CC BY
168Новые керамические
помехоподавляющие конденсаторы
Михаил красильщиков
Владимир Смирнов
Алевтина Шалаева
ОАО «НИИ “Гириконд”» разработало и приступило к выпуску новых керамических помехоподавляющих конденсаторов К10-81 категории качества «ВП». В статье рассматриваются особенности конструкции и технические характеристики этих конденсаторов.
Дается сравнение с рядом зарубежных аналогов. Впервые для отечественных конденсаторов такой конструкции приводятся значения и частотные зависимости основного параметра помехоподавления — вносимого затухания.
Введение
Борьба с электромагнитными помехами всегда была одной из серьезнейших проблем при создании радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время эта проблема стала еще более острой вследствие увеличения плотности компоновки и сложности аппаратуры, роста взаимного влияния ее элементов. Наиболее опасны помехи, распространяющиеся в проводящих цепях питания, управления, коммутации, а также в цепях полезных сигналов. Для фильтрации таких помех служат помехоподавляющие проходные конденсаторы и фильтры нижних частот. Первые отечественные керамические помехоподавляющие проходные конденсаторы [1], разработанные в 1950-е годы, состояли из однослойной керамической трубки с нанесенными на нее внутренним и внешним электродами, образующими емкость. Внутри трубки проходил проволочный вывод, связывающий источник сигнала и нагрузку. Номинальная емкость таких конденсаторов не превышала 15 000 пФ для самой нестабильной группы температурной стабильности Н90.
После появления технологии изготовления керамических многослойных монолитных конденсаторов, позволившей резко повысить максимальную и удельную емкости, на ее базе были разработаны и проходные помехоподавляющие конденсаторы. Такие конденсаторы имеют две основные конструкции: прямоугольную (чип-конденсаторы) и круглую (рис. 1). Чередующиеся слои керамического диэлектрика и электродов таких конденсаторов, отдельные слои которых соединены параллельно, образуют емкость между внутренней и внешней контактными поверхностями. Эта конструкция позволяет получать значения емкости от единиц пФ до нескольких мкФ.
В иностранных каталогах [2-5] круглые конденсаторы в основном называют Multilayer
Discoidal Capacitors, а в отечественной технической литературе — дискоидальными конденсаторами. В соответствии с конструкцией будем далее называть такие конденсаторы шайбовыми.
Шайбовые конденсаторы производят практически все фирмы, занятые производством керамических конденсаторов, например [2-5]. В таблице 1 приведено сравнение конденсаторов различных фирм.
Зарубежные изготовители шайбовых конденсаторов наряду с обычными для конденсаторов параметрами (номинальная емкость, номинальное напряжение, тангенс угла потерь и т. д.) приводят и характеристики помехопо-давления. В качестве примера на рис. 2 даны частотные зависимости вносимого затухания
Таблица 1. Сравнение шайбовых конденсаторов различных фирм
Фирма Spectrum Control Eurofarad Syfer
Параметры
Диаметр, мм 2,03; 2,54; 3,43; 3,81; 4,95; 8,64; 15,11 2,5; 3,5; 6,5; 8,5; 15,5 2,5-25
Группы ТСЕ NP0 X7R Z5U NP0 X7R NP0, X7R
Сном 33 пФ...0,22 мкФ 1000 пФ.6,8 мкФ 2700 пФ.6,8 мкФ 10 пФ.0,1 мкФ 100 пФ.4,7 мкФ (25 В, 15,5 мм) 10 пФ.4,7 мкФ
ином,В 50; 100; 200; 500 100; 200 25;50;100;200; 300;500 50-3000
и
Частота, МГц
105
1°7 м г 1°8 N кГц
104
ю5 „ г 106
N кГц
Рис. 2. Частотная зависимость вносимого затухания проходных конденсаторов зарубежных фирм: а) проходные чип-конденсаторы Е01 фирмы Syfer; б, в) шайбовые конденсаторы ТВС фирмы Еиго!а^
прямоугольных чип-конденсаторов Е01 фирмы Syfer [5] и шайбовых конденсаторов ТВС французской фирмы Eurofarad [3]. Из-за наличия собственной индуктивности чип-конденсаторов Е01 с началом роста импеданса после частоты собственного резонанса наблюдается снижение вносимого затухания. Коаксиальная конструкция шайбовых конденсаторов позволяет им иметь более низкие значения собственной индуктивности, чем у конденсаторов других типов, что обеспечивает высокие значения вносимого затухания на частотах до 10 ГГц и выше (ТВС).
