Электролитические конденсаторы Su’scon, Capxon и Aishi для надежных обратноходовых (Flyback) преобразователей напряжения

вчера

светотехникапотребительская электроникауниверсальное применениеSu’sconCapxonAishiстатьяпассивные ЭК и электромеханикаflybackконденсаторыполимерные конденсаторыэлектролитические конденсаторыгибридные конденсаторы

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

Обратноходовые преобразователи, применяемые в различных областях электроники – от бытовой техники до медицинского оборудования – требуют тщательного внимания к подбору каждого компонента, в том числе входных и выходных конденсаторов. Оптимальным решением будет использовать алюминиевые электролитические конденсаторы, включая полимерные и гибридные, которые выпускают компании Su’scon, Capxon и Aish. Их продукция отличается качеством и высоко ценится мировыми производителями электроники.

Надежное, безошибочное и долгое функционирование радиоэлектронного устройства в немалой степени зависит от его питания. Существует довольно много решений, обеспечивающих необходимые параметры электропитания для определенных задач. Каждое из них обладает как достоинствами, так и недостатками, различными сложностью и стоимостью разработки и/или производства.

Одним из таких решений, применяющихся для обеспечения питания нагрузки мощностью до 150 Вт, является импульсный источник питания (ИИП), построенный на принципе однотактного обратноходового преобразования (ООП). Его базовые узлы изображены на рисунке 1.

Рис 1. Топология и основные узлы обратноходового DC/DC-преобразователя

Рис 1. Топология и основные узлы обратноходового DC/DC-преобразователя

Принцип работы ООП прост: в одном временном интервале (одном такте) накапливается энергия в сердечнике трансформатора, а в другом – передается нагрузке, при этом ключ первичной обмотки выключен. Отсюда и происходит наименование «обратноходовой» [1].

Источники питания, построенные по схеме ООП, обладают массой преимуществ, в частности невысокой стоимостью, отсутствием возможности проникновения помех из первичной сети во вторичную и простотой схемы. На рисунке 2 представлена типовая схема AC/DC-источника питания с ООП, в контроллер которого интегрирован ключ [2].

Рис. 2. Типовая схема квазирезонансного источника питания с ООП на основе контроллера WD108xG производства компании Wayon

Рис. 2. Типовая схема квазирезонансного источника питания с ООП на основе контроллера WD108xG производства компании Wayon

Как правило, все обратноходовые преобразователи являются гальванически изолированными источниками питания. Исключения составляют лишь те, в которых обратная связь со вторичной стороны выполнена в виде непосредственного подключения к контроллеру. Из недостатков обратноходовых преобразователей следует отметить ограниченную мощность (увеличение мощности после 150…200 Вт делает более выгодными иные решения). Однако сфера применения ИИП до 150 Вт настолько широка, что популярность схемы ООП постоянно растет, а сама она совершенствуется, повышая эффективность источников питания (рисунок 3).

Рис 3. Различные способы и эффективность источников питания ООП, в зависимости от мощности

Рис 3. Различные способы и эффективность источников питания ООП, в зависимости от мощности

При всей своей простоте разработка обратноходовых преобразователей (впрочем, как и любых импульсных преобразователей) требует тщательного внимания к каждому компоненту, в том числе к входным и выходным конденсаторам. В большинстве случаев предпочтение отдается алюминиевым электролитическим (АЭК), поскольку они доступны, выгодны по цене, обладают значительной емкостью при малых размерах и высоким номинальным напряжением. На рисунке 4 продемонстрированы два источника питания, где в качестве входного (Свх) и выходного (Свых) конденсаторов использованы АЭК.

Рис. 4. ИИП семейства LO производства компании MORNSUN

Рис. 4. ИИП семейства LO производства компании MORNSUN

Количество вариантов АЭК, отличающихся как параметрами, так и технологией изготовления, достаточно велико. Разберемся в их основных типах и характеристиках. 

Устройство и различные технологии изготовления АЭК

Алюминиевые электролитические конденсаторы устроены достаточно просто: между двумя лентами из алюминиевой фольги проложен слой бумаги – сепаратора, пропитанного жидким электролитом (рисунок 6). В подавляющем большинстве АЭК являются полярными, то есть одна из обкладок является анодом, другая – катодом. Нарушать полярность включения конденсаторов недопустимо, за исключением неполярных вариантов. На анодной фольге благодаря электролитическим процессам (формованию) образуется очень тонкий слой оксида алюминия, который является диэлектриком с хорошим значением диэлектрической проницаемости, что позволяет достичь высоких значений емкости конденсатора. Свернутые в рулон ленты помещаются в цилиндрический корпус с торцевым герметизирующим уплотнением выводов.

Рис. 5. Устройство алюминиевого электролитического конденсатора с жидким электролитом

Рис. 5. Устройство алюминиевого электролитического конденсатора с жидким электролитом

Для увеличения площади поверхности и, как следствие, емкости алюминиевые ленты (анодная или обе) могут быть подвергнуты химическому травлению [3]. На рисунке 6 показана поверхность фольги после травления.

Рис. 6. Алюминиевая фольга АЭК после химического травления: а) поверхность фольги низковольтных конденсаторов; б) структура поверхности фольги высоковольтных конденсаторов (туннельное травление)

Рис. 6. Алюминиевая фольга АЭК после химического травления: а) поверхность фольги низковольтных конденсаторов; б) структура поверхности фольги высоковольтных конденсаторов (туннельное травление)

В зависимости от рабочего напряжения конденсатора технологии травления различаются: для высоких значений напряжения используется туннельная технология. Химическое травление несколько ухудшает температурные и частотные характеристики, особенно в цепях с низким рабочим напряжением [4], поэтому в некоторых случаях такая обработка минимальна или вообще отсутствует, что значительно увеличивает габариты конденсаторов. Это объясняет существование АЭК с одинаковыми базовыми характеристиками (емкостью, рабочим напряжением и максимальной температурой), которые при этом существенно различаются по размеру.

