Пример установки помехоподавляющих конденсаторов X2 и Y2 в условиях дефицита места на печатной плате

Пленочные помехоподавляющие конденсаторы

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассматриваются полипропиленовые помехоподавляющие конденсаторы. Описываются основные проблемы их применения, приводятся требования стандартов, и указываются возможные варианты выбора.

Введение

Миниатюризация электронных компонентов и соответствующее уменьшение размеров конечных изделий – устойчивая тенденция развития современной электроники. У потребителей такая тенденция, скорее всего, вызывает только положительные эмоции, а у разработчиков – «головную боль». Особенно заметно это проявляется в сфере силовой электроники, причем сложности возникают не только у разработчиков активных компонентов, но и у их коллег, создающих пассивные компоненты.

В силовой электронике уменьшению размеров сопутствует повышение рабочей частоты преобразователей, что приводит к увеличению излучаемых электромагнитных помех. Кроме того, уменьшение размеров компонентов ведет к увеличению плотности мощности, что может потребовать принципиального изменения конструкции и усовершенствования используемых материалов.

Таким образом, можно выделить две основные проблемы, сопутствующие миниатюризации. Первая из них заключается в увеличении электромагнитных помех. Вторая, возникающая из-за повышения плотности мощности, состоит в избыточном нагреве – увеличивается рассеиваемая мощность, но сокращается поверхность охлаждения из-за уменьшения размеров компонента.

Усугубляет проблему отвода тепла уменьшение размеров конечного устройства. На рис. 1 показан пример размещения помехоподавляющих конденсаторов X2 и Y2. Как видно из рис., плотность размещения компонентов очень высока, и конструкторам наверняка пришлось немало потрудиться, чтобы решить проблему отвода тепла. В конечном счете, обе эти проблемы могут не лучшим образом сказаться на надежности.

Пример установки помехоподавляющих конденсаторов X2 и Y2 в условиях дефицита места на печатной плате

Рис. 1. Пример установки помехоподавляющих конденсаторов X2 и Y2 в условиях дефицита места на печатной плате

 

Конденсаторы для подавления электромагнитных помех

Металлизированные полипропиленовые пленочные конденсаторы являются едва ли не единственным средством для подавления электромагнитных помех, когда речь заходит о сильноточных устройствах. В последнее время производители добились значимых успехов в совершенствовании металлизированной пропиленовой пленки за счет использования новых материалов и улучшении технологических процессов.

Конденсаторы на основе такой пленки исправно функционируют в жестких условиях. Они выдерживают наибольшую напряженность поля, или, другими словами, наибольшее напряжение на 1 мкм диэлектрического слоя. Их очень важным преимуществом является способность к самовосстановлению после локального пробоя.

Однако заметим, что сочетание высокой температуры и высокой влажности оказывает серьезное влияние на пленку, когда к конденсатору прикладывается напряжение близкое к нормированному производителем. В этом случае происходит электрохимическая коррозия цинковой металлизации, которая приводит к ускоренному ухудшению параметров конденсатора и может вызвать его полный отказ.

Для подтверждения надежности используется стрессовое тестирование конденсаторов, суть которого заключается в проверке их работоспособности в условиях повышенной влажности и температуры (Temperature-Humidity-Bias, THB). Тест проводится при температуре 85 °C и относительной влажности 85%; при этом, в зависимости от типа конденсаторов к ним прикладывается переменное или постоянное напряжение.

Считается, что подобные испытания могут подтвердить надежность конденсаторов со сроком эксплуатации 25 лет. Испытания THB признаны стандартом МЭК для тестирования пленочных помехоподавляющих конденсаторов. В таблице приведены условия испытания для уровней «А» и «В» при различных градациях в соответствии со стандартом IEC 60384–14–1 для конденсаторов постоянной емкости.

