Статья-обзор

Исследуем зависимость ёмкости керамических конденсаторов от приложенного напряжения: не все керамические конденсаторы одинаково полезны

И как применить с пользой отрицательный результат

Предисловие

Казалось бы, всем хороши керамические конденсаторы: малые габариты, отсутствие полярности, отличная работа на высоких частотах.

А в последние годы ещё и плотность ёмкости керамических конденсаторов повысилась настолько, что достигла и даже превысила плотность ёмкости электролитических конденсаторов!

А ещё они и стоят крайне дёшево!

И вот тут возникает соблазн устанавливать керамические конденсаторы везде, где попало: и вместо электролитических конденсаторов, и вместо плёночных.

Далее в статье разберём, почему не всегда можно это делать.

Статья относится к керамическим конденсаторам высокой ёмкости (примерно от 0.1 мкФ), основанным на диэлектриках типа X7R, X5R и Y5V. Эти материалы имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость, но, прямо скажем, плохую стабильность параметров.

Керамические конденсаторы небольшой ёмкости основаны на других диэлектриках, у которых описанных далее в статье проблем не наблюдается.

На следующей фотографии представлены участники теста:

Слева на фото - древнесоветские конденсаторы КМ-6 ёмкостью 2.2 мкФ (более ёмких керамических конденсаторов в СССР не выпускалось); справа вверху - выводные конденсаторы 10 мкФ * 50 В (производство Китай, больше о них ничего не известно), справа внизу - SMD конденсаторы 100 мкФ * 25 В (заявлен диэлектрик X7R, типоразмер 1210, производство Китай).

   Оглавление:

   1. Методика тестирования

   2. Тестирование ёмкости керамических конденсаторов при подаче на них постоянного напряжения

   3. Окончательный диагноз керамических конденсаторов высокой ёмкости
 

Купить тестируемые керамические конденсаторы номиналом 100 мкФ в корпусе SMD можно на Алиэкспресс, например, здесь, а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора - около $5 за 50 шт. с учётом доставки.

Купить тестируемые керамические выводные конденсаторы номиналом 10 мкФ можно на Алиэкспресс, например, здесь, а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора - около $3 за 100 шт. (!) с учётом доставки.  Цена может меняться в любую сторону, проверяйте!

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

Конденсаторы КМ-6, может быть, ещё можно купить в некоторых российских радиомагазинах.

Методика тестирования

Тестирование проводилось с помощью универсального тестера радиодеталей LCR-TC1 (обзор). Сложность измерений состоит в том, что на тестируемый конденсатор надо подавать постоянное напряжение так, чтобы оно не попало на измерительный прибор. Иначе - либо прибор сгорит, либо результаты измерений окажутся недостоверными.

В итоге была использована такая схема измерений:

Особенность схемы - измерение ёмкости двух последовательно соединённых конденсаторов. То есть, фактически проводилось усреднение ёмкости по двум экземплярам; при этом для получения реальной ёмкости полученный результат надо умножить на 2 (в дальнейшем все результаты будут приведены уже обработанными таким образом).

К клеммам слева подключался лабораторный блок питания (0-32 В), к клеммам справа - измерительный прибор.

Номинал всех резисторов - 180 кОм.

Так выглядела схема измерения в собранном виде (для конденсаторов 100 мкФ) до подключения лабораторного блока питания:

Измерение ёмкости проводилось после изменения напряжения на конденсаторах через время, не меньшее 5-ти постоянных времени RC-цепи.

Теперь переходим к тестам.

Тестирование ёмкости керамических конденсаторов при подаче на них постоянного напряжения

1. Измерение зависимости ёмкости от напряжения для керамических конденсаторов 100 мкФ * 25 В

Результаты приведены в таблице:

Как можно видеть из таблицы, зависимость ёмкости конденсатора от приложенного напряжения оказалась очень высокой: при повышении напряжения до номинального (25 В) ёмкость снизилась более, чем в 10 раз!

Тот же самый результат (зависимости ёмкости от напряжения на конденсаторе) в виде графика:

В качестве возможной причины можно предположить уход диэлектрика в состояние насышения, когда он практически перестаёт реагировать на внешние воздействия. Прямой аналог этого явления - насыщение магнитного материала в сердечниках при переходе силы магнитного поля через некоторый порог (для каждого магнитного материала разный). Но для магнитных материалов этот порог значительно больше выражен.

В некоторых статьях (например) связывают падение диэлектрической проницаемости в керамических конденсаторах с переориентацией доменов диэлектрика по направлению приложенного электрического поля.

Поскольку ёмкость конденсатора под напряжением меняется под его воздействием, то, фактически, для переменного напряжения такой конденсатор становится нелинейным элементом и может искажать форму протекающего через него тока. Это подтверждается и экспериментально.

На следующей осциллограмме показана жёлтым цветом - осциллограмма входного напряжения на RC-цепи, составленной из тестируемого керамического конденсатора и резистора 100 КОм, а синим цветом - осциллограмма напряжения на резисторе этой RC-цепочки:

В данном случае параметры сигнала были выбраны так, чтобы искажения были хорошо видны "невооруженным глазом". Но, если говорить о звуковой аппаратуре, то даже незаметные на осциллограмме искажения могут влиять на восприятие музыки не лучшим образом.

Вероятно, именно по этой причине в сигнальных цепях аудиоаппаратуры обычно устанавливают относительно громоздкие плёночные и электролитические конденсаторы, а не маленькую изящную керамику.
 

2. Измерение зависимости ёмкости от напряжения для керамических конденсаторов 10 мкФ * 50 В

Результаты приведены в таблице:

То же самое в виде графика:

График получился очень похожим на предыдущий.

