Конденсатор – это компонент, который является одним из наиболее часто используемых инженерами-электронщиками. Несмотря на передовые технологии, ни одна цифровая схема не может обойтись без конденсаторов из-за скачков тока, возникающих при переключении миниатюрных КМОП-транзисторов, используемых в их конструкции. Достаточная емкость, включенная в цепь питания схемы, обеспечивает энергию для этих переключений, снижая при этом уровень шума и обеспечивая бесперебойную работу системы. Без конденсаторов преобразователи напряжения, стабилизаторы, усилители, генераторы и многие другие устройства, для корректной работы которых требуется дополнительная емкость, не будут работать или будут работать со значительным ухудшением своих параметров.
Я помню упоминание о том, что древнеегипетских жрецов уже подозревали в изобретении конденсатора, но мне кажется, что такое приписывание современных стандартов к находкам предметов, сделанных много тысяч лет назад, не всегда имеет смысл. В одной из пирамид или, возможно, гробниц при раскопках было найдено несколько предметов, сделанных из меди и глины. Это был своего рода глиняный горшок, который снаружи был облицован медью, у него также была «пробка», а в этой пробке находилось что-то вроде медного электрода. Предположительно, этот «горшок» мог работать как Лейденский цилиндр, но это лишь предположение археологов.
Изобретение конденсатора приписывают немецкому ученому Эвальду Георгу фон Клейсту, который изготовил его в 1745 году. Интересно, что ученый жил в Камене Поморском, который в настоящее время является городом на территории Польши. Этот конденсатор получил название «цилиндр Клейста». Впоследствии упоминание об этом изобретении и, возможно, его более подробное описание попали в Лейденский университет, в руки профессора Питера ван Мушенбрука. Он разработал собственную версию изобретения, которая и сегодня присутствует во многих школьных лабораториях по физике под названием «Лейденский цилиндр». Именно этот цилиндр, а не прототип Клейстана, считается первым конденсатором для получения электрической энергии. Хотя, если честно, это зависит от того, кого вы спросите.
Первые конденсаторы использовались в основном для экспериментов с пока еще непонятной электрической энергией, а также для создания спецэффектов в различных шоу. Серьезное внимание к ним было привлечено только Бенджамином Франклином, который заметил, что плоские поверхности, разделенные стеклянным диэлектриком, так же хорошо накапливают электрическую энергию, как и Лейденский цилиндр. Основываясь на собственном опыте, он изготовил плоский конденсатор, который стал известен как «квадрат Франклина». Однако пионером практического применения конденсаторов стал не кто иной, как Майкл Фарадей, который пытался использовать конденсатор для «хранения» электронов, генерируемых в ходе экспериментов. Многочисленные попытки привели к созданию конденсатора, сделанного из большой нефтяной бочки. В знак признания вклада этого ученого в область электричества единица емкости была названа в честь Фарадея.
Формула для электрической емкости плоского конденсатора хорошо известна нам с начальной школы (по крайней мере, раньше ее преподавали в начальных классах), и нет смысла приводить ее читателям. Просто напомним, что в знаменателе у нас произведение относительной электропроницаемости и площади обкладок, а в числителе – расстояние между обкладками. Поэтому нетрудно догадаться, что чем больше диэлектрическая проницаемость и меньше расстояние между обкладками, тем больше будет емкость конденсатора. Хотя формула для емкости многовиткового цилиндрического конденсатора отличается, его емкость будет зависеть от тех же факторов. Поэтому технологическая гонка за улучшение характеристик конденсаторов в основном касается материалов, используемых для обкладок, их выводов и диэлектрического слоя.
В девяностые годы, а поскольку, отмеряя 25 лет, мы должны поместить начало эволюции конденсаторов куда-то туда, в нашем распоряжении были в основном твердотельные и электролитические конденсаторы отечественного производства, хотя время от времени появлялись и импортные. Именно тогда мы начали использовать SMD-конденсаторы, сначала в профессиональной аппаратуре и в основном для фильтрации источников питания из-за отсутствия проволочных выводов, которые для тока достаточно высокой частоты представляют собой индуктивность и портят параметры схемы. Однако, как правило, использовались конденсаторы для сквозного монтажа, названия которых зависели от типа используемого диэлектрика. К ним относятся слюдяные, пленочные, керамические и электролитические конденсаторы. Танталовые конденсаторы, хотя и были доступны, использовались относительно редко из-за их высокой цены по сравнению с электролитическими. В те годы к их недостаткам также относилось низкое – по сравнению с электролитическими конденсаторами – напряжение пробоя. Несмотря на это, мы использовали «танталы» для фильтрации питания цифровых интегральных схем.
