Керамические SMD-конденсаторы в металлодетекторах

Металлодетектор и керамический SMD-конденсатор… Что их связывает? В этой статье хочу поднять вопрос о таком важном радиоэлектронном компоненте как конденсатор. И поговорить именно о керамических SMD-конденсаторах, которые сегодня можно встретить чуть ли не в каждой поделке, любительском устройстве или профессионально выполненном оборудовании. Везде, где только можно представить себе электронику, скорее всего, вы обнаружите присутствие этих маленьких элементов, без которых не обходится ни один современный прибор, система, устройство.

Разумеется мы находим их и в любом из современных металлодетекторов. В этой статье я не стану рассказывать читателю что такое конденсатор и как он работает, зачем необходим в схемах, какие вопросы решает, какими бывают конденсаторы и тому подобных вещей. Пожалуй, это тоже очень интересная тема для обсуждения в кругу новичков, только начинающих разбираться в премудростях электроники. Но сегодня я хотел бы говорить больше не для новичков, а для вполне сформировавшихся электронщиков, но которые ( как показывает мой личный опыт общения ) очень часто либо не задумываются о тех моментах, о которых я буду говорить чуть ниже, либо вообще не знают о существовании проблем, которые поднимает данная статья. Итак, о чём же пойдёт речь?

Введение.

Поговорим мы большей частью о правильном применении керамических конденсаторов, а также о том, как правильно вести их монтаж на печатные платы своих металлодетекторов и других электронных устройств. Поскольку последние лет 7 посвятил такому интересному своему хобби как приборный поиск с металлодетекторами, то и рассматривать вопросы, которые я обозначил, будем на примере схем, реализующих функции обнаружения и дискриминации металлов, то есть металлодетекторов. Однако всё что здесь будет сказано, разумеется справедливо и распространяется и на другие отрасли электроники. От того, где или в каком виде приборов ( в каком направлении электроники ) применяется конденсатор, не зависит ни то как он себя ведёт, ни то как правильно его применять, следуя указаниям технической документации от изготовителя.

Итак, начнём… Сентенция первая.

1. Ну и чем же это я тебе понравился? Почему я?

Спросил бы конденсатор, лёжа в своей упаковке и мечтая о крутых миссиях, которые могут потенциально выпасть на его нелёгкую долю. И, знаете друзья, был бы абсолютно прав. Здесь самое время было бы спросить в первую очередь себя да и вас тоже: а как ты, дорогой дружище, выбираешь конденсаторы, которые собираешься запаивать в свои поделки, приборы, устройства? Нет, разумеется, что все мы без исключения ( искренне надеюсь на то ) понимаем и знаем что такое Bill of materials (BOM) или по-русски — список комплектующих, который, как правило, прилагается к любому сколь-нибудь маломальски серьёзному проекту и в соответствие с которым мы с вами и производим закупки тех или иных компонент, значащихся в этом списке в магазинах, торгующих радиоэлектронными компонентами. Всё это верно. Без BOM — никуда! Тяжело жить без BOM! 🙂

Вездесущий BOM

Однако, давайте глубже закопаемся в эту тему, применительно к нашим с вами металлоискателям. Всегда ли в список компонент для сборки наших металлодетекторов попадает вся важная информация? Понятное дело, что попадёт она туда или нет и какая именно попадает всецело зависит только от того, кто проектировал устройство, которое вы вдруг захотели повторить и насколько серьёзно и профессионально данный разработчик подошёл к теме.

Признаться, я и сам — далеко не идеален в этом смысле. Но и говорить о том, что я видел идеально составленные кем-то из коллег BOM — тоже не правда. Сколько не приходилось что-либо повторять в том числе и паяя не один свой металлодетектор: Фортуны, Квазары — ни разу не встречал подробно и классно составленного BOM! Ну, так, чтобы ух, чтобы досконально! Не знаю, возможно разработчики так поступают намеренно, а возможно и просто полагая, что те, кто будут повторять столь сложный микроконтроллерный аппарат, наверняка в курсе что и как и «с чем едят» каждую деталюху их детища. Я полагаю, что скорее всего это — второе.

Я и сам, признаться, в большинстве случаев, пожалуй, именно такой и именно так склонен поступать. В моём подсознании сидит: «ну как этого можно не знать? Раз я знаю — значит знают и все». Но практика показывает, что это далеко не так. И более того, люди, которые в большинстве своём заняты сборкой металлодетекторов различного толка очень часто и густо не имеют ни соответствующего образования, ни достаточного опыта или хотя бы приличного уровня начитанности в данной предметной области. И именно эти минусы приводят к некоторым часто печальным результатам. Каким? — спросите вы. Отвечу небольшим гипотетическим рассказом, который, я надеюсь, поймёт каждый из читающих эту статью. Начну.

