Что такое конденсатор, типы конденсаторов и их обозначение на схемах. Замена проходных конденсаторов магнетрона

Проходные конденсаторы – не новость в радиоэлектронной промышленности: они были открыты сразу за обычными двухобкладочными конденсаторами и находили применение в высокочастотных узлах ламповых устройств аппаратуры связи. Сегодня значение проходных конденсаторов представляется в новом ракурсе.

Увеличение рабочих частот цифровых интегральных схем является сейчас основной устойчивой тенденцией в электронике. Для уменьшения влияния помех на микросхемы устройства необходима стабилизация напряжения питания высокочастотных устройств и снижение влияния их работы на остальную часть электронного узла (развязка по питанию).

Обычно для таких целей используются многослойные керамические конденсаторы, монтируемые непосредственно в цепи питания высокочастотных узлов и рядом с многоцелевыми микросхемами. На частотах свыше 10 МГц эффективность фильтрации пульсаций резко падает из-за импеданса конденсатора (его внутренней индуктивности) – последовательного индуктивного сопротивления. И хотя специалисты-практики устанавливают чип-конденсаторы по питанию даже на частотах 2…3 ГГц и утверждают, что нет необходимости устанавливать сглаживающие конденсаторы на частотах свыше 10 МГц (якобы, таким эффектом можно пренебречь), речь идет об установке одного высокоэффективного проходного конденсатора вместо нескольких обычных чип конденсаторов. В случаях, когда источник питания удален от микросхем, работающих с сигналами высокой частоты, установка сглаживающих элементов необходима. Часто можно заметить на современных печатных платах «обвеску» микросхем, работающих на высокой частоте, многочисленными чип-конденсаторами, соединенными параллельно . Выводные (керамические, дисковые и подобные им) конденсаторы в данном случае применять нельзя из-за дополнительной индуктивности их выводов, существенно влияющей на подавление помех от высокочастотного узла. Особенно хорошо помеха и наводки хорошо фиксируются приборами при удалении электронного высокочастотного узла от источника питания.

Для решения этой проблемы производители конденсаторов выпускают специальные серии конденсаторов с максимально сниженной эквивалентной индуктивностью (ESL). При этом выводы таких чип конденсаторов располагаются по длинной стороне их корпуса, что позволяет снизить эквивалентную индуктивность примерно вдвое относительно тех типов, где выводы располагаются по коротким торцевым сторонам корпуса.

Однако, если устройство предназначено для работы в частотном диапазоне более 100 МГц, такого подхода недостаточно. Японская фирма«Murata» предложила свою разработку серии трехвыводных проходных конденсаторов высокой емкости. Это компактные чип-компоненты размерами 2,0×1,25 мм на основе диэлектрика X7R.

Сравнение конденсатора новой серии NFM18P с обычным многослойным керамическим конденсатором на практике показывает почти 10-кратное снижение импеданса у нового типа конденсатора на высоких частотах свыше 100 МГц, связанное со сниженной конструктивной индуктивностью.

Для примера приведу простой эксперимент, который можно повторить в любой оснащенной лаборатории. Нужен понадобятся источник питания, высокочастотный осциллограф и генератор с частотой 10 МГц, который можно собрать самостоятельно с микросхемой технологии КМОП. Подключим параллельно стабилизированному источнику питания с фиксированным постоянным напряжением 5 В любой генератор. Автор использовал генератор на микросхеме КР1561ЛЕ5, выдающий на выходе прямоугольные импульсы. Длина неэкранированных проводников от источника питания до генератора - 1м. Осциллографом зафиксируем уровень высокочастотных пульсаций на выводе питания микросхемы.