Обычно мы отмечаем впечатляющее развитие полупроводниковых компонентов. Возможности полупроводниковых схем растут головокружительными темпами, но нельзя не отметить, что производители пассивных компонентов также совершенствуют свою продукцию и, например, современные конденсаторы имеют, во-первых, гораздо лучшие электрические характеристики и, во-вторых, гораздо меньшие размеры.
Многослойные конденсаторы MLCC
Аббревиатура MLCC, присутствующая рядом с названием конденсатора, означает Multilayer Ceramic Capacitor (многослойный керамический конденсатор). Он состоит из нескольких отдельных конденсаторов, уложенных друг на друга и соединенных параллельно. Сырьем для таких конденсаторов обычно служат суспензии очень тонко измельченного диоксида титана (TiO2) или титаната бария (BaTiO3) с добавлением Zr, Nb, Co или Sr. Цель состоит в том, чтобы получить частицы с характерным размером менее 10 нм. Эти суспензии смешиваются со специальным связующим веществом и перерабатываются в керамические пленки, толщина которых обычно составляет всего несколько тысячных долей миллиметра.
Современный MLCC-конденсатор может иметь толщину диэлектрического слоя до 1/1000 мм, а количество слоев может превышать тысячу.
Толщина отдельных слоев конденсатора зависит от мелкозернистости и характеристик распределения керамических частиц. В настоящее время наблюдается тенденция к уменьшению размеров, что обуславливает необходимость поиска новых материалов и технологий измельчения. Емкость современных (твердотельных!) MLCC-конденсаторов достигает 100 мкФ! Однако следует учитывать, что чем выше емкость, тем тоньше диэлектрический слой, а значит – тем ниже напряжение пробоя.
Конденсаторы MLCC могут использоваться при температурах порядка 150°C, а в специальных исполнениях – до 200°C. Высокотемпературная стойкость достигается при использовании подходящих диэлектриков: X8R, X8L и X9U (200°C). Их использование гарантирует хороший температурный коэффициент. Изменения емкости в максимальном диапазоне температур составляют: X8R ±15%, X8L +15…-40%, X9U +15…-56%. Очевидно, что лучшие характеристики достигаются при более низких температурах, например, около -7,5% при 125°C. Также растет число компонентов, оптимизированных для выполнения функций, которые они должны выполнять в конкретном приложении. Например, они могут требовать чрезвычайно низкой паразитной индуктивности и строго определенных характеристик постоянного и переменного тока.
За последние 30 лет в области MLCC-конденсаторов были достигнуты значительные успехи. По сравнению с 1980-ми годами, когда они были запущены в массовое производство, конденсаторы были миниатюризированы в 100 раз! Например, конденсатор емкостью 100 нФ, обычно используемый для фильтрации источников питания в 1980-х годах, был помещен в корпус 3216, а сегодня его можно легко купить в корпусе 0603!
Прогресс в этой области не стоит на месте – производители постоянно работают над новыми материалами, что в конечном итоге может привести к тому, что конденсатор MLCC заменит конденсаторы других типов. В качестве примера можно привести популярную интерфейсную микросхему MAX232. Для ее базового применения требуется 5 электролитических конденсаторов емкостью 1 мкФ на напряжение пробоя 16 В. Если бы по какой-то причине мы не хотели использовать электролитические конденсаторы, то в прошлом нам пришлось бы использовать MAX202, для которой требовались фиксированные конденсаторы емкостью 100 нФ. Сегодня вместо «электролитов» мы можем легко припаять MLCC-конденсаторы, преимущество которых в том, что при сборке не нужно думать об их правильной полярности.
Танталовые конденсаторы
Двадцать пять лет назад, если мы вообще использовали танталовые конденсаторы, они были в основном небольшой емкости (порядка одного мкФ) и предназначались для сквозного монтажа. Они имели характерный каплевидный корпус, обычно красного цвета.
Танталовые электролитические конденсаторы имеют твердофазный электролит. В настоящее время, в основном благодаря технологии SMT-монтажа и значительному снижению цены, они приобрели огромную популярность и используются гораздо чаще и охотнее, чем 25 лет назад. В основном они используются в цепях питания и отличаются стабильностью параметров, долговечностью и малыми габаритами, хотя, на мой взгляд, во многих приложениях их могут вытеснить упомянутые выше, гораздо более дешевые MLCC-конденсаторы.
В современных танталовых конденсаторах используются полимерные катоды, что снижает последовательное сопротивление (ESR), эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) и позволяет добиться дальнейшей миниатюризации. Благодаря использованию высококачественных танталовых порошков эти конденсаторы значительно превосходят конденсаторы, изготовленные по другим технологиям, особенно типичные электролитические конденсаторы.