АЭК с бумажным сепаратором, пропитанным электролитом (далее такие конденсаторы будут упоминаться как «классические»), с последующим развитием получили полимерные и гибридные варианты. На источнике питания, изображенном на рисунке 4 справа, внешний вид выходного конденсатора заметно отличается от других. Различие не только внешнее (оно дает лишь основание для предположения, а не определяет однозначно, поскольку более точную информацию можно узнать по маркировке), но и в технологии изготовления: вместо бумаги и жидкого электролита используется специальный полимер. Это позволило улучшить ряд таких характеристик, как меньшая зависимость емкости от частоты, очень малое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), отсутствие жидкого электролита, что исключает его высыхание и повышает надежность и долговечность эксплуатации конденсатора. Кроме того, твердый полимер позволяет создавать пакетную конструкцию, у которой, в отличие от рулонной, значительно меньше паразитная индуктивность (ESL).

Однако полимерные конденсаторы обладают значительно большим током утечки, чем классические АЭК. Попытка взять от обоих вариантов только лучшее породила гибридный вариант: конденсатор, в котором используется полимер, пропитанный жидким электролитом. У гибридных конденсаторов ток утечки аналогичен обычным, а ESR лишь немного хуже, чем у полимерных. Сравнительные характеристики конденсаторов разных технологий (по данным компании Capxon) представлены в таблице 1. Следует отметить, что указанные параметры не являются строгими рамками для технологий конденсаторов, скорее они отражают усредненные общие значения. Классические АЭК могут иметь значительно лучшие характеристики, чем указанные в таблице 1, например, срок службы некоторых моделей может достигать 20000 часов.

Таблица 1. Сравнение характеристик АЭК различных технологий изготовления (согласно данным компании Capxon)

Параметр Оценка в зависимости от вида электролитического конденсатора
Классические Полимерный Гибридный
ESR на высоких частотах, мОм Удовлетворительно
(120…1000)
Отлично
(7…15)
Хорошо
(20…30)
Ток утечки (CR, мкФ, VR, В) Отлично
(0,01×CVR)
Удовлетворительно
(0,2×CVR)
Отлично
(0,01*CR*VR)
Ток пульсаций, мА Удовлетворительно
(~600)
Отлично
(2000…7000)
Хорошо
(2000…3000)
Рабочее напряжение, В Отлично
(~700)
Удовлетворительно
(~100)
Хорошо
(~400)
Диапазон рабочих температур, °C Хорошо
(-40…125)
Хорошо
(-55…125)
Отлично
(-55…150)
Влияние низких температур на параметры Удовлетворительно Отлично Хорошо
Срок службы при 105°C, ч Удовлетворительно
(3000)
Отлично
(5000)
Отлично
(10000)

Способность конденсаторов разных типов к восстановлению после пробоя между обкладками также различна: полимерный материал, нагреваясь в точке пробоя, изменяет свою структуру и способен изолировать проблемный участок. Чтобы минимизировать такие (и прочие) критичные ситуации, достаточно соблюдать требования к применению и прогнозировать срок эксплуатации в зависимости от условий работы.

Характеристики АЭК и их поведение в различных условиях, влияющих на работу и срок службы

Несмотря на простоту строения конденсатора, для описания его работы используются более трех десятков терминов. Достаточно полная эквивалентная схема полярного электролитического конденсатора показана на рисунке 7, где:

  • СА и СК – емкости, образуемые анодной и катодной фольгой, соответственно
  • D – полупроводник, образованный оксидным слоем анодной фольги
  • R1 – общее сопротивление выводов и электродов
  • R2 – сопротивление дефектов оксида анодной фольги
  • R3 – сопротивление электролита и диэлектрика (оксида анода)
  • L – индуктивность, образованная выводами и конструкцией конденсатора

Рис. 7. Эквивалентная схема полярного АЭК

Рис. 7. Эквивалентная схема полярного АЭК

Как правило, в спецификации указывается гораздо меньше параметров – только те, которых достаточно для выбора конденсатора, максимально отвечающего техническому заданию.

Разумеется, самый главный параметр любого конденсатора – емкость (C), способность накапливать электрический заряд. Единица ее измерения – фарад, и так как значение 1 Ф является очень большим, для обозначения емкости конденсаторов используются дольные приставки (применительно к электролитическим): микро- (мкФ) и милли- (мФ). При выборе компонента необходимо учитывать, что из-за влияния условий эксплуатации его фактическое значение емкости в той или иной степени, а также в зависимости от технологии изготовления, может отличаться от номинального, а оно в свою очередь может иметь некоторый допуск (ΔC, Capacity tolerance). На графиках, изображенных на рисунках 8 и 9, показано влияние температуры (ТКЕ, теплового коэффициента емкости) и частоты тока (частотной характеристики) на емкость различных АЭК.

Рис. 8. Изменение емкости конденсаторов различных типов в зависимости от температуры

Рис. 8. Изменение емкости конденсаторов различных типов в зависимости от температуры

Как показано на рисунке 8, существенная разница между электролитическими конденсаторами проявляется в области отрицательных температур (характеристика стабильности емкости в таких условиях указывается в спецификации), а значит, при построении источников питания, предназначенных для работы внутри отапливаемых помещений, влияние температуры на емкость не является определяющим фактором при выборе типа конденсатора. Графики показаны для устройств с емкостью 10 мкФ при частоте напряжения 120 Гц, и с увеличением номинальной емкости влияние отрицательных температур может несколько измениться, но сравнительное преимущество полимерных АЭК сохраняется.