Амплитуда пульсаций составляет примерно 1 В, причем частота данной помехи соответствует частоте выходных импульсов генератора. Теперь подключим параллельно выводам питания микросхемы многослойный керамический конденсатор Murata MLCC 1206 X5R и снова взглянем на экран осциллографа. Помеха присутствует, но ее амплитуда уменьшилась до 0,65 В. Теперь вместо многослойного конденсатора с диэлектриком X5R включим проходной конденсатор NFM18PC105R (здесь проходной конденсатор включен в качестве фильтра) и замерим показания осциллографом в той же точке – непосредственно у выводов конденсатора, установленного вблизи микросхем. Уровень пульсаций сократился до 0,3 В. Примерно тот же эффект получается, если параллельно выводам питания (непосредственно у выводов микросхемы) установить 10 многослойных керамических конденсаторов марки MLCC 0201-2220 с диэлектриком X7R. Один трехвыводной конденсатор марки NFM18P заменяет по качеству фильтрации высокочастотных помех десять двухобкладочных (трехвыводных вывод от средней точки) многослойных конденсаторов. Причем, если есть возможность менять частоту генерации, можно убедиться, что с увеличением частоты высокочастотной помехи уровень пульсаций падает, и наоборот

Следует особо отметить высокую стабильность емкости конденсаторов в диапазоне 0,1-1 мкФ (благодаря рассмотренному типу диэлектрика). Малые габариты, высокая нагрузочная способность (ток до 6 А), низкий импеданс на частотах свыше 10 МГц делает использование проходных трехвыводных конденсаторов эффективным и привлекательным в высокочастотных узлах и практически пока безальтернативным в современных компактных устройствах, таких как портативные ВЧ/СВЧ-передатчики , радиостанции, игровые приставки, компьютеры и подобные им устройства.

В таблице приведены основные электрические характеристики некоторых изделий.

Таблица. Основные электрические характеристики трехвыводных проходных конденсаторов

Подробные справочные данные по многослойным керамическим конденсаторам большой емкости можно найти в справочной литературе и на сайте фирмы Murata.

Cтраница 1

Проходные конденсаторы используются в основном в цепях питания высокочастотных каскадов аппаратуры. При этом конденсатор с помощью упомянутой выше втулки крепится в отверстии металлического экрана (шасси, панели) каскада или блока, в цепи питания которого необходима фильтрация высокочастотной составляющей; втулка обеспечивает надежный контакт внешней обкладки конденсатора с экраном. К одному из концов среднего стержня подводится ток питания, а к другому подключается нагрузка.  

Проходные конденсаторы обеспечивают эффективную фильтрацию цепей питания.  

Проходные конденсаторы используются в качестве помехозащитных в цепях питания, например для устранения помех радиоприему, создаваемых искрением щеток электрических машин. Для этого токонесущий провод от источника питания, создающего помехи, присоединяется к одному из концов стержня конденсатора КБП, а провод от нагрузки - к другому концу стержня. При этом рабочий ток (постоянный или переменный) от источника питания проходит к нагрузке по стержню конденсатора, а большая часть тока высокочастотной помехи за мыкается через конденсатор на корпус, так как емкостное сопротивление конденсатора для тока высокочастотной помехи невелико. Даже если рабочий переменный ток имеет повышенную частоту (порядка сотен герц), емкостное сопротивление конденсатора для этого тока значительно выше, чем для тока высокочастотной помехи.  

Проходные конденсаторы применяются для фильтрации токов высокой частоты в цепях питания и для различных блокировок, действие которых должно быть, эффективно в весьма широком диапазоне частот.  

Проходные конденсаторы С, обеспечивающие развязку схемы управления с внешними цепями по току управления, могут в зависимости от частотного диапазона выполняться по-разному, в частности, в виде конструктивного зазора в токонесущем проводнике. При использовании микрополосковых линий проходные конденсаторы устанавливаются в разрыв между полосковыми проводниками и могут обеспечивать КСВ не более 1 05 в широкой полосе частот, достигающей нескольких октав. Блокировочные конденсаторы Сб предназначены для развязки каналов переключателя по цепям питания, а также для того, чтобы входное сопротивление источника питания не влияло на передачу СВЧ энергии через переключатель.  

Проходные конденсаторы СЗ, С4 и С5 предотвращают попадание на низкочастотные цепи высокочастотных колебаний из генераторного отсека, а также излучение радиопомех.  

