Импульсные преобразователи напряжения – Выбор конденсаторов

При построении импульсного ПН сразу встает вопрос - какие конденсаторы ставить как на выход выпрямителя, так и на подпорку первичной обмотки трансформатора. Вопрос не праздный - хорошие импульсные конденсаторы найти оказалось нелегко.

Определимся для начала, какие конденсаторы нам нужны. По напряжению на вторичной шине - 35, 50 или 63В, гибкие выводы, по габаритным ограничениям - емкостью 1000 мкФ (50-63В), 2200 мкФ (35В). Для упрощения - ограничусь единственным номиналом 1000мкФ на 50В что примерно соответствует размеру 16*36мм для стандартных электролитов. За абсолютное начало отсчета примем широко доступную в Москве серию GS (Стандарт, 105С) тайваньской фирмы Ark Electronic. Для сравнения поставим рядом импульсный Ark SZ и чистопородных американцев Mallory.

Семейный альбом электролитов - Ключевые параметры

Конструктив. Сразу отсечем большие банки под винтовые клеммы, субминиатюрные (4-8мм) емкости, емкости с аксиальными выводами (удлиняется токовая петля, неэффективный монтаж) - ограничиваясь либо стандартными гибкими радиальными выводами либо жесткими выводами-крюками под клемму, их тоже можно распаивать на плату.

Температурный диапазон, срок эксплуатации (Lifetime), категория надежности (Reliability Grade). Срок эксплуатации и время наработки на отказ тесно увязано с верхней границе температурного диапазона. В зависимости от состава и технологии "упаковки" электролита верхняя граница устанавливается на уровне +85С (стандарт), +105С (повышенная), +125-140С (высокотемпературные емкости). Срок эксплуатации устанавливается именно для этой температуры, он составляет 1000 часов для стандартных типов и определяется как время, за которое параметры конденсатора, заряженного до предельно допустимого постоянного рабочего напряжения, гарантированно останутся в "зеленой зоне". Как правило, контролируются отклонения: емкости (20%), тангенса угла потерь (не выше +50% ) и тока утечки (не выше гарантированного максимума). Для импульсных электролитов - нормируют также повышение ЭПС и(или) полного импеданса.

1000 часов - смехотворно малый срок, пускай и заведомо заниженный. Зато при снижении температуры на каждые 10 градусов вплоть до +25С, срок эксплуатации удваивается. Таким образом, емкость с маркировкой 105С в равных условиях в 4 раза долговечнее емкости с маркировкой 85С! Учитывая напряженные условия жизни в автомобильном усилителе - ограничимся емкостями нормированными +105С и выше. Конденсаторы повышенной надежности/долговечности (бортовые) нормируются и на сроки более 1000 часов, вплоть до 20.000 часов, но это дефицит. По технологическим причинам получить высокую надежность в миниатюрном корпусе сложно, поэтому многие продвинутые серии гарантируют 5000+ часов для диаметра 10 мм и выше, а 8 мм и ниже - только 2000 часов.

Ток утечки (Leakage Current) конденсатора для нас не принципиален. Существуют емкости, специально нормированные на малый ток утечки. Порядок токов (для выбранного номинала на предельных U и Т) такой -

• Cтандарт (Ark GS 105C) : I(мА) < 0.03 C(мФ)U(В) = 1.5 мА
• Для импульсных БП (Ark SZ 105C) : I(мА) < 0.01 C(мФ)U(В) + 0.003 = 0.5 мА
• Улучшенный ток утечки (Ark SL 105C) : I(мА) < 0.002 C(мФ)U(В) = 0.1 мА
• У Mallory утечки примерно такие же

Для сетевого усилителя с емкостями порядка 40.000 мкФ ток утечки стандартных емкостей составит 80мА, мощность потерь при 63В - 5 Ватт, что не так уж существенно, тем более в реальной жизни на емкость подается не предельное напряжение, а существенно меньше. В автомобильном усилителе суммарная емкость в разы меньше, так что током уиечки пренебрегаем.

Внимание! В буржуйской литературе все динамические параметры ПО УМОЛЧАНИЮ нормируются на 120Гц, а не 50Гц как в ГОСТе.