На рисунке 9 показано уменьшение емкости конденсатора в высокочастотных цепях. Такое поведение может быть определяющим фактором, если габариты обратноходового преобразователя имеют значение. Так, при частоте пульсаций на выходном конденсаторе, например, 100 кГц, для обеспечения емкости в 10 мкФ у гибридного АЭК этот параметр и будет номинальным. Если использовать классический АЭК, то его номинальная емкость составит 100 мкФ, а размер будет гораздо больше.

Рис. 9. Изменение емкости конденсаторов различных типов в зависимости от частоты

Рис. 9. Изменение емкости конденсаторов различных типов в зависимости от частоты

Следующие важные характеристики конденсатора – максимальные значения его рабочих напряжения и температуры. Оба этих параметра, как правило, указываются на корпусе вместе со значением емкости. Длительное или значительное превышение номинального напряжения может привести к электрическому пробою между обкладками, а также вызвать нагрев. Некоторое кратковременное (импульсное) превышение напряжения допустимо, в спецификации такая степень указывается как «Surge Voltage».

Превышение максимальной рабочей температуры, независимо от его причины, может привести к росту давления внутри конденсатора и последующему разрыву корпуса. Если компонент создан с применением жидкого электролита, последствия могут быть более катастрофичны, чем потеря конденсатора: вытекшая жидкость может повредить остальные части схемы. Разрыв и выброс электролита может быть достаточно энергичным, поэтому при пусконаладочных работах или тестировании электролитических конденсаторов имеет смысл избегать ситуаций, когда их корпус находится близко к лицу. Нагрев может происходить не только из-за внешнего источника тепла, но и из-за потерь вследствие отношения активной мощности компонента к реактивной – тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ или tanδ), который также указывается в спецификации (иногда вместо tgδ используется коэффициент диэлектрических потерь Dissipation Factor). Чем ниже tgδ, тем меньше потерь энергии, переходящей в тепло. Как и для большинства других конденсаторов, для АЭК типичны прямая зависимость tgδ от частоты тока и обратная – от температуры (рисунок 10).

Рис. 10. Зависимость tgδ АЭК от частоты при различных рабочих температурах

Рис. 10. Зависимость tgδ АЭК от частоты при различных рабочих температурах

Еще один параметр, характеризующий потери в АЭК – ток утечки. Каким бы качественным ни был материал диэлектрика, в нем присутствуют различные дефекты: примеси, структурные нарушения и так далее. Их сопротивление (R2 на эквивалентной схеме рисунка 7) и приводит к току утечки. Как правило, он прямо зависит от прочих факторов, таких как увеличение частоты тока, рабочая температура, продолжительное хранение, которые могут вызвать увеличение этого параметра. И, как было указано в таблице 1, ток утечки полимерных АЭК на порядок больше чем у гибридных и классических конденсаторов.

На эквивалентной схеме конденсатора показаны резисторы R1 и R3, которые вместе с R2 составляют эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), а также эквивалентная последовательная индуктивность L (ESL), оказывающая реактивное сопротивление току и влияющая на рост импеданса (Z) конденсатора на высоких частотах. Как показано на рисунке 11, с ростом частоты импеданс сначала сравнивается с ESR (зона собственной резонансной частоты), затем ESL снова начинает расти. 

Рис. 11. Зависимость импеданса и ESR от частоты двух полимерных АЭК производства компании Capcxon

Рис. 11. Зависимость импеданса и ESR от частоты двух полимерных АЭК производства компании Capcxon

Применительно к импульсным DC/DC-преобразователям большие значения ESR и/или Z в первую очередь отрицательно сказываются на температурном режиме выходных конденсаторов: импульсы токов там значительны, частота их повторений высокая, и поскольку любое сопротивление вызывает рассеивание мощности внутри устройства, тепло просто не успевает рассеяться, повышая температуру конденсатора вплоть до критичной. На рисунке 12 показано влияние различных факторов на значение ESR и Z алюминиевых электролитических конденсаторов (по данным компании Capxon).

Рис. 12. Зависимость импеданса от частоты, а также ESR от температуры АЭК различных технологий

Рис. 12. Зависимость импеданса от частоты, а также ESR от температуры АЭК различных технологий

На рисунке 13 показаны пульсации тока, которым подвержен выходной конденсатор импульсного обратноходового преобразователя (граничный режим проводимости, BCM). Такой режим работы требует от конденсатора возможности выдерживать некоторый ток пульсаций, не превышающий значения, указанного в спецификации как Ripple Current.

Рис. 13. Идеализированные формы тока в ИИП ООП (режим граничной проводимости) [5]

Рис. 13. Идеализированные формы тока в ИИП ООП (режим граничной проводимости) [5]

Все вышеописанное напрямую влияет на срок службы конденсатора, а значит, и всего устройства. Как правило, в литературе о проектировании импульсных преобразователей конденсаторам уделяется не так много внимания: расчет требуемых параметров конденсатора не так сложен (что будет рассмотрено далее), как, например, характеристик импульсного трансформатора. В то же время одна из самых частых причин отказа источника питания – перегрев выходных алюминиевых электролитических конденсаторов с последующим разрывом корпуса. Знание параметров конденсатора и режима его работы позволяет прогнозировать вероятность наступления такого отказа и срока службы конденсатора, для чего существует несколько достаточно простых методов. Например, расчет срока службы классического АЭК в зависимости от температуры вычисляется по формуле 1:

$$L_{A}=L_{0}\times 2^\frac{\left(T_{0}-T_{A} \right)}{10^{\circ}C},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

  • LA – ожидаемый срок службы;
  • L0 – время, указанное в спецификации;
  • T0-TA – разница между максимально допустимой и рабочей температурами.