Увеличение рабочих частот цифровых интегральных схем является сейчас основной устойчивой тенденцией в электронике. Но наряду с увеличением частоты часто происходит и увеличение энергопотребления. Потому актуальна задача стабилизации питания высокочастотных узлов и снижение влияния их работы на остальную часть электронной схемы – так называемая развязка по питанию.

Обычно для этих целей используются многослойные керамические конденсаторы, монтируемые непосредственно в цепи питания высокочастотных узлов. Но на частотах свыше 10 МГц эффективность фильтрации пульсаций ими резко падает. Связано это с ростом импеданса конденсатора из-за наличия у него индуктивности и, соответственно, эквивалентного последовательного индуктивного сопротивления. Потому инженеры начали обвешивать высокочастотные микросхемы и узлы множеством соединенных параллельно керамических чип-конденсаторов, подобно гирляндам для новогодних елок. Об использовании выводных конденсаторов здесь не может идти речи из-за дополнительной индуктивности выводов.

Большинство производителей конденсаторов для решения этой проблемы выпускают специальные серии конденсаторов со сниженной эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL). Для этих целей выводы конденсаторов располагают по длинной стороне (рис.1). При подобном исполнении удается снизить конструктивную индуктивность примерно вдвое.

Но даже этот уровень индуктивности не является достаточно низким для современных высокочастотных схем, зачастую работающих в диапазоне свыше 100 МГц. Да и емкость подобных конденсаторов у большинства производителей, ограниченная, обычно, номиналом в 0.2 мкФ, не позволяет добиться высокой эффективности подавления высокочастотных помех при их использовании в силовых цепях высокочастотных устройств.

Интересное решение в этой области предлагает японская фирма Murata. Ею разработана серия трехвыводных проходных конденсаторов высокой емкости и высокой нагрузочной способности, включающая исключительно компактные изделия размером 1.6´0.8 мм и емкостью в 1мкФ на основе диэлектрика X7R. Внешний вид этих изделий представлен на рис.1. Эквивалентная электрическая схема – на рис.2, а в таб.1 даны основные характеристики некоторых изделий данной серии.

Таб.1

Рис.2

Сравнение одного из конденсаторов новой серии NFM18PC105R с обычными многослойными керамическими конденсаторами и с конденсаторами с пониженной индуктивностью аналогичных емкостей, представлено на рис.3. Там показано примерно 10-кратное снижение импеданса у NFM18PC105R на высоких частотах, связанное с его сниженной конструктивной индуктивностью.

Рис.3

Примечание к рисунку: Так как конденсаторы с выводами по длинной стороне корпуса с размерами 1.6х0.8 на 1мкФ серийно не выпускаются, исследователи использовали для данного сравнения такой же конденсатор с размерами 2.0х1.25.

Известно, что при параллельном включении конденсаторов суммарная эффективная индуктивность подобной схемы уменьшается. На рис.4 представлены результаты сравнения одного и десяти параллельно включенных многослойных конденсаторов с одним трехвыводным конденсатором NFM18P. Как видно, один трехвыводной конденсатор заменяет по качеству фильтрации высокочастотных помех 10 обычных многослойных керамических.

Рис.4

Следует отдельно отметить высокую для номиналов 0.1-1.0мкФ стабильность емкости, благодаря диэлектрику X7R, использованному при производстве большинства представленных в таб.1 конденсаторов. Малые габариты, высокая нагрузочная способность – до 6А, исключительно низкий импеданс на частотах свыше 10 МГц делает использование этих изделий исключительно привлекательным во множестве высокочастотных схем, и безальтернативными в современных компактных устройствах, таких как переносные ВЧ/СВЧ передатчики, игровые приставки, карманные компьютеры.

Валерий Степуков

Керамические проходные конденсаторы обеспечивают надежную защиту от внутренних помех, а благодаря своей компактности и упрощенной конструкции монтажной платы очень удобны для использования в фильтрах электромагнитной совместимости (ЭМС).

Электромагнитные помехи, возникающие при работе различного электрооборудования, бывают двух видов - внешние и внутренние.