Но к этому добавим некоторые рассуждения и дополнительные тесты.

Важно отметить, что измерение ёмкости показывает величину "дифференциальной" ёмкости, а не её "классическую" величину, определяемую как отношение полного заряда к напряжению (C=Q/U).

Что касается полного заряда конденсатора, то он складывается как из заряда, полученного в начале процесса накопления при большой ёмкости, так и из последующих добавок при снизившейся ёмкости.

При разряде заряженного конденсатора, соответственно, идёт обратный процесс: сначала идёт быстрый разряд при малой ёмкости; затем скорость падения напряжения замедляется по мере того, как конденсатор попадает в зону "большой" ёмкости.

Иными словами, эквивалентная ёмкость, определяемая по накопленному заряду, будет выше дифференциальной, но ниже номинальной.

Эту особенность можно увидеть визуально на осциллографе. На первой осциллограмме - график разряда тестируемого конденсатора 10 мкФ на сопротивление 1 МОм (входное сопротивление осциллографа), а на второй осциллограмме - график разряда плёночного конденсатора 1 мкФ (реально 0.86 мкф):

Ёмкость в стартовой точке у этих конденсаторов почти одинаковая; и поэтому в начале разряда напряжение падает с одинаковой скоростью.

Но затем на верхней осциллограмме возникает длинный пологий "хвост": это работает накопленный заряд в керамическом конденсаторе.

А у плёночного конденсатора такого накопления нет, и график продолжает быстро падать по экспоненте к нулю.

И, наконец, можно попытаться примерно рассчитать эквивалентную ёмкость керамического конденсатора 10 мкФ, заряженного до 30 В.

Для этого он был разряжен на плёночный конденсатор 22 мкФ; а затем было измерено напряжение на параллельно соединённых конденсаторах 22 мкФ и 10 мкФ (керамическом и плёночном). Оно составило 2.4 В; ёмкость керамического конденсатора при таком напряжении составляет около 9 мкФ.

Таким образом, заряд составил 2.4 В * (22+9) мкФ = 74.4 Кл, что для напряжения 30 В эквивалентно ёмкости 2.48 мкФ.

Таким образом, подтвердилось предположение, что эквивалентная ёмкость окажется выше дифференциальной, но ниже номинальной. И от той, и от другой эквивалентная ёмкость отличается в разы.

И, наконец, "на сладкое" у нас остался тест древнесоветских конденсаторов КМ-6 на 2.2 мкФ.
 

3. Измерение зависимости ёмкости от напряжения для керамических конденсаторов КМ-6 2.2 мкФ

Результаты приведены в таблице (в связи с медленными изменениями ёмкости измерения проводились с шагом 5 В):

И график к этой таблице; он будет сильно отличаться от предыдущих:

Самое удивительное на графике - горб на уровне напряжений 5-15 В; объяснить его с точки зрения теории крайне сложно.

И только после напряжения 15 В ёмкость начинает падать, как и у предыдущих конденсаторов; но падение это - небольшое. По существу, ёмкость конденсатора КМ-6 не вышла за пределы производственного допуска, который для них составляет +80%...-20%.

Надо прямо сказать, что такая стабильность ёмкости не является следствием каких-то магических свойств советских диэлектриков, а объясняется элементарными физическими причинами.

Дело в том, что конденсаторы КМ-6 - самые большие из испытуемых (см. первое фото в статье). Соответственно, напряженность электрического поля в единице объёма у них получается намного ниже, чем в других тестируемых конденсаторах, и они оказываются дальше от границы условного "насыщения" диэлектрика.

На этом можно перейти к окончательному диагнозу.

Окончательный диагноз керамических конденсаторов высокой ёмкости

Возможно, отдельные читатели воспримут эту статью как приговор керамическим конденсаторам. Мол, никуда они не годятся - ни в щи, ни в Красную Армию.

Но на самом деле их применять можно и нужно; но строго с учётом их свойств. И тогда они будут весьма и весьма полезны.

При работе в небольшом диапазоне напряжений (до 3 - 5 В) никаких проблем с их применением нет. Разве что не следует их устанавливать в сигнальных цепях аудиотехники высокого класса: это сразу переведёт такую технику в технику среднего или "бюджетного" класса.

При более высоких напряжениях уже надо учитывать падение ёмкости. Например, если в схеме под напряжением 10 В надо установить конденсатор 22 мкФ, то смело ставьте там конденсатор с номиналом 100 мкФ: при таком напряжении он как раз превратится примерно в 22 мкФ.

И, соответственно, при установке таких керамических конденсаторов в цепях помехоподавления или сглаживания тоже надо учитывать снижение ёмкости и помехоподавляющих свойств.

Рецепт борьбы с этими проблемами - древний, как мир: ставим параллельно несколько керамических конденсаторов, либо устанавливаем параллельно один керамический и один электролитический конденсатор. Устанавливать один только электролитический конденсатор не рекомендуется: они хуже себя ведут на высоких частотах и при импульсной работе.

Купить протестированные керамические конденсаторы номиналом 100 мкФ в корпусе SMD можно на Алиэкспресс, например, здесь, а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора - около $5 за 50 шт. с учётом доставки.

Купить протестированные керамические выводные конденсаторы номиналом 10 мкФ можно на Алиэкспресс, например, здесь, а также и у многих других продавцов. Цена на дату обзора - около $3 за 100 шт. (!) с учётом доставки.  Цена может меняться в любую сторону, проверяйте!

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
 

При тестировании конденсаторов применялось следующее оборудование:

- универсальный тестер радиодеталей LCR-TC1 (обзор);

- лабораторный блок питания Longwei LW-K3010D (30 В 10 А) (обзор).

Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.

  Ваш Доктор.
 18 марта 2023 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте:

При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!