Шайбовые конденсаторы НИИ «Гириконд»
Первые многослойные шайбовые конденсаторы К10-44 были разработаны в НИИ «Гириконд» в 1976 г. и в дальнейшем модернизировались с применением новых керамических материалов в направлении расширения шкалы номинальных емкостей
Таблица 2. Размеры конденсаторов К10-81
Габаритные размеры, мм
Типоразмер Диаметр Hmax
Наружный (D) Внутренний (d)
4 ±0,5 1,3 ±0,3 4
5 ±0,5 1,3 ±0,3
6,3 ±0,5 1,3 ±0,3
8 ±0,6 1,3 ±0,3
8 ±0,6 2,5 ±0,3
10 ±0,6 1,3 ±0,3
10 ±0,6 2,5 ±0,3
12 ±0,6 1,3 ±0,3
12 ±0,6 2,5 ±0,3
и напряжений. В 1981 г. были разработаны конденсаторы К10-54, выпускаемые до настоящего времени ОАО «Кулон».
При разработке последней серии шайбовых конденсаторов К10-81 (2010 г.) были применены новые керамические материалы с более высокими значениями диэлектрической проницаемости, доработана технология изготовления таких конденсаторов. Эти
устройства имеют 4 группы температурной стабильности емкости: МП0, Н20, Н50 и Н90.
В таблице 2 приведены размеры изделий К10-81. В зависимости от габаритных размеров конденсаторы имеют 9 типоразмеров: от 4,0х1,3 до 12x2,5 мм.
В таблице 3 приведена шкала номинальных емкостей и напряжений конденсаторов. Их значения находятся на уровне лучших показателей зарубежных фирм (табл. 1), что обеспечивает в случае необходимости замещение импортных аналогов.
Для отечественных шайбовых конденсаторов параметры помехоподавления ранее не приводились ни в технической документации, ни в технической литературе. Поскольку эти сведения полезны разработчикам при выборе конденсаторов и расчете помехоподавляющих цепей с их применением, при разработке конденсаторов К10-81 были проведены соответствующие исследования с внесением параметров помехоподавления в технические условия.
Таблица 3. Шкала конденсаторов К10-81
Типоразмер МП0 Н20, Н50 Н90
Сном: от 4,7 до 100 — пФ, от 0,01 до 0,1 — мкФ (ряд Е12) Сном: от 470 до 6800 — пФ, более — мкФ (ряд Е6) Сном, мкФ (ряд Е6)
ином, В ином, В ином, В
100 160 250 350 500 750 1000 50 100 160 250 350 500 50 100 250
2200-3900 560-1800 220-470 4,7-180 - - - 0,1 0,047 0,015-0,033 6800; 0,01 470-6800 - 0,22-0,47 0,047-0,1 0,015-0,033
- - - - - - - - 0,068 - - - - 0,15 -
3900-6800 1800-3300 470-1500 82-390 - - - 0,15-0,33 0,1; 0,15 0,033; 0,068 0,015; 0,022 6800; 0,01 - 0,47; 1,0 0,15-0,33 0,022-0,068
- - - - - - - - - - - - - - 0,1
8200-0,018 3300-6800 1000-2700 270-820 - - - 0,33; 0,47 0,15; 0,22 0,068; 0,1 0,033; 0,047 0,015; 0,022 - 0,068-1,5 0,22-0,47 0,047-0,1
- - - - - - - - - - - - 2,2 - 0,15
0,015-0,039 6800-0,012 1800-3900 1000-1500 470-820 47-470 - 0,47-1 0,33; 0,47 0,1-0,22 0,047; 0,068 0,033; 0,047 3300-0,033 1,5-3,3 0,47-1,0 0,068-0,22
- - 4700-5600 - - - - - - - - - - - - 0,33
0,012-0,033 5600-0,01 1800-2700 1000-1500 470-680 47-390 - 0,47; 0,68 0,22; 0,33 0,068-0,15 68 ,0 0, 1 ,04 0, 0,033 3300-0,022 1,0-2,2 0,33-0,68 0,1-0,22
- - 3300-4700 - 820 - - - - - - - - 3,3 - -
0,033-0,056 0,012-0,027 3300-6800 1800-2700 1000-1500 560-820 100-330 1,0; 1,5 0,47; 0,68 0,22; 0,33 0,1 0,068 0,047; 0,068 3,3-4,7 0,68-1,5 0,15-0,33
- - 8200-0,01 - - 1000 - - - - 0,15 0,1 - 6,8 2,2 0,47
0, 02 05 6 0,012-0,022 2700-6800 1800;2200 1000-1200 470-820 100-270 1; 1,5 0,33-0,68 0,15-0,33 0,068; 0,1 0,047; 0,068 0,033-0,047 2,2; 4,7 0,68-1,5 0,15-0,33