Более подробное описание и примеры расчета срока службы алюминиевых конденсаторов можно найти в дополнительной литературе [6].

Иными словами, согласно формуле 1, каждые 10°C ниже максимально допустимой температуры удваивают срок службы классического АЭК (для полимерных конденсаторов коэффициент еще больше). Таким образом, продолжительность работы самого обычного конденсатора с заявленными максимальной температурой 85°C и сроком службы 1000 ч (чуть более 40 дней круглосуточной работы) может фактически составить 32000 часов (3,5 года круглосуточно), если его температура не превысит 35°C. Значения рабочих напряжения и тока ниже указанных в спецификации также прогрессивно увеличивают срок службы АЭК. Это позволяет находить баланс между различными параметрами (рисунок 14).

Рис. 14. Номограмма срока службы АЭК для семейства RH производства Capxon с заявленным сроком Useful Life 8000 ч

Рис. 14. Номограмма срока службы АЭК для семейства RH производства Capxon с заявленным сроком Useful Life 8000 ч

Прогнозирование времени жизни конденсатора определяет не только срок службы разрабатываемого устройства, но также его габариты и стоимость. В дополнительной документации [6] описано моделирование накопительного (bulk) электролитического конденсатора и его срока службы, в результате чего предложен метод оптимизации в подборе компонента для обратноходового преобразователя: снижение срока службы на 4,21% уменьшает габариты АЭК на 36,8 %!

Следует отметить, что в спецификациях, каталогах, рекламных буклетах и прочей литературе могут встречаться несколько терминов для определения тестов на срок жизни и хранения конденсатора. Наиболее часто встречающиеся:

  • Endurance – долговечность
  • Useful Life – срок эксплуатации
  • Load Life – срок под нагрузкой
  • Shelf Life – срок годности или хранения

Такое разнообразие объясняется отсутствием единого стандарта. Европейские и американские производители чаще всего используют термин «Useful Life или Load Life», а азиатские компании – «Endurance» (притом под этим определением они могут обозначить и другой параметр, например, Load Life или Lifetime). В одной спецификации могут быть приведены результаты и условия для нескольких тестов (таблица 2).

Таблица 2. Тесты на срок службы и изменение характеристик после хранения АЭК семейства UL производства Capxon

Условия испытаний Useful Life Endurance Shelf Life
Продолжительность при 105°C, ч 10000 5000 1000
Значения приложенных напряжения и пульсирующего тока Номинальные Нет
Изменение емкости от изначально измеренной, % ≤ ±20 ≤ ±10
Коэффициент диэлектрических потерь от указанных в спецификации, % ≤ ±200 ≤ ±130
Ток утечки ≤ указанный в спецификации
Описание
  • Объективное представление о сроке службы при нормальном использовании конденсаторов.
  • Приложенное напряжение аналогично Endurance, но пределы (заданные заказчиком рабочие рамки) допустимых результатов испытаний шире, что приводит к увеличению ожидаемого срока службы.
  • Испытание на выносливость проверяет изменение емкости, тока утечки и коэффициента диэлектрических потерь с течением времени при определенных условиях испытательной установки и окружающей среды.
  • Испытание на срок годности имитирует старение конденсатора, когда он просто подвергается воздействию температуры окружающей среды без какой-либо электрической нагрузки.
  • Срок годности не определяет возможное время хранения конденсатора, а просто описывает его состояние перед использованием.

Глобализация производителей и рынков в значительной степени согласовала применяемые параметры конденсаторов для таких тестов, это:

  • максимально допустимая температура конденсатора в °C;
  • номинальное рабочее напряжение конденсатора в В;
  • максимально допустимый пульсирующий ток в А (RMS) или его отсутствие.

Так же было согласовано, что по окончании срока службы электролитический конденсатор должен отвечать таким требованиям, как:

  • защита избыточного давления не сработала;
  • электролит не вытек;
  • корпус сохранил целостность;
  • конденсатор не имеет короткого замыкания между обкладками.

Благодаря согласованности основных параметров, таких как напряжение, температура и ток пульсаций, между различными производителями, можно предполагать, что конденсаторы одной технологии изготовления (классической, полимерной и гибридной) и с одинаковыми параметрами в маркировке (а также габаритами) взаимозаменяемы. Однако прочие характеристики (ТКЕ, ESR, импеданс, ток утечки и другие) могут различаться не только у компонентов разных производителей, но и у одного бренда между семействами конденсаторов. При этом семейств достаточно большое количество: последние каталоги компаний Capxon, Aishi и Su’scon (их продукция будет представлена далее) суммарно занимают более тысячи страниц спецификаций. К счастью, производители упростили ориентирование среди конденсаторов для импульсных преобразователей, группируя их по отличительным характеристикам. Такие группы могут обозначаться как «Low ESR», «Long life», «High ripple current», «High temperature», «High voltage», «Small size», «Standard» и другие. Наименование группы не является стандартом и может быть составным.

Определение параметров АЭК для обратноходовых преобразователей

В начале статьи на схеме основных узлов ООП (рисунок 1) были показаны два конденсатора: Cвх и Cвых. Их задачи схожи: сглаживание пульсаций тока и обеспечение необходимой энергии для первичной обмотки импульсного трансформатора или нагрузки, подключенной к выходу ИИП.

