицу симметричного C-V Параметр до Нет - использовать данные C-V как есть .

• Для других типов нелинейных конденсаторов необходимо обеспечить симметрию емкости. относительно приложенного напряжения на клеммах, установив симметричный Таблица C-V от параметра до Да - использовать величину напряжения при вычислении C .

Чтобы смоделировать частотно-зависимый конденсатор с резистивными и диэлектрическими потерями, установите Модель емкости Параметр от до Диэлектрик расслабление (Дебай) .Модель релаксации Дебая рассматривает набор невзаимодействующих диполей в частотная область. Результат выражается в комплексной диэлектрической проницаемости. Реальные (𝜖 ′) и мнимые (𝜖 ′ ′) части комплексной диэлектрической проницаемости задаются уравнениями:

, где 𝜔 — радиальная частота, 𝜖 _∞ — реальная диэлектрическая проницаемость на очень высокой частоте, 𝜖 _𝑠 — реальная диэлектрическая проницаемость на низкой частоте, а — постоянная времени релаксации.

Во временной области характеристическое уравнение конденсатора в модели Дебая равно

где 𝐶 _𝑠 — низкочастотная емкость, 𝛼 = 𝜖 _∞ / 𝜖 _𝑠 , 𝑞 — заряд, 𝑖 — ток, а 𝑣 — напряжение на конденсаторе.

В большинстве таблиц данных не указаны явные значения комплексной диэлектрической проницаемости или время релаксации; однако часто коэффициент рассеяния составляет два частоты.Параметры 𝛼 и 𝜏 могут быть получены из этих значений, как описано в уравнения:

, где 𝜔 ₁ и 𝜔 ₂ являются две разные частоты, и DF ₁ и DF ₂ — коэффициенты рассеяния рассчитаны на указанных частотах соответственно.

Аргумент квадратного корня должен быть положительным для правильной параметризации в Модель Дебая.

Допуски

Допуски можно применять к номинальному значению, которое вы предоставляете для Емкость параметр. Таблицы данных обычно содержат процент допуска для данного типа конденсатора. В таблице показано, как блок применяет допуски и рассчитывает емкость на основе выбранных Приложение допуска опция.

В таблице

• C — это параметр емкости значение, номинальная емкость.

• tol — дробный допуск, Емкость допуск (%) /100.

• nSigma — это ценность, которую вы предоставляете Число стандартных отклонений для указанного допуска параметр.

• rand и randn стандартные MATLAB ^® функции для генерации равномерного и нормального распределения случайные числа.

Примечание

Если вы выберете опцию Случайный допуск и вы находятся в режиме «Быстрый перезапуск», значение случайного допуска обновляется каждый симуляция, если хотя бы одно из значений дробного допуска, tol , или Число стандартных отклонений для указанный допуск , nSigma , установлен на время выполнения и определяется с помощью переменной (даже если вы не изменяете эту переменную).

Рабочие пределы

Вы можете указать рабочие пределы с точки зрения максимального рабочего напряжения и максимальная (мгновенная) рассеиваемая мощность в последовательном сопротивлении и в параллельная проводимость конденсатора.

Для полярных конденсаторов вы можете определить диапазон рабочего напряжения таким образом, чтобы блок выдает предупреждение или ошибку, если полярность приложенного напряжения становится неверным.

При превышении рабочего предела блок может генерировать предупреждение или остановить симуляцию с ошибкой.Для получения дополнительной информации см. Рабочие пределы.

Неисправности

Мгновенные изменения параметров конденсатора нефизичны. Поэтому, когда Блок конденсаторов переходит в неисправное состояние, переход емкости, сопротивления и проводимости к их значениям неисправности в течение период времени по следующей формуле:

где:

Блок может инициировать начало перехода отказа:

Вы можете включать или отключать эти механизмы запуска по отдельности или использовать их вместе, если в моделировании требуется более одного спускового механизма.Когда больше задействован один механизм, первый механизм, запускающий переход неисправности имеет приоритет. Другими словами, компонент выходит из строя не чаще одного раза за симуляцию.

Вы также можете выбрать, выдавать ли подтверждение при возникновении ошибки, используя Сообщение при возникновении неисправности Параметр . Утверждение может принять форму предупреждения или ошибки. По умолчанию блок не выдает утверждение.

Переменные

Используйте раздел Переменные блочного интерфейса для установки приоритет и начальные целевые значения для переменных блока до моделирование. Для получения дополнительной информации см. Установка приоритета и начальной цели для блочных переменных.

Переменная Напряжение конденсатора позволяет указать высокоприоритетная цель для начального напряжения конденсатора в начале моделирования.