Тангенс угла потерь (Dissipation Factor) всех стандартных конденсаторов укладывается в диапазон 0.15-0.25. Тангенс угла потерь "импульсных" вдвое меньше, порядка 0.06-0.15, причем 0.15 соответствует малым рабочим напряжениям, а 0.06-0.10 - напряжениям 50-100В. Именно по этой причине во входной, 12В цепи непосредственно перед первичкой трансформатора можно увидеть емкости, маркированные +35..+50В, хотя даже с учетом импульсных выбросов напряжение достаточно и +20-25В. На высоких (выше 100-150В) напряжениях тангенс потерь вновь возрастает.

Предельный ток пульсаций (Ripple Current) - принципиален для фильтров питания, чем больше тем лучше! Определяется конструктивом (омическое сопротивление обкладок и выводов) и характеристиками электролита. С повышением частоты пульсаций от примерно 10 Гц до 1кГц допустимый ток пульсаций повышается примерно с 75% до 125-150% от нормы, далее для стандартных емкостей высокий собственный импеданс принудительно ограничивает ток ниже нормы. С понижением температуры до 40-60С норма тока также повышается, но не более чем вдвое.

Порядок нормированных токов для нашего конденсатора (почувствуйте разницу)

• Cтандарт (Ark GS 105C) : I(max) = 0.95 А (120 Гц 105С)
• Стандарт (Mallory SK 85C) : I(max) = 1.35 А (120 Гц 85С)
• он же при 1 кГц, 65С : I(max) = 2.0 A
• Для импульсных БП (Ark SZ 105C) : I(max) = 1.4 А
• Для импульсных БП (Mallory SXR 105C) : I(max) = 0.83 А (120Гц 105С)
• он же при 120Гц, 65С : I(max) = 1.76 А
• он же при 100кГц, 105С: I(max) = 1.82 А
• он же при 100кГц, 65С: I(max) = 3.8 А

В отечественной практике используют норму предельных пульсаций НАПРЯЖЕНИЯ синуса 50 Гц на емкости. Этот параметр и ток пульсаций взаимозаменимы. Напряжение удобно тем, что для всей серии достаточно одного этого параметра, мало зависящего от емкости. А ток (для конкретного номинала) более приближен к физическому смыслу процессов, разрушающих емкость.

Эквивалентное последовательное сопротивление - основной показатель пригодности емкости для импульсных применений. Оно нормируется как правило только для импульсных электролитов

• Cтандарт (Ark GS 105C) : Не нормировано
• Стандарт (Mallory SK 85C) : 130 мОм (120 Гц 25С)
• Для импульсных БП (Ark SZ 105C) : 50 мОм (100 кГц 20С)
• Для импульсных БП (Mallory SXR 105C) : 130 мОм (100 кГц 25С)
• Cоветский К50-33 1000мкФ-63В : 100 мОм на 10-1000 кГц - совсем не плохо! Ниже 10 кГц оно линейно возрастает до примерно 0.75 Ома на 20 Гц. Правда, размер - 26*60 мм, вдвое больше буржуйских.

Есть мнение, что заменив один большой электролит на много маленьких в параллель, можно существенно понизить импеданс. Так ли это? Сравним наш 1000 мкФ конденсатор с двумя по 470 мкФ и десятью по 100 мкФ. Для Ark SZ:

• Z (1000) = 50мОм
• Z (470) = 80 мОм; Z (2*470) = 40 мОм
• Z (100) = 250 мОм; Z (10*100) = 25 мОм

Во первых, рассеивается заблуждение что у маленькой емкости сопротивление меньше, чем у большой. Нет, это у большой - меньше. Во-вторых, эффект есть, но проявляется только при большом отрыве номинала, и неправильная разводка трасс может даже ухудшить положение. Проверим на Mallory SXR:

• Z (1000) = 130мОм
• Z (470) = 280 мОм; Z (2*470) = 140 мОм
• Z (100) = 1330 мОм; Z (10*100) = 133 мОм

Опаньки! Никакого эффекта. Причем и абсолютная величина сопротивления в разы хуже тайваньца. То ли кто-то врет, то ли кто-то перестраховывается. A что если проверить на больших банках - например, наберем 0.2 Ф из конденсаторов серии Mallory СGR на 20В

• 51мФ: Z(51мФ) = 8.5 мОм, Z(4*51мФ) = 2.2 мОм, предельный общий ток 4*22=88А
• 20 мФ: Z(20мФ) = 8.5 мОм, Z(10*20мФ) = 0.85 мОм, предельный общий ток 10*17=170А
• 7.7 мФ: Z(7.7мФ) = 23 мОм, Z(26*7.7мФ) = 0.88 мОм, предельный общий ток 26*8=200А