Поход в магазин за конденсаторами

Предположим я тот, о ком только что написал. Я умею держать паяльник в руках. Довольно-таки неплохо научился паять разную всячину и даже представляю себе что такое напряжение и ток. Хорошо представляю и даже испытывал их действие не раз на своей шкуре. И вот я решил собрать себе металлодетектор. Бывает такое? Да сколько угодно! И вот иду я в ближайший магазин радиоэлектронных компонент ( пусть это будет условный «Космодром» ) и закупаю все керамические конденсаторы, значащиеся в том самом списке BOM. Знакомо? Конечно же! Как я это делаю, друзья? Ну, знамо, как! Беру список и вперёд! Главное — чтоб денег хватило! 🙂 Ну, а что в том списке я прочитал и что увидел? Давайте я не буду выдумывать, а просто возьму сейчас да и приложу сюда скан от списка деталей от Фортуны-S, например. Идёт? Классная идея пришла в голову — чтобы не быть голословным. Итак…

Что же мы здесь видим? Что даёт мне этот список в части приобретения нужных керамических SMD-конденсаторов? Ну, слава — Богу, все номиналы присутствуют. И даже понятен их типоразмер! Он значится как 1206. Ещё бы! Список то не абы кто составлял! Всё как нужно! Всё по феншую! Более того, друзья, здесь мы видим настоятельную рекомендацию автора разработки ставить определённые конденсаторы с определённым типом диэлектрика! И это тоже идёт в плюс автору! По крайней мере, мне как спецу понятно, что автор позаботился о тех, кто в танке и не имеет ни малейшего представления о том, что такое диэлектрик, но всё равно станет паять Фортуну-S самостоятельно. А таковых, я вас уверяю — достаточно.
Например, конденсаторы с позиционными номерами C2, C3, C24, C25 ( вторая строка сверху ) имеют номинал 150 пф ( пикофарад ) и рекомендуемый автором разработки диэлектрик, который обозначается как NPO. Кому интересно узнать более подробно о всех типах диэлектриков, применяемых в изготовлении керамических SMD-конденсаторов, сделайте милость — погуглите сами, вы легко найдёте кучу ссылок на интереснейшие ресурсы по этой теме. Сейчас же не об этом или точнее — не только об этом. Этот тип диэлектрика говорит о том, что данные конденсаторы должны быть с минимальным температурным коэффициентом ёмкости ( так называемым ТКЕ ), то есть именно эти 4 конденсатора должны по-минимуму реагировать на изменения температуры окружающей среды. То есть как бы она не изменялась туда-сюда, наши 4 конденсатора должны ( желательно ) чётко держать свою ёмкость в 150 пикофарад. Я не хочу сейчас поднимать схему Фортуны-S и комментировать нужно это в принципе там или нет, для нас сейчас это не важно. Но важен сам факт, что такие указания в списке деталей нам даны и это очень хорошо! Ну, а дальше я как покупатель подхожу к прилавку «Космодрома» и прошу продавца продать мне именно такие конденсаторы: 150 пф с диэлектриком NPO. И он с радостью мне их продаёт. Классно? Ну, да, разумеется!!! Ууууррраааа!!!!

Время запаять конденсаторы!

И я радый и по уши счастливый, как слон после бани, вылетаю пулей из магазина, направляясь домой к паяльной станции и по пути прокручивая в мозгу: «как же классно и красиво я сейчас посажу их на самый лучший в мире припой!» 🙂 Всё это так… И вот я прихожу и запаиваю конденсаторы на свои места. Есть! Круто! Да, всё хорошо. Всё пока идёт по плану! Но вот образованный и опытный электронщик наверняка уже заметил один серьёзный подвох, который присутствует в том списке. А именно — тот список нам вообще никак не говорит о том, а на какие же напряжения должны быть рассчитаны применяемые нами там конденсаторы. Да и я, когда покупал, никак не сориентировал продавца в этой связи. Он просто дал мне то, что я у него попросил. О напряжении вообще и речи не было! Да это и не указано в списке! Так ведь? Да, так! И это плохо! Сейчас поясню почему.

Разбор полётов…

Дело всё в том, что наши с вами SMD-конденсаторы, в отличие от их выводных собратьев, очень плохо держат свою ёмкость при увеличении рабочего напряжения на их обкладках. При этом, если бы вы посмотрели в даташит на те конденсаторы, которые собираетесь запаять, то наверное примерно 50% из вас, скорее всего, опешило бы. Почему? А потому что в любом даташите на такие конденсаторы вы найдёте график зависимости ёмкости конденсаторов от рабочего напряжения. Ну и что? — скажете вы. Ведь я наверняка купил кондёры с заведомым запасом по напряжению. Если вы так сделали — это просто замечательно!