Таблица. Условия испытания конденсаторов постоянной емкости для уровней «А» и «В» согласно IEC 60384-14-1

Группа

Уровень испытаний «А»

Уровень испытаний «В»

Температура, °С

Относительная влажность, %

Длительность испытаний, дней

Температура, °С

Относительная влажность, %

Длительность испытаний, ч

I

40

93

21

85

85

168

II

40

93

56

85

85

500

III

60

93

56

85

85

1000

С этим стандартом гармонизирован российский стандарт ГОСТ IEC 60384–14–2015 «Конденсаторы постоянной емкости для электронной аппаратуры. Часть 14. Групповые технические условия: конденсаторы постоянной емкости для подавления радиопомех и подключения к питающей магистрали». Пример циклограммы испытаний приведен на рис. 2 [1]. Добавим, что результаты испытаний признаются удовлетворительными при следующих условиях:

  • изменение емкости конденсатора не превышает 10%;
  • тангенс угла потерь для конденсаторов емкостью менее 1 мкФ не превышает 0,024;
  • тангенс угла потерь для конденсаторов емкостью более 1 мкФ не превышает 0,015;
  • сопротивление изоляции составляет более 50% от начального уровня.
Циклограмма испытаний в соответствии со стандартом IEC 60384-14-1 (ГОСТ IEC 60384-14 – 2015)

Рис. 2. Циклограмма испытаний в соответствии со стандартом IEC 60384-14-1 (ГОСТ IEC 60384-14 – 2015)

Заметим, что у конденсаторов меньшей емкости допускается больший тангенс угла потерь после испытаний, что обусловлено особенностями конструкции. Чем меньше емкость, тем меньше объем полипропиленовой пленки и металлизации, из-за чего конденсаторы более восприимчивы к воздействиям температуры и влажности.

По задумке автора, упомянутые сложности должны отвратить читателей от мысли выбирать помехоподавляющие конденсаторы только по экономическим соображениям, особенно если речь идет о проекте, результатом которого должно стать изделие с продолжительным сроком службы или работающее в жестких условиях.

Не сочтите за рекламу, но по нашему опыту, одним из наилучших вариантов является выбор помехоподавляющих пленочных конденсаторов компании KEMET. Ее инженеры провели немало испытаний, проверили не одно решение и технологический процесс и добились неплохих успехов.

Их последняя по счету серия пленочных помехоподавляющих конденсаторов семейства R52 предназначена для жестких условий эксплуатации. Они прошли ускоренные испытания на ресурс по классу IIB стандарта 60384–14, отработав 500 ч при 85 °C и относительной влажности 85% при нормируемом напряжении. На рис. 3 показан график изменения емкости испытываемых конденсаторов при проведении тестов. При прочих равных условиях конденсаторы компании KEMET выигрывают по габаритам у конкурентов.

График изменения емкости конденсаторов во время испытаний

Рис. 3. График изменения емкости конденсаторов во время испытаний

На рис. 4 приведена зависимость нормируемого тока конденсаторов от частоты. Допустимые токи и частотные свойства конденсаторов позволяют использовать их в качестве помехоподавляющих компонентов в довольно широком ряде приложений, например в частотно регулируемом электроприводе, мощных зарядных устройствах и т. д. Нормируемое рабочее напряжение 310 В допускает их применение и в качестве X2-, и в качестве Y2‑конденсаторов в линиях питания.

Зависимость нормируемого тока конденсаторов от частоты

Рис. 4. Зависимость нормируемого тока конденсаторов от частоты

Если по каким-то соображениям вы желаете использовать конденсаторы компании KEMET, возможно, для проектируемой системы подойдут пленочные помехоподавляющие конденсаторы TDK Electronics. Емкость этих конденсаторов находится в пределах 0,1–15 мкФ, нормируемое напряжение составляет 305 В АС или 630 В DC. Компания TDK Electronics широко представлена на российском рынке, и приобрести ее продукцию нетрудно.

Литература
  1. Addressing Design Challenges in EMI-Suppression Capacitors//passive-components.eu.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *