Конденсаторы Panasonic. Часть 1. Алюминий

Всемирно известная компания Panasonic, основанная 7 марта 1918 года, сегодня разрабатывает и выпускает огромный ассортимент электронных товаров коммерческого и бытового назначения. При этом Panasonic уделяет особое внимание развитию собственного производства качественной и надежной элементной базы. Модельный ряд электронных компонентов Panasonic включает в себя как активные, так и пассивные компоненты. Среди последних можно выделить резисторы, дроссели и конденсаторы. Panasonic выпускает: чип-резисторы и сборки общего назначения, прецизионные резисторы, а также чип-резисторы для измерения тока. Индуктивные компоненты представлены силовыми экранированными SMD-дросселями на основе композитного металла (семейство ETQP), способными работать на больших токах. Отдельно можно выделить инновационное направление Panasonic, занимающееся разработкой и производством решений по отводу тепла, основу которого составляют специальные графитовые листы (семейство PGS). Емкостное направление Panasonic выпускает полимерные, пленочные и классические электролитические конденсаторы, о которых пойдет речь.

Алюминиевые электролитические конденсаторы Panasonic

Более подробно в этом обзоре рассматриваются два типа электролитических конденсаторов из предлагаемого Panasonic ассортимента с широким диапазоном емкостей и рабочих напряжений (рисунок 1).

Рис. 1. Алюминиевые электролитические конденсаторы Panasonic

Конденсаторы традиционного типа в алюминиевых корпусах с проволочными (радиальными) выводами дополнены повсеместно востребованными в современной мобильной электронике компонентами для поверхностного монтажа (SMD) (рисунок 2). Обладая малым ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением), конденсаторы Panasonic, допускающие большой пульсирующий ток при длительном сроке службы и рабочей температуре до 125°C, могут использоваться во многих изделиях, включая аудио-/видеотехнику, телекоммуникационное, автомобильное и промышленное оборудование, робототехнику.

Известно, что к основным достоинством алюминиевых электролитических конденсаторов относится большая емкость в достаточно ограниченных габаритных размерах, что имеет особое значение при создании разнообразных компактных устройств, а также мощных приводов и импульсных источников питания различного назначения.

Компания Panasonic выпускает алюминиевые электролитические конденсаторы со штыревыми (радиальными) выводами, а также безвыводные (SMD) для поверхностного монтажа. Классическая структура заполненного раствором электролита конденсатора SMD в исполнении Panasonic представлена на рисунке 2. Конденсатор с радиальными выводами отличается наличием пластиковой оболочки, а тонкие бороздки на крышке корпуса предотвращают последствия взрыва конденсатора.

Рис. 2. Структура алюминиевых электролитических конденсаторов Panasonic

Основные характеристики

Руководствуясь при подборе электролитического конденсатора величиной емкости, номинальным и максимальным рабочим напряжением, следует также учитывать ESR, допустимый пульсирующий ток (Rated Ripple Current), временной ресурс эксплуатации (Endurance) и прочие параметры.

ESR определяет омическое сопротивление конденсатора переменному току. Превышение максимально допустимого пульсирующего тока вызывает дополнительный нагрев конденсатора и сокращает его срок службы, который описывается справочным параметром Endurance, определяющим изменение емкости, тангенса угла потерь и постоянного тока утечки после работы в течение заданного промежутка времени в пределах номинального напряжения.

Измеряемый в часах реальный рабочий ресурс (Endurance) электролитического конденсатора в значительной степени зависит от температуры эксплуатации. Как правило, снижение этой температуры на каждые 10°C удваивает ожидаемый рабочий ресурс. А выход за рамки рабочего диапазона температур быстро приводит к ухудшению основных параметров и может привести к повреждению конденсатора.

В процессе проектирования электронных устройств необходимо учитывать возможность перегрева из-за повышения температуры окружающей среды и теплового излучения от мощных транзисторов, микросхем и резисторов. Поэтому избегайте расположения на печатной плате мощных источников тепла вблизи от конденсаторов, включая противоположную сторону платы. Рост температуры внутри конденсатора зависит также от уровня и частоты пульсаций тока.

Вычислить ожидаемую продолжительность в часах рабочего ресурса конденсатора можно по формуле 1:

$$L_{2}=L_{1}\times 2^\frac{T_{1}-T_{2}}{10}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

• L₁ – гарантируемый рабочий ресурс при температуре T₁;
• L₂ – ожидаемый рабочий ресурс при температуре T2;
• T₁ – максимальная паспортная температура эксплуатации + рост температуры из-за номинального пульсирующего тока (°C);
• T₂ – фактическая рабочая температура, температура окружающей среды + повышение температуры из-за пульсаций тока (° C).

На рисунке 3 графически демонстрируются ресурсные возможности конденсаторов (в часах и годах) в зависимости от температуры окружающей среды. Соответственно, срок службы конденсатора сокращается в три раза при круглосуточной работе относительно 8-часового режима эксплуатации.