В традиционных танталовых конденсаторах в качестве катода используется спеченный диоксид марганца (MnO2). Этот недорогой полупроводниковый материал обладает самокорректирующимися свойствами, обеспечивающими надежность, но при высоких температурах из-за большого содержания кислорода он может воспламеняться, поэтому с середины 1990-х годов ведутся работы по замене MnO2 проводящими полимерами. Их гораздо более высокая проводимость приводит к снижению ESR, что в сочетании с устранением риска воспламенения способствует росту инвестиций в эту технологию.
Полимерные танталовые конденсаторы отличаются от обычных только со стороны катода. Полимерный слой не содержит кислорода, поэтому риск воспламенения при перегрузке практически исключен. В результате полимерные танталовые конденсаторы обеспечивают большую надежность. Эта технология также позволяет увеличить номинальное напряжение (до 125 В!), что означает, что полимерные танталовые конденсаторы могут легко справиться с приложениями, работающими при напряжении до 100 В. Благодаря высокой емкости при очень малых размерах, компоненты с очень высокой емкостью (до 1500 мкФ) могут быть изготовлены в типовых стандартизированных корпусах, что в настоящее время возможно только для керамических конденсаторов. Кроме того, использование полимеров устраняет пьезоэлектрический эффект и восприимчивость к поломкам.
Производители предлагают различные типы танталовых конденсаторов, оптимизированные для конкретного применения. Различные производственные серии специализированы по различным направлениям, например, для снижения ESR, миниатюризации размеров корпуса, достижения повышенной надежности (военные, автомобильные или медицинские серии), снижения тока утечки в приложениях с батарейным питанием или достижения устойчивости к повышенным температурам. Конденсаторы с пониженным ESR обеспечивают более высокую эффективность в импульсных устройствах и лучшую фильтрацию помех по питанию.
Материал катода и процесс его формирования оказывают существенное влияние на величину ESR. Как уже упоминалось, значительное снижение параметра ESR было достигнуто заменой MnO2 на проводящий полимер. Для дальнейшего улучшения этого параметра медь была заменена на железо-никелевый сплав (сплав 42), используемый для изготовления металлического свинцового каркаса. Проводимость меди примерно в 100 раз выше, чем у сплава 42, поэтому, например, ESR танталово-полимерного конденсатора Vishay емкостью 100 мкФ и напряжением 6,3 В в корпусе ‘A’ (EIA 3216) с обычным каркасом составляет 70 мОм при 25 °C и 100 кГц, а с медным каркасом при тех же параметрах окружающей среды – около 40 мОм.
Преимущество полимерных танталовых конденсаторов определяется также сроком их службы – он практически неограничен. В отличие от алюминиевых электролитических конденсаторов, они состоят исключительно из твердых частиц, поэтому сохраняют свои свойства на протяжении всего срока службы. В полимерных танталовых конденсаторах практически нет ограничений по сроку службы из-за используемой технологии, а на срок службы самих конденсаторов влияют температура окружающей среды, сопротивление последовательного соединения и потери мощности, возникающие в конденсаторе. Благодаря своим параметрам некоторые полимерные танталовые конденсаторы имеют допуск AEC-Q200.
При использовании типичных электролитических или танталовых конденсаторов обычно несколько из них подключаются параллельно для снижения ESR. Полимерные танталовые конденсаторы дают возможность достичь желаемого значения с помощью всего одного компонента. Таким образом, в зависимости от требуемых параметров применения, можно изготовить устройство с меньшими размерами и уменьшить количество компонентов.
Пленочные конденсаторы
Технология производства пленочных конденсаторов также изменилась с разработкой новых материалов. Размеры конденсаторов уменьшились, характеристики значительно улучшились. Только область применения осталась прежней.
Металлизированные пленочные конденсаторы обычно используются для защиты от наведенных помех и для фильтрации напряжения питания полупроводниковых компонентов, питающихся постоянным током. Как правило, конденсаторы ‘X2’ для сети используются для фильтрации оборудования, питающегося непосредственно от сети. Они обладают рядом преимуществ, в том числе низким тангенсом угла диэлектрических потерь Df, на который мало влияют температура и частота.
Все более мелкие размеры пленочных конденсаторов приводят к их более быстрому старению, что проявляется в уменьшении емкости. Основная причина – дуга (искровой эффект – внутренняя ионизация, вызывающая испарение металлического покрытия). Дополнительными факторами, снижающими надежность, являются повышенная температура и влажность.
Хотя единственным эффектом является снижение эффективности фильтрации в типичных схемах ‘X2’ (конденсатор включен параллельно сетевым клеммам), если конденсатор используется во все более популярном последовательном фильтре, то при обрыве цепи питания все устройство будет повреждено.