Для AC/DC-преобразователя емкость входного конденсатора выбирается исходя из необходимости соблюдения таких условий, как:

  • сглаживание пульсаций входного выпрямленного напряжения первичной сети;
  • время удержания работоспособности (выходных параметров) ИИП при сбое входного питания.

В первом случае, предполагая, что на входном конденсаторе присутствуют пульсации с размахом 25%, Сin (емкость входного конденсатора в фарадах) можно рассчитать по формуле 2 [9]:

$$C_{in}=\frac{0.045\times P_{load}}{\eta \times V_{inpk}^2},\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

где:

  • Pload – номинальная выходная мощность ИИП;
  • η – коэффициент эффективности (КПД/100);
  • Vinpk – абсолютное значение нижней границы входного напряжения.

Во втором случае требуется обеспечить мощность Phold в течение времени Thold с учетом разницы значений напряжений – в момент аварии первичной сети и минимально возможного для обеспечения работы (формула 3):

$$C_{in}=\frac{3\times P_{hold}\times T_{hold}}{V_{infail}^2-V_{inmin}^2}.\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Среднеквадратичный (RMS) ток на входном конденсаторе вычисляется посредством отношения мощности к абсолютному значению входного напряжения (формула 4):

$$I_{incrms}=\frac{2.7\times P_{load}}{\eta \times V_{inpk}}.\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Согласно этим формулам, для блока питания (без учета удержания) мощностью 20 Вт с нижней границей входного напряжения 85 В АС и КПД 85% потребуется входной конденсатор емкостью 73 мкФ, а максимальный среднеквадратичный ток составит примерно 528 мА.

Существует и иной, более простой способ вычисления емкости входного конденсатора для AC/DC-преобразователя (таблица 4): 2…3 мкФ на каждый Вт входной мощности, чтобы снизить пульсации входного напряжения [10].

Таблица 3. Определение емкости входного конденсатора обратноходового AC/DC-преобразователя

Входное напряжение, В AC Емкость на 1 Вт мощности, мкФ
115 2
230 1
85…265 2…3

Рабочее напряжение входного конденсатора должно быть больше максимального входного амплитудного. Так, для диапазона входных напряжений 85…265 В АС максимальное напряжение на конденсаторе составит примерно 370 В (1,41 × 265 В), и, если вспомнить, что работа конденсатора при напряжении меньше номинального существенно продлевает ему жизнь, то выбор номинального значения 450 В является хорошим решением.

Таким образом, входной АЭК для обратноходового ИИП мощностью 20 Вт и диапазоном напряжений на входе 85…265 В АС должен иметь емкость 60…73 мкФ, номинальное рабочее напряжение 450 В, а также выдерживать пульсации тока (RMS) более 528 мА. Остальные параметры, в том числе габариты корпуса и способ монтажа конденсатора (рисунок 15) разработчик уточняет согласно другим условиям технического задания, после чего обращается к каталогам производителей, например, Capxon, Aishi и Su’scon (таблицы 4…15).

Довольно часто источники питания собираются очень компактно и плотно, что вызывает проблемы с отводом тепла, поэтому в таблицах ниже приведены варианты АЭК, максимальная рабочая температура которых не ниже 105°С. Кроме того, для построения высоконадежного обратноходового преобразователя не лишним будет использовать АЭК с большим заявленным сроком службы (от 6000 ч). Тем конденсаторам, которые имеют характерные черты (низкие эквивалентные сопротивление и индуктивность, способность работать при высоких температурах и прочие), позволяющие кратно увеличить расчетный срок службы, также будет уделено внимание.

Рис. 15. Варианты исполнения АЭК (слева направо): SMD, с радиальными выводами (обычный и узкий корпус), с выводами Snap-In

Рис. 15. Варианты исполнения АЭК (слева направо): SMD, с радиальными выводами (обычный и узкий корпус), с выводами Snap-In

Примечания:

  1. Данные в таблицах 5…7 указаны для высокого напряжения (400…550 В), в перечисленных семействах есть и низковольтные варианты, для которых остальные параметры могут иметь иное значение.
  2. Указанный ток пульсаций со значком «~» означает округленный результат умножения значения для частоты 100 кГц на коэффициент для частоты 120 Гц, указанный в спецификации для данного семейства.
  3. Значения ESR (импеданса) указаны при температуре 20°C.
  4. Конденсаторы с резьбовыми и ножевыми выводами не рассматриваются, так как использование их в ИИП мощностью до 150 Вт маловероятно.

Таблица 4. Семейства высоковольтных (400…550 В) классических АЭК производства Capxon

Наимено-
вание
Характеристики Группа
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 120 Гц, мА Срок службы, тыс. ч
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
HY 400…450 12…82 -25…105 130…680 10 Долгий срок службы
KH 400, 450 6,8…120 -40(-25)…105 ~130…1110 10
FK 400…500 1…120 -40(-25)…105 25,2…930 6…8
FL 400…500 1…180 -40(-25)…105 26…1100 8…12
LE 400, 450 1…68 -40…105 25…521 12…20
TH 400, 450 1…47 -40(-25)…125 30…320 2…3 Высокотемпературные
TE 400, 450 1…100 -40(-25)…130 75…880 2
Сквозной монтаж (выводы Snap-In)
HU 400…500 33…1200 -25…105 360…3120 8 Долгий срок службы
HL 400…500 39…1200 -25…105 340…3280 10
HH 400, 450 47…560 -40…125 260…1670 4 Высоконадежные
UK 400…550 47…1200 -40(-25)…105 450…3910 8
UL 400…550 47…1800 -40(-25)…105 400…5670 10