• Внешние электромагнитные помехи - это помехи от различных внешних источников (например, радио, высоковольтного оборудования и других устройств). Специальные устройства обеспечивают защиту электрических систем от внешних помех, а в идеальном случае источник внешних помех тоже обеспечивается системой защиты от помех.
• Внутренние электромагнитные помехи исходят от электронных компонентов, находящихся в одной или в соседних электрических цепях. В процессе работы антенны, процессоры, программные платы и другие устройства излучают электромагнитные волны, которые распространяются по печатным проводникам и накладываются на информационные сигналы, искажая их. Однако часто бывает, что исключить из электрической цепи источник помех невозможно, так как система не будет работать.

Фильтры ЭМС позволяют осуществить электрическую развязку источников помех и оборудования, которое нужно от этих помех защитить, не нарушая работоспособности системы. Они устраняют помехи, разряжая их сигналы на «землю». Фильтры ЭМС позволяют защитить электрооборудование как от внутренних, так и от внешних помех и предотвращают распространение помех по печатным проводникам.

Защита от электромагнитных помех обычно осуществляется с помощью пассивных компонентов. По мере ужесточения требований к ЭМС появляется необходимость в улучшении свойств ЭМС пассивных компонентов.

Фильтры ЭМС создаются на базе конденсаторов, а также LC- или RC-цепей. Фильтры на основе LC- и RC-цепей не всегда позволяют получить необходимое понижение уровня помех, имеют сложную конструкцию и требуют много места для монтажа. Фильтры на основе стандартных керамических конденсаторов тоже занимают много места и не дают достаточного снижения уровня помех в электрических цепях.

Проходные керамические конденсаторы позволяют создать надежную защиту от электромагнитных помех и идеально подходят для фильтров ЭМС. С их помощью можно осуществлять хорошую фильтрацию и понижение помех на радиочастотах, они имеют компактные размеры (0805 или 1206) и простую конструкцию.

Проходные конденсаторы изготавливаются из того же материала (COG, X7R), что и стандартные керамические конденсаторы, производятся по одинаковой технологии и имеют сходные технические преимущества: простоту работы, компактную конструкцию и широкий диапазон рабочих температур.

В отличие от стандартных, проходные конденсаторы имеют 3 полюса (4 внешних вывода). Между 1-м и 2-м полюсами этого конденсатора емкости нет (проходной конденсатор), а между 1-м и 3-м или 2-м и 3-м полюсами - есть. Базовая конструкция проходного конденсатора показана на рис. 1, а его графическое изображение - на схеме (рис. 2).

Схема работы такого конденсатора довольно проста. Сигнал вместе с наложенными на него помехами поступает на полюс 1 (вход) конденсатора. Помехи отфильтровываются с помощью емкости и разряжаются на «землю» через полюс 3 («земля»). Сигнал, очищенный от помех, выходит из конденсатора через полюс 2 (выход). Набор помехоподавляющих проходных конденсаторов показан на рис. 3. Наборы конденсаторов необходимо применять в случаях, когда к защищаемому фильтром ЭМС оборудованию подключается несколько линий связи. Использование наборов проходных конденсаторов позволяет снизить время на монтаж фильтра ЭМС и сэкономить место на печатной плате.

Стандартный конденсатор из материала X7R с типоразмером корпуса 1206 и номинальной емкостью 2,2 нФ дает максимальное вносимое затухание 36 дБ и имеет резонансную частоту около 120 МГц (рис. 6), в то время как проходной конденсатор из того же материала, с тем же типоразмером корпуса и емкостью вносит максимальное затухание 45 дБ, а его резонансная частота составляет примерно 280 МГц.

Аналогичная ситуация наблюдается и при большем значении номинальной емкости (рис. 7): вносимое затухание выше, однако резонансная частота снижается вследствие увеличения емкости.

С помощью проходных конденсаторов гашение этих помех может производиться непосредственно в линии. Проходной конденсатор можно устанавить прямо на линию связи. Все конденсаторы можно совместно подключить к «земле» (то есть «земля» у них будет общая), тогда для их установки на печатной плате потребуется меньше места. Пример подключения проходных конденсаторов к «земле» и линиям связи показан на рис. 9. Еще более выгодно и эффективно применять наборы проходных конденсаторов (рис. 10).