- - 8200-0,01 1500 1000 330 - - - - - 0,068 - - 0,47
0,056-0,1 0,027-0,047 6800-0,022 3300-4700 1800-2200 680-1500 470 2,2; 3,3 1,0; 1,5 0,47; 0,68 0,22 0,15 0,1 4,7-10,0 1,5-3,3 0,22-0,68
- - - 5600 2700 - 560 - - - 0,33 0,22 0,15 - - 1,0
0,056-0,1 0,027-0,047 6800-0,018 2700-4700 1800;2200 560-1200 390 2,2 0,68-1,0 0,33; 0,47 0,15 0,1 0,1 3,3-6,8 1-2,2 0,22-0,47
- - 0,022 5600 - 1500 470 3,3 1,5 - 0,22 0,15 - 10,0 - 0,68
Рис. 3. Электрическая схема конденсатора К10-81
с припаянным проходным выводом
Так как такие исследования были проведены впервые и представляют определенные трудности, остановимся подробнее на их методике.
Шайбовые конденсаторы монтируются пайкой наружной контактной поверхности (вывод 3 на рис. 3) к «заземленной» плоской металлической или металлизированной плате или в ее соответствующие углубления. Через внутреннее отверстие конденсатора пропускают «проходной» вывод 1-2 с пайкой его к внутренней контактной поверхности. Таким образом, конденсатор с припаянным проходным выводом является фильтром С-типа.
Основной параметр помехоподавле-ния — это затухание, вносимое конденсатором (фильтром) на определенной частоте. Вносимое затухание (А) в децибелах вычисляют по формуле:
А = 20^/^, (1)
где и1 — напряжение на входе цепи между выводами 1-3; и2 — напряжение на выходе цепи между выводами 2-3.
Отечественный стандарт на методы измерения вносимого затухания [6] накладывает жесткие требования как на конструкцию измерительного контейнера, так и на значения параметров измерительных цепей. Для измерений был разработан специальный коаксиальный контейнер, полностью соответствующий требованиям этого ГОСТа. Контейнер обеспечивал величину затухания сигналов, проникающих помимо цепей фильтра в пределах 94-97 дБ, а коэффициент стоячей волны относительно волнового сопротивления измерительной схемы не превышал 1,5 при частоте измерительного напряжения до 1000 МГц. При частотах до 0,3 МГц применялись рекомендованные [6] измерительные приемники SMV-11, SMV-8,5, в диапазоне частот от 0,3 до 1300 МГц — современный компьютеризированный измеритель комплексных коэффициентов передачи «Обзор-103». Этот прибор предназначен для измерения комплексных S-параметров. Вносимому затуханию соответствует комплексный коэффициент передачи 521, определяемый как отношение напряжения выходного сигнала к напряжению падающего сигнала в логарифмическом масштабе. Динамический
Рис. 4. Частотная зависимость вносимого затухания конденсаторов К10-81 Н20 50В, 0,1 мкФ; D = 4 мм, d = 1,3 мм
диапазон измерения в диапазоне частот от 0,3 до 1 МГц — 110 дБ, от 10 до 1300 МГц — 123 дБ, КСВН входов — не более 1,35.
Измеренные значения выдаются в табличном и графическом виде, максимально возможное количество точек измерения — 401. Пример фактической частотной зависимости вносимого затухания приведен на рис. 4. «Обзор-103» предусматривает определение и компенсацию в режиме калибровки вносимых контейнером погрешностей, что повышает точность измерений. Измерения вносимого затухания проводились при сопротивлении измерительной схемы, равном 50 Ом.
Полученные значения вносимого затухания на линейном участке АЧХ хорошо совпали с известной формулой:
А = 201^1+(0,5ю£С)2, (2)
где А — вносимое затухание, дБ; ю — круговая частота, с-1; R — сопротивление измерительной схемы, Ом; С — емкость конденсатора, Ф.
