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 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

Что касается керамических конденсаторов номиналом 100 мкФ в корпусе SMD, то они на Алиэкспресс из продажи пропали (будем надеяться, что временно), но их можно найти в российских радиомагазинах. Там же можно найти и древнесоветские КМ-6.

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 насыщения, 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 по габаритам 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 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

Что касается керамических конденсаторов номиналом 100 мкФ в корпусе SMD, то они на Алиэкспресс из продажи пропали (будем надеяться, что временно), но их можно найти в российских радиомагазинах. Там же можно найти и конденсаторы КМ-6.

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!