Таблица 5. Семейства классических высоковольтных (400…550 В) АЭК производства Aishi

Наимено-
вание
Характеристики Группа
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 120 Гц, мА Срок службы, тыс. ч
Поверхностный монтаж (SMD)
MF 400, 450 2,2…22 -40…105 ~24…175 6 Долгий срок службы
MA 400, 450 2,2…22 -40…105 ~30…195 10
MH 400, 450 2,2…22 -40…130 ~15…102 3 Высокотемпературные
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
CD11GC 400, 450 1…100 -40…130 ~27…515 15…20 (105°C) Высоконадежные, созданные специально для LED-драйверов, электронных балластов, энергосберегающих ламп
CD11GES 400…500 1…100 -40…105(130) ~32…640 10…12 (105°C)
CD11GK 400, 450 1…15 -40…105 ~27…150 12…20
CD11GN 400…500 1…100 -40…105(130) ~32…592 8…12 (105°C)
CD11GZ 400…500 10…150 -40…105 ~128…752 10…12
CD11GAZ 400…500 1…180 -40…105 ~32…850 8…10
CD11GD 400, 450 1…150 -40…105 ~27…625 8
CD11GHS 400…500 1…150 -40…105 ~30…720 6
HF 400, 450 10…150 -40…105 120…985 8…10 Для входных и выходных цепей источников питания
HL 400…500 6,8…220 -40(-25)…105 90…1225 8…12
HT 400…500 4,7…150 -40…125 40…465 2
BH 400 10…68 -40…125 ~64…286 3 Специальные
GH 400, 450 1…150 -40…105 ~25…700 10
Сквозной монтаж (выводы Snap-In)
LX 400…450 47…560 -25…105 460…2140 7 Высоконадежные
LB 400…450 39…470 -25…105 370…1380 10

Таблица 6. Семейства классических высоковольтных (400…500 В) АЭК производства Su’scon

Наимено-
вание
Характеристики Группа
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 120 Гц, мА Срок службы, тыс. ч
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
HE 400, 450 6,8…150 -40(-25)…105 110…990 8…10 Высоконадежные
HH 400, 450 6,8…180 -40(-25)…105 100…1050 10…12
HW 400, 450 2,2…120 -40(-25)…105 40…720 12…20
HD 400, 450 1…100 -40(-25)…105 ~46…792 8…10 Для электронных балластов
Сквозной монтаж (выводы Snap-In)
TZ 400, 450 220…820 -25…105 1010…2350 10 С долгим сроком службы

В рамках одной статьи достаточно сложно рассмотреть все нюансы выбора выходного конденсатора, учитывая существование различных вариантов построения преобразователя. Однако для первичной оценки значения емкости базовой является формула 5:

$$C_{out}=\frac{10\times I_{out}}{V_{outripple}\times f_{min}},\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

где:

  • Cout – емкость выходного конденсатора;
  • Iout – выходной ток преобразователя (ток нагрузки);
  • Voutripple – допустимые пульсации выходного напряжения;
  • fmin – минимальная частота преобразования.

Если гипотетический блок питания, рассматривавшийся выше в качестве примера, имеет выходное напряжение 5 В, ток 4 А, допустимый уровень пульсаций 250 мВ и преобразование на частоте 100 кГц, то примерное значение емкости выходного конденсатора можно вычислить по формуле 6:

$$C_{вых}=\frac{10\times 4}{0.25 \times 100000}=0.0016\:Ф=1600\:мкФ.$$

Обычно большая выходная емкость достигается за счет параллельной установки нескольких одинаковых конденсаторов, например, 4х470 мкФ. Это позволяет снизить токовую нагрузку на каждый из них.

Однако в любом случае для выходных конденсаторов будет главным требованием их малое значение ESR/импеданса. Частота тока на выходном конденсаторе равна частоте преобразования источника питания, а значит, при большой амплитуде импульсов тока, свойственной ООП, потери в конденсаторах начнут возрастать. Кроме того, малое значение импеданса способствует уменьшению пульсаций выходного напряжения. Именно здесь может оказаться удобным применение полимерных (таблицы 10…12) и гибридных (таблицы 13…15) АЭК производства компаний Capxon, Aishi и Su’scon. Классические АЭК тоже имеют варианты, работа которых может быть достаточно надежной в качестве выходных конденсаторов ИИП, их семейства перечислены первыми в таблицах 7…9.

Таблица 7. Семейства классических АЭК производства Capxon

Наимено-
вание
Характеристики Отличительные особенности
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 100 кГц, А Импеданс (ESR)при 100 кГц, мОм Срок службы, тыс. ч
Поверхностный монтаж (SMD)
CV 6,3…50 22…1500 -40…105 0,095…1,5 80…1500 7 Низкое ESR
Сквозной монтаж (радиальные выводы),
GH 6,3…100 330…4700 -55…105 0,35…4,15 26…810 7…10 Низкое ESR
FH 27…18000 -40…105 0,3…4,3 12…660 6…10
ZH 8,2…18000 -40…105 0,173…0,364 17…1540 6…10
Сквозной монтаж (выводы Snap-In)
HC 25…63 600…3300 -55…125 3,74…5,9 [16…50] 4 Высоко-
температурные

Таблица 8. Семейства классических АЭК компании Aishi

Наимено-
вание
Характеристики Отличительные особенности
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 100 кГц, А Импеданс при 100 кГц, мОм Срок службы, тыс. ч
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
RF 6,3…120 150…6800 -40…105 0,57…3,51 14…1300 6 Низкий импеданс
RS 6,3…120 22…18000 -40…105 0,18…4,3 11…5000 6…10
RN 25…120 18…1500 -40…105 0,14…2,31 30…4000 7…10
RZ 6,3…50 22…10000 -40…105 0,238…3,65 12…440 6…10
RJ 10…120 10…5600 -40…105 0,094…4,12 16…4600 8…12
RG 6,3…100 220…10000 -55…105 0,9…3,8 15…650 7…8 Высоконадёжные
BH 25…100 130…11000 -40…125 64…286 18…312 3 Высоко-
температурные