Эта формула основана на зависимости емкостного сопротивления от частоты и справедлива для линейного участка А(ю). На нелинейном участке зависимость А(ю) отличается от (2), причем как в сторону увеличения, так и уменьшения фактических значений А. На кривых А(ю) наблюдались резонансные «горбы» и «впадины», что можно объяснить различным сочетанием собственных резонансных частот отдельных слоев керамического диэлектрика и металлических электродов многослойного конденсатора.
Важной характеристикой помехоподавляющих конденсаторов являются значения частоты среза при которой вносимое затуха-
ние равняется трем децибелам. Измеренные значения £ хорошо совпали с соотношением:
£ = 1/яЯС. (3)
В таблице 4 приведены минимальные значения вносимого затухания в диапазоне частот
Таблица 4. Вносимое затухание конденсаторов К10-81 в диапазоне фиксированных частот 0,01—1000 МГц
Номинальная емкость Вносимое затухание, дБ, не менее на частоте, МГц
0,01 0,1 1 10 30 100 300 1000
68 пФ 2 5 10
100 пФ 3 10 20
150 пФ - - - - 2 8 15 21
220 пФ - - - - 3 10 17 22
330 пФ - - - - 3,5 11 20 24
470 пФ - - - - 4 12 22 27
680 пФ - - - 5 10 15 25 35
1000 пФ - - - 6 15 20 30 40
1500пФ - - - 7 16 22 32 40
2200пФ - - 2 9 17 25 33 40
3300пФ - - 3 12 20 30 35 40
4700 пФ - - 3 15 25 35 40 45
6800пФ - - 3 20 25 35 40 45
0,01 мкФ - - 4 23 30 40 45 55
0,015 мкФ - - 4 24 31 41 46 56
0,022 мкФ - - 4,5 25 32 42 48 58
0,033 мкФ - - 6 30 35 45 50 58
0,047 мкФ - - 8 33 40 45 50 60
0,068 мкФ - 10 35 40 45 50 60
0,1 мкФ 25 40 45 50 55 60
0,22 мкФ 10 28 43 48 52 58 65
0,33 мкФ 12 30 45 52 55 58 65
0,47 мкФ 14 33 50 53 58 65 70
0,68 мкФ 15 35 50 55 60 65 70
1 мкФ 25 45 53 58 62 65 70
1,5 мкФ 12 25 45 54 60 65 65 70
2,2 мкФ 15 26 45 55 60 65 67 70
3,3 мкФ 18 30 45 56 60 68 69 70
4,7 мкФ 20 33 50 60 65 70 70 70
6,8 мкФ 25 40 51 65 70 70 70 70
10 мкФ 30 45 55 67 70 70 70 70
0,1-1000 МГц с учетом минимально возможного значения фактической емкости. Значения А приведены для измерительной схемы с волновым сопротивлением 50 Ом. Значения затухания приведены с запасом, фактические значения А превышают эти цифры (рис. 4).
В реальной аппаратуре сопротивления систем, как правило, отличаются от 50 Ом. Для пересчета значений А (дБ) для системы с сопротивлениями, отличными от указанного значения, можно воспользоваться формулой:
А = 20^1+ ^ (2,+2!)], (4)
где — внутреннее сопротивление источника; Т1 — полное сопротивление нагрузки;
— передаточное сопротивление, определяемое по графику (рис. 5) [1] для значения затухания в 50-омной системе.
При разработке конденсаторов была исследована кратковременная и долговременная электрическая прочность, определены и реализованы пути ее увеличения. Из-за разницы до 10 раз внешнего диаметра конденсатора (4-12 мм) и диаметра внутреннего сквозного отверстия (1,3 мм) наибольшая напряженность электрического поля находится вблизи этого отверстия. В этом месте и происходили пробои диэлектрика при определении кратковременной электрической прочности. Для выравнивания электрического поля была предложена конструкция с применением так называемого «плавающего электрода» [8], что позволило повысить номинальное напряжение конденсаторов К10-81 до 1000 В.
При длительных испытаниях конденсаторов в режиме максимально допустимых значений окружающей температуры и электрической нагрузки не наблюдается существенного ухудшения электрических параметров. Результаты этих испытаний позволили оценить надежность конденсаторов К10-81, показатели которой приведены в таблице 5.
В качестве одного из основных параметров, определяющих предельно допустимые электрические режимы (по переменному напряжению и частоте) для керамических конденсаторов, в том числе и для ранее разработанных шайбовых конденсаторов К10-54, обычно принимается максимально допускаемое значение реактивной мощности:
Рр = и 2хюхС.