Производители конденсаторов хорошо осведомлены о вышеупомянутом риске и предлагают пленочные конденсаторы, в которых отсутствует искровой эффект. Они имеют специальную конструкцию, предотвращающую возникновение дуги, и изготавливаются из материалов с повышенной прочностью. Кроме того, такие конденсаторы могут включать встроенные последовательные RC-цепи для предотвращения ионизации и достижения повышенной надежности.
Электролитические конденсаторы
До недавнего времени электролитические конденсаторы были единственными конденсаторами с достаточной емкостью для использования в системах электропитания. Следует помнить, что четверть века назад были чрезвычайно популярны источники питания, построенные, в частности, на базе сетевых трансформаторов, которые сегодня встречаются довольно редко – их вытеснили импульсные преобразователи. Основными компонентами трансформаторного блока питания являются выпрямительный мост и фильтрующий конденсатор большой емкости, которая зависит от потребляемого тока.
Обычно в таких источниках питания использовались конденсаторы емкостью от 1000 до 10000 мкФ. Сегодня найти такую большую емкость в источнике питания – большая редкость. Помнится, раньше выход из строя электролитических конденсаторов был частой причиной отказа оборудования, а сегодня… Ну, это почти не случается. Да, есть устройства, в которых так называемая электролитика работает в экстремальных условиях, на пределе допустимого, и там случаются ее повреждения, но редко «электролитика» становится причиной выхода из строя оборудования массового применения.
DC/DC-преобразователи и растущая миниатюризация электронных устройств предъявляют новые требования к технологии электролитических конденсаторов. Первое из них – это возможно низкий ESR, а второе – повышенная рабочая температура. Современные электролитические конденсаторы не только имеют меньшие размеры, но и могут работать при температурах порядка 100°C. Существуют также серии, выдерживающие до 150°C. Поэтому стоит использовать новые типы электролитических конденсаторов, которые не теряют своих рабочих параметров в течение длительного времени и выдерживают повышенные температуры. Они не только имеют более длительный срок службы (до 20 000 часов при 105°C), но и дешевле при покупке. Одна из них представляет собой металлический электрод – обычно алюминиевый – а другая – электролит. При подаче напряжения образуется диэлектрический слой – в алюминиевом конденсаторе это оксид алюминия. Как мы хорошо знаем из уроков физики, при электролизе на аноде выделяются другие вещества, чем на катоде. Поэтому для электролитического конденсатора важна полярность напряжения на обкладках.
И наконец, не стоит упускать из виду нового представителя семейства электролитических конденсаторов (хотя он также доступен в технологии MLCC) – суперконденсатор. В начале 1950-х годов инженеры General Electric начали эксперименты по использованию электродов из пористого активированного угля для топливных элементов и электрических батарей. Активированный уголь – это проводник электричества, который характеризуется пористой, «губчатой» структурой с высокоразвитой удельной поверхностью. В 1957 году H. Беккер разработал «низковольтные электролитические конденсаторы с пористо-углеродными электродами». Он предположил, что энергия в них накапливается в виде вклада в поры углерода, подобно тому, как это происходит в вытравленной пленке электролитических конденсаторов. Механизм работы двойного слоя в то время был неизвестен, поэтому Беккер сказал:«Не совсем понятно, что именно происходит в компонентах, используемых для хранения энергии, но это приводит к чрезвычайно высокой емкости».
В 1966 году исследователи из Standard Oil of Ohio (SOHIO) разработали еще одну версию компонента под названием «устройство для хранения электрической энергии», работая над экспериментальной конструкцией топливного элемента. Природа электрохимического накопителя энергии не была описана в патенте.
Ранние электрохимические конденсаторы состояли из двух алюминиевых фольг, покрытых активированным углем, электродов, насыщенных электролитом и разделенных тонким слоем пористого изолятора. Такая модель обеспечивала конденсатору емкость в 1 фарад, что значительно выше, чем у электролитических конденсаторов тех же размеров. Эта базовая конструкция лежит в основе большинства электролитических конденсаторов.
Суперконденсаторы используются вместо батарей для поддержания питания памяти, работы часов RTC и т. д. Они характеризуются очень высокой емкостью – более 0,2 Ф и до нескольких сотен фарад – и относительно низким напряжением пробоя – обычно около 2,5 В. Они широко используются благодаря очень длительному сроку службы. Их электроды не разрушаются даже после многих тысяч циклов, как в случае с перезаряжаемыми батареями. Кроме того, батарея, независимо от типа, имеет ограниченный срок службы, поскольку накопление энергии в ней сопровождается химическими изменениями в электродах, что приводит к их деградации. С технологией суперконденсаторов связывают большие надежды. Иногда утверждается, что в будущем эти конденсаторы смогут полностью заменить батареи.