Проходные конденсаторы можно использовать и на пересекающихся проводниках (рис. 11).

Итак, проходные конденсаторы прекрасно подходят для использования в фильтрах ЭМС. Основные свойства этих конденсаторов:

• низкие электрические потери;
• значительное подавление помех;
• работа на радиочастотах;
• компактность;
• широкий диапазон рабочих температур –40 ... +125 С;
• низкая стоимость по сравнению со сложными помехоподавляющими фильтрами на основе фильтрующих цепей.

Благодаря своим свойствам проходные керамические конденсаторы находят широкое применение в различных областях: автомобильной электронике, телекоммуникациях, персональных компьютерах, портативных компьютерах, промышленной электронике, мобильных телефонах и многих других.

Питание магнетрона, в микроволновой печи, осуществляется через встроенный фильтр, который состоит из двух катушек индуктивности и двух проходных конденсаторов. Данный фильтр предназначен для фильтрации напряжения питания магнетрона. Внешний вид и схема фильтра изображены на рисунке 1., а работает он приблизительно так же, как и .

Рисунок 1

На теме определения неисправности конденсаторов, здесь останавливаться не будем, об этом можно почитать в статье , рассмотрим только сам процесс замены проходных конденсаторов. Проходные конденсаторы магнетрона размещаются в пластиковом корпусе с фланцем для крепления (Рисунок 2 – правая часть). Проводники связанные с крайними (по схеме) обкладками конденсаторов, с одной стороны выведены под клеммы питания, а с другой под выводы для соединения с катушками фильтра. Вторая обкладка каждого конденсатора, внутри корпуса соединяется с фланцем крепления. Вся конструкция – является не разборной и дополнительно служит в качестве изолятора выводов питания магнетрона. Фланец крепления конденсаторов расположен внутри коробки фильтра, а крепится к ней посредством вытянутых заклепок и крепежных лепестков. Выводы конденсаторов и катушки фильтра соединены при помощи контактной сварки.

Рисунок 2

Любую операцию по замене неисправного элемента можно разделить на два этапа: демонтаж неисправного элемента и затем установка нового. Для демонтажа неисправных конденсаторов необходимо:

1. Снять крышку коробки фильтра магнетрона.
2. Отсоединить выводы катушек фильтра от выводов конденсаторов (Рисунок 2). Для этого воспользуйтесь бокорезами и откусите выводы катушек как можно ближе к месту контактной сварки.
3. Отогнуть крепежные лепестки. Поддеть фланец крепления конденсаторов плоским, острым инструментом и разъединить клепочное соединение.
4. Извлечь неисправные конденсаторы.

Вот и все, демонтаж завешен. Остается установить новую деталь.

Процесс монтажа будет несколько интереснее.

1. Перед установкой исправных конденсаторов, тщательно зачистите выводы катушек фильтра (снимите эмаль с провода). Если вы взяли, в качестве донора конденсаторы со старого магнетрона, вышедшего из строя по другой причине, то удалите с выводов остатки контактной сварки и так же тщательно зачистите их при помощи надфиля или наждачной бумаги.
2. Далее, нужно установить исправный элемент на свое место и надежно соединить фланец крепления конденсаторов с корпусом магнетрона. Если попытки закрепить фланец при помощи родного крепежа ни к чему хорошему не привели, попробуйте другой способ. Фланец можно расположить снаружи коробки фильтра и притянуть с помощью самореозов подходящей длины и диаметра, вкрутив их в отверстия от заклепок. Для этих целей можно так же применить обычные винты М3 с гайками. Расположение фланца относительно корпуса коробки фильтра (внутри или снаружи) на работу магнетрона никак не повлияет. Главное надежный контакт.
3. Затем, выгибаем выводы катушек фильтра, накладываем их на выводы конденсаторов и соединяем их с помощью контактной сварки.
4. Закрываем коробку фильтра крышкой. Все, магнетрон готов к работе.