Но не всегда так бывает! Уверяю вас! SMD-конденсаторы, например типоразмера 1206, бывают и на 10 вольт и на 16 вольт и даже на 5, если я не ошибаюсь. И какие конкретно продали Вам, когда Вы даже не заикнулись о рабочем напряжении — одному Богу известно! Ну, ещё и конденсатору тому тоже известно. Но он, гад, молчит! Пока молчит… А когда Вы приложите к нему рабочее напряжение скажем в 10 вольт, которое ( допустим ) является для него почти предельным ( пусть он рассчитан на 16V ), то следуя тому, что для него прописывает техпроцесс и график — он уменьшит свою ёмкость примерно на 40…60% !!! Да, да! Не смущайтесь так! Вот такие они, эти наши друзья SMD-керамика! Чтобы не быть голословным приведу эти графики, взятые из документации на распространённые одни из самых крутых ( подчеркну ) конденсаторы фирмы Murrata.

Как я и говорил выше, на графике видим снижение ёмкости ровно в 2 раза (или на 50%) на максимальном рабочем напряжении (в данном случае это 50 Вольтовые кондёры). Но точно также, поверьте, будут вести себя и все другие конденсаторы этого или аналогичного класса. Справедливости ради, замечу, что существуют керамические SMD-конденсаторы, которые менее подвержены данному эффекту. Почти вдвое меньше, но всё же… Да и найти такие, поверьте — тот ещё квест! Про цену на такие я просто промолчу. Уверен, что не всякий из нас сходу полез бы в карман за кошельком, не раздумывая и не сомневаясь!

Некоторые выводы

Именно по этой причине, о которой я сейчас говорил крайне важно понимать какие и куда именно вы «тыкаете» конденсаторы !!! Бывает ( и думаю, что не редко ), что запаяет человек какую-то схему или узел и потом сидит и кучу времени тратит на то, чтобы отладить, даже не подозревая при этом, что всё дело в том, что параметры элементов, которые он туда влепил, вылетели как пробка из бутылки из под Шампанского в такие дали, что… Ну, вы меня поняли.
Да, и именно по этой причине крайне важно указывать в BOM напряжения, на которые вы, как разработчики, рассчитываете допуски конденсаторов. Разумеется, здесь стоит сказать о том, что не во всяких и не во всех узлах устройств и абсолютно любых схем все эти «детали и тонкости» крайне важны. Бывает, конечно же, так, что можно спокойно плевать на то имеет ли конденсатор ёмкость 47nF или 22nF. Но это далеко не всегда и не везде! Как вы понимаете, дорогой читатель, поскольку я сказал, что рассмотрю эти проблемы в свете применения именно в металлодетекторах, то вынужден просто сказать и предупредить всех нас, что для МД это бывает критически важно! Нет, я не буду с вами спорить, если вы мне возразите, что, дескать, в фильтрах по питанию мы можем ставить плюс-минус километр по ёмкости…. Соглашусь. Но все ли конденсаторы у нас стоят в наших Фортунах и Квазарах как фильтры по питанию? Далеко не все! Именно по этой причине ( в том числе ) иногда ваши приборы работают гораздо хуже, чем те, которые собирают люди, знающие об этих ньюансах и тонкостях и правильно подбирают элементы для своих приборов. Делайте выводы, господа! И больше не «покупайтесь» на подобные «проколы».

Моя рекомендация в связи с вышеизложенным крайне проста. Точнее их две или даже три ( если включать и разработчиков ):

• когда ставите в тот или иной узел конденсатор проанализируйте как сильно будут меняться параметры вашего устройства (в нашем случае наших МД) , если ёмкость конденсатора «уедет» по тем или иным причинам
• покупайте или заказывайте в онлайн-магазинах конденсаторы с хорошим запасом по напряжению. Как вы видите из графика, если бы мы взяли конденсаторы не на 16Вольт, а на 50 (именно такой приведен выше на графике), то при наших питающих напряжениях в наших металлоискателях, а это примерно 3.3…5 Вольт, ничего бы страшного вообще бы не произошло. А точнее вообще бы ничего не менялось (в смысле ёмкости).
• Для тех, кто тяготеет к разработкам электроники — пользуйтесь при выборе тех или иных элементов схем ( в частности конденсаторов ) специализированными инструментами от фирм-разработчиков. Правильно выбрать конденсатор, скажу я вам — та ещё задача. Например, приведу здесь один из таких инструментариев от той же Murrata:

Как видите, правильно и вменяемо выбрать тот или иной конденсатор — тоже стоит посидеть и подумать. Ну, это если стараться и думать и о схеме в целом и о людях, которые потом будут это всё применять и пользоваться. Итак, мы плавно подошли к моменту, когда нужно переходить к… Да, да!