При этом величина допускаемой реактивной мощности определяется исходя из пре-
вышения температуры поверхности конденсатора над температурой окружающей среды не более чем на 10-15 °С. Указанный подход справедлив при условии, что температура нагрева одного и того же конденсатора при постоянном значении реактивной мощности Рр = const, но при различных значениях величин переменного напряжения U и частоты ю будет одинакова. Проведенные испытания показали, что это условие для шайбовых конденсаторов не соблюдается. Значения температуры нагрева этих конденсаторов при их нагрузке на постоянную реактивную мощность, но при различных значениях напряжения и частоты существенно различались. Установлено, что основную долю в нагрев таких конденсаторов вносит активная мощность, выделяемая в виде тепла в контактном узле «внутренние электроды - внутренняя контактная поверхность», так как в этом месте плотность тока имеет максимальное значение. Доля, вносимая потерями в диэлектрике, существенно меньше. Анализ полученных результатов позволил сделать следующие выводы:
• При нагрузке конденсаторов постоянной реактивной мощностью на различных частотах величина перегрева не остается постоянной, а увеличивается с повышением частоты.
• Перегреву конденсаторов на 10 °С на разных частотах соответствует примерно одинаковое значение реактивного емкостного тока.
• При прохождении через конденсатор переменного тока постоянной величины, но различной частоты величина перегрева практически не меняется.
• Задаваемые ранее в ТУ на шайбовые конденсаторы требования по допускаемой реактивной мощности не являются обоснованными и не могут быть рекомендованы для выбора электрических режимов при эксплуатации.
Зарубежные стандарты, каталоги, рекомендации по применению керамических конденсаторов содержат требования по ограничению нагрузки реактивной мощностью только для высоковольтных конденсаторов большой реактивной мощности. Для предотвращения перегрева конденсаторов К10-81 раз-
работаны рекомендации по ограничению электрических режимов при эксплуатации конденсаторов. Амплитуду и форму напряжения помех, которые будут проходить через конденсатор «на землю», нельзя точно определить и регламентировать. Однако величина помех вряд ли может вызвать перегрев конденсатора, и параметры помех не требуют каких-либо ограничений. Нагрев может вызвать емкостной ток переменного напряжения основной цепи, в которую включен конденсатор. Исходя из полученных результатов и имеющегося у нас опыта, с большим запасом было принято ограничение по емкостному току 300 мА. Косвенным подтверждением правильности выбора максимально такого значения емкостного тока является то, что такие же ограничения по току приняты для чип-фильтров конструкции монолитных многослойных конденсаторов фирмы Murata [9]. Площади проходных электродов и контактных узлов этих фильтров сопоставимы с аналогичными площадями конденсаторов К10-81. n
Литература
1. Воловик М. Отечественные керамические проходные конденсаторы и фильтры для подавления электромагнитных помех // Компоненты и технологии.2005. № 5.
2. EMI Filtering. Product Guide. Каталог фирмы Spectrum Control inc, USA.
3. Ceramic capacitors. Каталог фирмы Eurofarad, Франция.
4. Filters EMI-RFI. Каталог фирмы Tusonix.
5. Discoidal capacitors. Каталог фирмы Syfer, Англия.
6. ГОСТ 13661-92. Пассивные помехоподавляющие фильтры и элементы. Методы измерения вносимого затухания. Комитет стандартизации и метрологии СССР, Москва.
7. Красильщиков М., Смирнов В., Шалаева А. Керамические проходные ФНЧ с малыми потерями // Электроника: НТБ. 2009. № 7, 8.
8. Патент № 87562 (РФ). Дисковый проходной керамический конденсатор постоянной емкости / В. Ф. Смирнов, А. А. Шалаева, М. Я. Красильщиков. Приоритет от 19.06.09.
9. Custom designed filter connectors. Catalog No 61-04. Murata Erie North America, INC.
Таблица 5. Показатели надежности конденсаторов К10-81
Режимы эксплуатации Интенсивность отказов, 1/ч Нара- ботка, ч Срок службы
155 °С, 0,5 ином для МП0, Н20, Н50 85 °С, ином для МП0, Н20, Н50, Н90 5х10-6 25 000 25 лет
70 °С, 0,6 ином 2х10-6 100 000
60 °С, 0,6 ином 1х10-6 150 000