Таблица 9. Семейства классических АЭК производства Suscon

Наимено-
вание
Характеристики Отличительные особенности
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 100 кГц, А Импеданс при 100 кГц, мОм Срок службы, тыс. ч
Поверхностный монтаж (SMD)
CGL 16…50 33…330 -40…125 0,07…1,47 50…1000 3 Высоко-
температурные
CGS 6,3…100 1…4700 -55…125 0,045…0,9 80…3500 1…2
CGV 6,3…100 1…4700 -55…125 0,07…0,9 80…1000 1…2
CTS 16…50 33…2200 -40…125 0,07…2,2 40…2000 2…5
CTV 16…50 33…2200 -40…125 0,25…1,8 50…500 2…5
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
HF 6,3…100 33…18000 -40…105 0,35…3,81 15…480 6…8 Низкоимпедансные
MG 6,3…35 150…8200 -40…105 0,62…3,99 11…85 6
HG 6,3…100 47…18000 -40…105 0,19…4,29 11…720 6…10
HX 6,3…100 5,6…18000 -40…105 0,23…3,86 15…1200 6…10
SHG 10…100 220…8200 -40…125 1,11…5,1 20…286 4…5 Высоко-
температурные
HFN 6,3…100 5,6…18000 -55(-40)…105 0,35…3,81 18…640 6…8 Низкоимпедансные, безводные
HGN 6,3…100 6,8…18000 -55(-40)…105 0,19…4,29 15…980 6…10

Внешний вид полимерных и гибридных конденсаторов, которые будут предложены далее, показан на рисунке 16. Слева можно заметить несколько необычную конструкцию внешнего корпуса – это специальное антивибрационное исполнение.

Рис. 17. Полимерные конденсаторы Capxon

Рис. 17. Полимерные конденсаторы Capxon

Таблица 10. Семейства полимерных АЭК производства Capxon

Наимено-
вание
Характеристики полимерных АЭК Отличительные особенности
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 100 кГц, А ESR при 100 кГц, мОм Срок службы, тыс. ч
Поверхностный монтаж (SMD)
PG 6,3…50 10…1500 -55…125 0,98…5,1 15…75 2 Высоко-
температурные
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
PT 2,5…50 22…2700 -55…125 1,45…6,64 9…60 2 Высоко-
температурные

Таблица 11. Семейства полимерных АЭК производства Aishi

Наимено-
вание
Характеристики полимерных АЭК Отличительные особенности
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 100 кГц, А ESR при 100 кГц, мОм Срок службы, тыс. ч
Поверхностный монтаж (SMD)
VL 2,5…16 4,7…5600 -55…105 2…4,5 15…48 10…23 Долгий срок службы
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
PL 2,5…35 100…1800 -55…105 1…5,4 11…48 10…23 Долгий срок службы
PX 6,3…25 100…1500 -55…145 0,1…0,25 15…30 2 Высоко-
температурные
RT 2,5…35 47…1500 -55…125 0,4…1,7 15…55 2

Таблица 12. Семейства полимерных АЭК производства Suscon

Наимено-
вание
Характеристики полимерных АЭК Отличительные особенности
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 100 кГц, А ESR при 100 кГц, мОм Срок службы, тыс. ч
Поверхностный монтаж (SMD)
PV 2,5…63 10…2700 -55…105 0,66…5,5 12…100 15 Долгий срок службы
PH 4…50 10…2200 -55…105 1,4…5,4 13…70 20
VT 4…50 10…2200 -55…125 1,4…5,5 12…70 1 Высоко-
температурные
VP 6,3…35 56…1800 -55…125 2,3…6,1 20…60 2
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
PC 2,5…63 10…2700 -55…105 1,2…6,8 7…80 15 Долгий срок службы
PL 2,5…50 10…2200 -55…105 0,9…5,5 10…90 20
ET 4…50 10…2200 -55…125 1,4…5,6 16…70 1 Высоко-
температурные
EP 6,3…35 56…1800 -55…125 2,3…6,1 20…60 2

Таблица 13. Семейства гибридных АЭК производства Capxon

Наимено-
вание
Характеристики гибридных АЭК Отличительные особенности
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 100 кГц, А ESR при 100 кГц, мОм Срок службы, тыс. ч
Поверхностный монтаж (SMD)
AA 16…100 10…1500 -55…105 0,75…5 11…120 10 Низкое ESR
AC 16…100 10…1500 -55…125 0,5…4 11…120 4 Высоко-
температурные
AB 25…35 33…680 -55…125 0,75…3,16 16…80 4
AN 16…100 10…820 -55…135 0,5…2,26 16…120 4
AR 16…80 22…560 -55…145 0,56…1,05 16…45 2
AP 16…80 22…560 -55…150 0,56…1,05 16…45 1
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
AS 16…200 8,2…1500 -55…105 1…5 14…100 10 Низкое ESR
AT 16…100 8,2…1200 -55…125 0,8…4 12…100 2…4 Высоко-
температурные
AK 16…100 8,2…1200 -55…135 0,8…3,03 14…100 2…3
AL 16…80 8,2…560 -55…145 0,45…1,22 16…90 2
AM 16…80 8,2…560 -55…150 0,32…1,01 16…90 1