Итак, сентенция вторая и последняя.

2. Ну и зачем же ты меня так жаришь?

Теперь — ещё об одном крайне важном моменте. О режиме пайки SMD-конденсаторов. Как показывает мой личный опыт: на эту особенность, на эту «тонкость» сейчас вообще мало кто обращает сколь-нибудь серьёзное и должное внимание. И очень зря! Это стоило бы делать в самую первую очередь! И вот почему. В этой связи хотел бы рассказать одну очень поучительную историю. Историю из своей с одним моим другом мастером, клепающим Квазары, реальной практики. Было это уже лет 5 назад. Приходит к нам в магазин Саня — так зовут друга. Он покупал у нас SMD-керамику для Квазара. А теперь приходит и жалуется на то, что мы ему продали вместо конденсаторов резисторы. Мы все в шоке. Я успокаиваю «клиента» и все в недоумении: как такое может быть?! Кинулись смотреть катушки конденсаторов. Взяли на тест. Нет! Всё в норме! Проверили добрую сотню штук хорошим, правильным С-метром! Всё в норме! Все 100 штук!!! Но тут я, вспомнил о том, что кроме основных параметров, в даташитах производитель приводит ещё много параметров на свои изделия, не последними из которых является температура пайки компонент на плату. Ну, я и спрашиваю Саню: «Сань, а как ты их паяешь?» Признаться, я не ожидал другого ответа кроме как: «Ну, как-как? — Паяльником!» Не, говорю, то и коню ясно, что паяльником! Какая температура пайки? На что получил ответ: «Ты шутишь? Что я ещё и температуру мерить буду?»
Но я не шутил. Я знал, что температура пайки — крайне важный параметр, который стоит выдерживать по техническим условиям ( даташит — по буржуйски ). Это только на первый или на неопытный взгляд этот параметр можно «за ногу и об забор». Нет! И ещё раз — НЕТ ! Путём несложных распросов-допросов, мне удалось выяснить, что паяются платы обычным паяльником, даже без контроля температуры. Я тут же сделал вывод, что мы имеем классический случай деградации диэлектрика в конденсаторе. И наш, вполне себе классный конденсатор, будучи изнасилованным при монтаже на плату, со временем становился прекраснейшим резистором сопротивлением примерно от 60 К до 120К.
Согласитесь, величины для наших точнейших приборов совершенно не малые. Подобного рода спонтанные изменения в схеме устройства, понятное дело, приводят в шок не только разработчиков, но и тех, кому «повезло» стать счастливым обладателем подобного рода «недоработок».

Опять-таки, чтобы не быть голословным и не «тереть по ушам», приведу здесь выдержку из даташита всё той же фирмы Murrata на её один из типов конденсаторов:

Возможно, на скрине не достаточно хорошо видны параметры, о которых идёт речь в тексте, но вы, друзья, с лёгкостью можете сами зайти на сайт фирмы Murrata и посмотреть даташит на любой из тех конденсаторов, которые потенциально вы могли бы применить в своих Фортунах, Квазарах, Кощеях, Кротах и пр. МД. Например, я брал вот этот здесь

Итак, что мы видим здесь, в приведенной таблице? Есть такая графа «Паяемость». Она говорит о том, при каких условиях и как обеспечивается нормальная и правильная пайка конденсаторов данного типа. Что бросается сразу в глаза? Первое, что замечаем — они рекомендуют в виде флюса использовать флюс на основе канифоли, а точнее раствор этанола ( взятого 25% по масcе ) с канифолью. Об этом я уже писал недавно вот в этой статье.