Все просто, не правда ли? Но, просто наверное, только для счастливых обладателей аппаратов контактной сварки, а таких, я уверен меньшинство, среди читающих эту статью. Остальных, наверное, очень смущает третий пункт по монтажу. Действительно, надежно соединить конденсаторы с катушками без применения контактной сварки не так уж просто. Первое, что приходит в голову, это воспользоваться обычным паяльником и спаять выводы между собой. Такой способ соединения поможет, но очень не надолго. Дело в том, что при работе магнетрона, выделяется довольно много тепла. Греется и корпус магнетрона, и все элементы его конструкции, включая детали фильтра. Эта температура, конечно, не доходит до температуры плавления припоя (приблизительно 300 градусов по С), но ее вполне достаточно для нарушения механической прочности пайки. После продолжительной работы печи припой размягчится, а далее даже самая не значительная вибрация, например, от работы вентилятора, закончит разрушительный процесс. Выводы отвалятся друг от друга, и печь снова перестанет работать.

Хочу предложить два способа решения этой проблемы. Оба способа не раз успешно применялись на практике. В первом случае, все же воспользуемся паяльником. Но, применим не просто пайку, а армированную пайку. Для этого, в третьем пункте по монтажу выполним следующие действия:

А) Выгибаем свободные выводы катушек фильтра, таким образом, что бы они пересеклись с выводами конденсаторов под прямым углом (или приблизительно так). Возможно для этого, вам придется отмотать один виток катушки. Это конечно несколько изменит параметры фильтра, но не критично. И те и другие выводы, перед этим должны быть тщательно зачищены.

Б) Берем не большой отрезок обычного, многожильного (обязательно многожильного!), монтажного провода. Очищаем его от изоляции. Затем, очищенным проводом приматываем выводы катушек фильтра к выводам конденсаторов крест на крест и делаем скрутку. Скрутка должна получиться по возможности как можно туже. С помощью бокорезов удаляем лишний провод.

В) Хорошо нагретым паяльником тщательно прогреваем место скрутки и заливаем припоем. Тщательность прогрева очень важна, расплавленный припой должен протечь практически между каждой жилкой монтажного провода и равномерно распределиться по всему месту пайки. Во время процесса пайки не жалейте флюса – канифоли. Если во время прогрева припой не растекается, а получается, что-то типа каши, то следует увеличить температуру жала паяльника или применить более мощный. Иначе соединение будет не надежным.

Рисунок 3

Должно получиться, что-то похожее на то, что изображено на рисунке 3 справа. Выглядит не очень эстетично, но вполне надежно. Кого волнует эстетическая сторона этого вопроса, тот при желании может обработать место пайки надфилем или напильником, придав соединению более привлекательный вид. Такой метод пайки позволяет немного увеличить теплоемкость соединения и значительно повысить его механическую прочность.

Во втором способе все намного проще. Паяльник откладываем в сторону и делаем следующее:

А) Так же как и в первом способе зачищаем выводы. Выгибаем выводы катушек, но теперь располагаем их встык с выводами конденсаторов.

Б) Берем два коннектора с винтами, такие как изображены на рисунке 4 слева или другие но, подходящие по внутреннему диаметру. Извлекаем их из изоляции.

В) Надеваем коннекторы одним концом на выводы конденсаторов, другим на выводы катушек. Затягиваем крепежные винты.

Рисунок 4

На выходе должно получиться так, как изображено на рисунке 4 справа. Для того, что бы избежать самопроизвольного раскручивания винтов коннекторов под воздействием вибрации во время работы печи, каждый винт стоит зафиксировать каплей термостойкого лака или краски. После выполнения пункта 4 по монтажу, процесс замены проходных конденсаторов можно считать завершенным. Как в первом, так и во втором случае, магнетрон готов к дальнейшей эксплуатации.

Конечно, кто-то может использовать и другие, может даже более удачные методы замены проходных конденсаторов. Но в этой статье, я просто поделился своим личным опытом. На практике, если честно, я преимущественно применял первый метод замены. Ни одна микроволновая печь, отремонтированная таким способом, назад не вернулась. Буду очень рад, если в этой статье вы найдете ответы на возникшие у вас вопросы. Удачи в ремонте Господа!