Эффект проявляется только на верхних номиналах серии (от 51 к 20 мФ), там, где общий импеданс банки определяется сопротивлением выводов, и сходит на нет на "мелких" номиналах, когда импеданс начинает возрастать обратно пропорционально емкости. А индуктивность монтажа, скорее всего, приведет к ухудшению параметров, речь-то о миллиОмах и наноГенри. Так что, работая с конкретной серией, извольте либо искать подробную документацию, либо измерить емкость - но как это делать на токи в сотни ампер в кухонных условиях.... остается лишь испытанный временем метод Тыка.

Специальные типы электролитов - Буржуйская терминология

• Audio Grade - расплывчатый термин. В нее входят как высоколинейные, с большим током разряда емкости для фильтра питания, так и всевозможные неполярные "для кроссоверов", "проходные" и т.п. ублюдки массовых технологий. В таблицу я включил только что, что подходит под первую категорию
• Ballast - балластные для ЛДС и моторов, 160-400В, до 22 мкФ. Импульсные показатели - средние.
• Сomputer Grade - никак не относится к импульсным параметрам! Это промежуточный стандарт надежности, лучше бытового но хуже бортового, как правило нормируется 2000-3000 часов работы при несколько более жестких допусках на уход параметров.
• Deflection - для отклоняющей системы строчной развертки, 25..100В, емкость до 100 мкФ. Импульсные показатели - хорошие.
• High Energy - высокая энергия (большой ток) однократного разряда, в отличие от High Ripple Current - высокий ток пульсаций
• High Temperature - сверхвысокой надежности (бортовые), специфицированы на 125С и выше. Объем и вес в 4-8 раз больше стандарта.
• Photoflash - для фотовспышек, 300В, 1-100 мкФ, малый ток утечки, стандартные импульсные показатели.

Замечания о советских конденсаторах

Многие из них нормированы наработать на отказ 5000-10000 часов при 85С. Однако технические условия "отказа" включают 50% падение емкости, трехкратный рост тангенса угла потерь и утечки, что несопоставимо с современными буржуйскими стандартами.

Уже упомянутый К50-33 выпускается (до сих пор - Северо-Задонский завод) выпускается с 4-мя аксиальными выводами, что при длине конденсатора 60-90мм раздувает токовую петлю (в первичной цепи) до неприемлемой длины. Полное сопротивление нормировано на 10-1000 кГц и составляет для всех типономиналов от 30 до 100 мОм - это хорошо. Хуже то, что в течение эксплуатации допустим его трехкратный рост. Минимальная наработка на отказ (с учетом указанных выше рамок) - 2000 часов при 85С, 5000 часов при 70С. Это единственный подлинно ВЧ электролит в советской номенклатуре. Так называемые "импульсные" алюминиевые емкости К50И-1, К50-3И, 13, 17, 21, 23 и их родичи пусковые конденсаторы К50-19 - предназначены для цепей от 150 до 1000В и к нашим задачам неприменимы. Их сопротивление не нормируется.

Танталовые "таблетки" К53-28 выпускаются вплоть до предельного номинала 10мкФ*40В, 68мкФ*16В также с аксиальными выводами. При этом полное сопротивление 0.4-10 Ом (0.4Ом как раз для 10мкФ*40В, при габаритах таблетки 15*12*5мм). Ниобиевые К53-27, также с аксиальными выводами, выпускаются предельными номиналами 10мкФ*40В, 47 мкФ*20В, 220мкФ*16В. Нормируется сопротивление на частоте 200 кГц (для этих номиналов 0.3-1.0 Ома). Что касается широко распространенных полупроводниковых Al, Nb, Tl емкостей К53 других серий - ни одна из них не нормирована на сопротивление (или ток) на высоких частотах, так что и говорить не о чем. Да и удельная емкость - неприемлемо низкая.

Так что же ставить?

Вот выборка по типам алюминиевых конденсаторов фирм, представленных на московских базарах (исключая биполярные и под винтовое крепление). Никакого единообразия! Звездочкой выделены "банки", все прочие - с гибкими выводами. Ну а где искать - вы и сами сообразите, ищите и обрящете.