Второе, на что следует обратить особое внимание — температура пайки. Она составляет 245 +/- 5 градусов по Цельсию в течение 2 секунд !!!
Документ нам говорит, что этого вполне достаточно, чтобы на отлично запаять компонент! Третье что я вижу — рекомендуемый тип припоя: безсвинцовый.
Надо же, скажете вы, а вот в этой же статье, что указал выше , ты раскритиковал данный вид припоев! Что скажешь в своё оправдание? А что тут говорить? — отвечу я. Я всё уже сказал там, в той статье! И ещё раз повторю! Я настоятельно НЕ рекомендую паять безсвинцовыми припоями в домашних, любительских условиях в принципе !!! Те рекомендации даны для серийного производства! Нужно это понимать! Сохранять окружающую среду у вас в отдельно взятой квартире считаю дуростью и глупостью. Лучше обеспечьте себе при монтаже приличный отвод паров припоя и флюса. Это куда более актуально лично для Вас и Вашего здоровья, а не те советы, которые даёт сейчас любой производитель компонент для серийного производства. Там ведь ( раз уж на то пошло ) ещё и дана рекомендация паять методом погружения в ванну с расплавленным припоем. Я надеюсь, что эту рекомендацию тоже будете выполнять? Нет? Ну, тогда — проехали. Уверен, что на счёт этого поняли. Повторюсь здесь ещё раз — безсвинцовые припои имеют бОльшую температуру плавления и более сильно подвергают опасности перегрева ваши компоненты. Кроме этого они, как правило, предназначены для пайки в специальных ваннах или шкафах, со специальными инфра-красными нагревателями с профилировананым нагревом. Обратите внимание на то, что по даташиту для пайки предусматривается период ПРЕДНАГРЕВА, который длится в течение от 10 до 30 секунд и разогревает компонент и плату от до 80 …120 градусов Цельсия. Вы же не будете такое у себя дома изобретать? Или будете? Нет, ну я не против, если будете — выдерживайте все рекомендации и тогда паяйте на здоровье безсвинцовыми припоями!

Есть также графа, которая описывает устойчивость к нагреву конденсаторов. То есть можно понимать, что это предельно допустимые температурные нормы и режимы, при которых может без существенного снижения ( подчеркну ) номинальной ёмкости производится монтаж конденсатора. Эта графа приведена вслед за первой, которую я только что описал. В общем то, здесь всё понятно и всё то же самое, кроме предельных температур и времени воздействия, которые соответственно составляют 275 градусов Цельсия и 10 секунд. Также присутствует максимальное рекомендуемое время разогрева — не более 1 минуты до 120…150 градусов Цельсия.

Кстати говоря, вот материал, изучив который Вы обнаружите, что 23% всех неисправностей керамических SMD-конденсаторов приходится именно на температурный крах! И ещё 25% — на механические повреждения при монтаже и во время эксплуатации. Вместе это составляет почти 50% всех выходов из строя этого важного элемента наших с вами металлодетекторов.

Итак, исходя из всего сказанного здесь, можно видеть, что SMD-керамические конденсаторы — это нам не «хухры-мухры»! И к ним следует относиться не менее уважительно, чем к микроконтроллеру. Поверьте, с точки зрения функциональной целостности и исправности всего металлодетектора или иного устройства, они ничем не ниже рангом последнего.

В этой связи небольшая история… Не так давно, я чинил одному другу его Фортуну-S. Я как-то уже упоминал об этом. Но ещё раз здесь вспомню. Кроме крайне плохой и некачественной так называемой холодной пайки, мной было обнаружен ещё один серьёзный дефект.

У прибора напрочь не работал один из каналов фазового детектора. А стало быть, прибор не работал нормально и в целом. Путём последовательной проверки входного сигнала осцилографом, я выяснил, что не работает каскад на операционном усилителе. И с радостью выкусил его из схемы, заменив на новый, заведомо исправный! Радости не было предела! Все мои муки по поиску неисправности были окончены! Впаиваю новый! Включаю! НЕ РАБОТАЕТ !!! Зараза!!! Что не так?

Давай идти буквально элемент за элементом по сигналу с помощью осцилографа. И выясняю: на одном из концов SMD-конденсатора сигнал есть, а на другом ( на выходе ) нет. Измеряю конденсатор с помощью ESR-метра и о чудо! Понял! Эврика !!! Вместо положенных 100 нФ друг впаял 1000 пФ. Разумеется, что при таких частотах такой конденсатор являлся огромным сопротивлением. И ничего нормально не пропускал на вход ОУ. В общем, прибор был спасён. А я в очередной раз убедился, что в электронике нельзя быть невнимательным и беспечным. Это дорого обходится в конечном итоге.

Так что SMD-шные керамические конденсаторы тоже могут стать, дорогой друг, причиной неисправности и твоего металлодетектора. Будь внимателен! Не применяй конденсаторы бездумно или не проконсультировавшись со специалистами. Или если сам ещё не чувствуешь в себе силы и достаточно знаний сделать правильные выводы, расчёты и обоснования.

На этом, пожалуй, окончу повествование. Итак многовато написал.
Но, надеюсь, что с пользой для других.
Классных сигналов вам всем под ваши датчики !!! И крутых находок вашими металлоискателями!!!

С вами был
Олег Дьяков.

С уважением.