Таблица 14. Семейства гибридных АЭК производства Aishi

Наимено-
вание
Характеристики гибридных АЭК Отличительные особенности
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 100 кГц, А ESR при 100 кГц, мОм Срок службы, тыс. ч
Поверхностный монтаж (SMD)
SC 25…80 15…470 -55…105 1…2,5 20…100 10 Низкое ESR
SA 25…80 15…470 -55…125 0,8…2 20…100 4 Высоко-
температурные
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
DC 25…80 15…470 -55…105 1…2,5 20…100 10 Низкое ESR
DA 25…80 15…470 -55…125 0,8…2 20…100 4 Высоко-
температурные

Таблица 15. Семейства гибридных АЭК производства Suscon

Наимено-
вание
Характеристики гибридных АЭК Отличительные особенности
Номин. напряжение, В Емкость, мкФ Рабочая температура, °C Ток (RMS) при 100 кГц, А ESR при 100 кГц, мОм Срок службы, тыс. ч
Поверхностный монтаж (SMD)
SVA 16…125 10…560 -55…105 1,2…3 15…90 10 Низкое ESR
SVV 16…125 6,8…560 -55…105 0,96…3 15…150 10
SVB 16…125 6,8…560 -55…125 0,67…2,3 15…150 2…4 Высоко-
температурные
SVG 16…125 6,8…560 -55…125 0,67…2,3 15…150 4
SVT 25…63 10…330 -55…135 0,55…1,35 16…100 1…2
Сквозной монтаж (радиальные выводы)
SPA 16…125 10…560 -55…105 1,4…3 15…90 10 Низкое ESR
SPB 16…50 15…560 -55…125 0,8…2,3 15…80 2…4 Высоко-
температурные

Импульсные AC/DC-преобразователи с технологией обратноходового преобразования сейчас обеспечивают питанием невероятно огромное количество бытовых, офисных и промышленных электронных устройств. Многие из них надежно работают при круглосуточном подключении к сети, даже если в это время не используются. Заслуга в долгой безаварийной работе принадлежит не в последнюю очередь электролитическим конденсаторам благодаря их качеству и соответствию высоким требованиям стандартов. И если параметры – зона ответственности разработчика, то качество целиком и полностью зависит от производителя. КОМПЭЛ требователен к предлагаемой продукции, поэтому в каталоге компании среди производителей алюминиевых электролитических конденсаторов представлены в том числе Capxon, Aishi и Su’scon.

Компании Capxon и Aishi, скорее всего, известны читателю. На сегодняшний день Capxon (Capxon Electronic Technology Co., Ltd.), основанный в 1980 году на Тайване (с 1993 года головной офис перемещен на материковый Китай), входит в десятку крупнейших в мире производителей электролитических конденсаторов. Компания Aishi (Aihua Group, основанная в 1985 г., КНР) представляет собой группу предприятий и по состоянию на 2024 г. захватила первое место по объемам производства алюминиевых конденсаторов в Китае и пятое – в мире. Относительно этих двух компаний, Su’scon (Kuan Kun Electronic Enterprise Co., Ltd, основан в 1978 г., Тайвань) менее известен и выделяется на порядок более скромным объемом продаж конденсаторов, однако в список его клиентов входят известнейшие бренды. Компания владеет несколькими патентами и в настоящее время ее усилия направлены на увеличение производства инновационных полимерных, гибридных, а также классических конденсаторов для поверхностного монтажа.

Следует отметить, что большую часть своей продукции (58…80%) эти три компании поставляют на свой внутренний рынок, потеснив известные японские бренды. Лучшее соотношение цены и качества, более быстрые поставки, постоянное обновление номенклатуры и моментальная реакция на запросы рынка позволяют компаниям Capxon, Aishi и Su’scon активно увеличивать число своих представительств и объемы продаж по всему миру.

Дополнительная литература

  1. В. И. Мелешин. Транзисторная преобразовательная техника. «Техносфера», 2005 г.
  2. Николай Вашкалюк. Серия мощных Flyback-преобразователей WD108xG от Wayon в корпусе TO220F-6.
  3. Владимир Гуревич. Электролитические конденсаторы: особенности конструкции и проблемы выбора. «Компоненты и Технологии», 2012 г.
  4. Л. Н. Закгейм. Электролитические конденсаторы. ГЭИ, 1954 г.
  5. Lifetime compendium. Aluminum electrolytic capacitors. Solid conductive polymer capacitors. Hybrid conductive polymer capacitors.
  6. Xiao Wang и др. Optimal selection of bulk capacitors in flyback converter. «Microelectronics Reliability», 2024 г.
  7. Вячеслав Гавриков. Гибридные конденсаторы Panasonic: взять лучшее от электролитов и полимеров.
  8. Cheng Guo и др. Review of the calculation of DC-link capacitor current. «Frontiers in Energy Research», 2023 г.
  9. Р. Мэк. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению «Додэка», 2008 г.
•••

Наши информационные каналы

Товары
Наименование
EGC2WM8R2W20OT (AISHI)
 
HD400M101K40TKKKS00R (SUSCON)
 
HE400M470K22TKKKS00R (SUSCON)
 
HH450M100G20PKKKS00R (SUSCON)
 
KF4R7M450G200 (CAPXON)
 
ERJ1HM221G16OT (AISHI)
 
ZH101M063F160A (CAPXON)
 
HF063M222K40PKKKS00R (SUSCON)
 
HG063M331X20TKKKS00R (SUSCON)
 
HX016M102F20PKKKS00R (SUSCON)
 
Поиск по параметрам
Конденсаторы SUSCON, CAPXON, AISHI