Рис. 3. График вычисления рабочего ресурса электролитических конденсаторов Panasonic

Использование конденсаторов по истечении времени рабочего ресурса запрещается в связи с быстрым изменением их характеристик, грозящих коротким замыканием, вспучиванием верхней крышки или утечкой горючего и электропроводящего электролита из-за повышенного давления внутри. В экстремальных условиях может произойти даже взрыв и возгорание.

Максимально возможный рабочий ресурс конденсаторов не может превышать 15 лет из-за старения резиновых прокладок

Представленная на рисунке 4 эквивалентная схема конденсатора включает четыре элемента:

• емкость самого конденсатора (С);
• эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) – сумма индуктивных элементов, включая выводы;
• подключенное параллельно емкости высокое сопротивление для постоянного тока (R_p);
• эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), которое объединяет комбинированные резистивные эффекты в единый элемент.

Рис. 4. Эквивалентная схема электролитического конденсатора

R_p определяет постоянный (DC) ток утечки конденсатора, а ESR является паразитным сопротивлением для переменного тока (AC). ESR зависит от частоты, температуры, а также меняется по мере старения компонентов.

Схемотехника

Чтобы ускорить и упростить разработку новых устройств, на сайте Panasonic имеется удобный отладчик для создаваемых LC-фильтров (рисунок 5). Этот инструмент способен реально помочь при выборе конденсатора необходимого типа, он позволяет оперативно выбирать конфигурацию электрической цепи и количество устанавливаемых параллельно и последовательно конденсаторов и индуктивностей. Результатом симуляции LC-цепей становится график АЧХ-фильтра.

Рис. 5. Симулятор Panasonic для расчета LC-цепей с выбором компонентов

Использование двух или более последовательно или параллельно соединенных конденсаторов может вызывать определенные проблемы.

У параллельно соединенных конденсаторов может наблюдаться дисбаланс нагрузки для токовых пульсаций. Тщательный анализ подключения может минимизировать возможный чрезмерный пульсирующий ток через конденсатор.

Разница в токах утечки у последовательно соединенных двух и более конденсаторов может вызвать дисбаланс напряжений, предотвратить который поможет использование параллельного делителя из шунтирующих резисторов.

Разработчики схем должны учитывать, что электрические характеристики конденсатора могут меняться из-за колебаний температуры и/или частоты напряжения.

При повышенной температуре ток утечки и емкость увеличиваются, а эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) уменьшается. При пониженных температурах ток утечки и емкость уменьшаются, а ESR увеличивается.

Электролитические конденсаторы, как правило, имеют полярность (метка на корпусе означает минус), но есть и неполярные серии конденсаторов (Bipolar), которые устанавливают в цепях с изменяющейся или неопределенной полярностью. Не допускается использование неполярных электролитических конденсаторов в цепях переменного тока. При установке полярных конденсаторов следует тщательно соблюдать полярность подключения, ее нарушение грозит взрывом конденсатора.

Обзор серий

Представленные ниже таблицы 1 и 2, а также диаграммы на рисунках 6…9, дают общее представление о серийном составе двух семейств электролитических конденсаторов Panasonic и призваны помочь в выборе этих компонентов.

Таблица 1. Электролитические конденсаторы Panasonic типа SMD

В таблице 1 представлен полный перечень конденсаторов Panasonic типа SMD с основными параметрами. В диаграмме на рисунке 6 визуально отображен весь серийный ряд, сгруппированный по отличительным признакам.

Рис. 6. Серийный ряд электролитических конденсаторов Panasonic типа SMD

В таблице 2 представлен перечень конденсаторов с радиальными выводами с основными параметрами, а на диаграмме рисунка 7 визуально отображен весь серийный ряд, сгруппированный по отличительным признакам.

Таблица 2. Электролитические конденсаторы Panasonic с радиальными выводами

Рис. 7. Серийный ряд электролитических конденсаторов Panasonic с радиальными выводами

Требующаяся при заказе расшифровка артикулов электролитических конденсаторов Panasonic с радиальными выводами дана на рисунке 8.

Первые три буквы предназначены для классификации продукта. Далее следует двухбуквенное обозначение серии. Следующие два знака (цифра и буква) выделены для кодирования номинального рабочего напряжения. Затем следует закодированная тремя цифрами емкость конденсатора. Далее опционально используется до двух знаков кодирования с особенностями формовки выводов и упаковки в ленту.

Во многом схожа расшифровка заказного артикула конденсаторов Panasonic типа SMD, представленная на рисунке 9. В позиции Х опционально (одной или двумя буквами) кодируется размер конденсатора, а последняя буква артикула определяет особенности ленточной упаковки конденсаторов.

Рис. 9. Расшифровка артикулов электролитических конденсаторов Panasonic типа SMD

Заключение

Высококачественные электролитические алюминиевые конденсаторы Panasonic отличаются повышенной надежностью, длительным сроком службы, низким импедансом и выдерживают большой ток пульсаций.

Компания продолжает вкладывать финансовые средства в предприятия по выпуску электронных компонентов и, что особенно важно, в разработку новой продукции. Поэтому следует ожидать дальнейшего улучшения всех значимых параметров и у семейства электролитических конденсаторов Panasonic.