Что такое конденсатор и для чего он нужен – роль конденсатора в электрической цепи

6. Пленочные конденсаторы

Диэлектриком в пленочных и металлопленочных конденсаторах служат синтетические пленки. Такие диэлектрики можно разделить на четыре группы: неполярные, полярные, комбинированные и лакопленочные. Так как свойства материалов диэлектриков можно изменять в широких пределах, то пленочные конденсаторы характеризуются:

–              большим сопротивлением изоляции;

–              большой величиной постоянной времени;

–              высокой термостойкостью;

–              малыми потерями (на порядок меньшими, чем у бумажных конденсаторов).

Рассмотрим основные подвиды пленочных конденсаторов.

а) Полистирольные. Такие конденсаторы могут работать на постоянном токе, на токах высокой частоты и в импульсных режимах. Достоинствами полистирольных конденсаторов являются:

–              наибольшие значения номинальной емкости среди пленочных;

–              хорошие частотные характеристики;

–              малая величина потерь (тангенс угла потерь не больше 0,0005);

–              большое сопротивление изоляции (до 0,1 ТОм);

–              низкий коэффициент абсорбции электрических зарядов (0,01…0,1%);

–              высокая стабильность параметров;

–              высокая точность изготовления;

–              невысокая стоимость.

Основными представителями полистирольных конденсаторов являются типы К70 – с фольговыми обкладками и К71 – с металлизированными. С особенными свойствами можно выделить конструкции: ОППТ – особый полистирольный проходной термостойкий (для подавления радиопомех)

Используются в точных временных цепях, интегрирующих устройствах, в контурах с высокой добротностью, в магазинах.

б) Фторопластовые. Предназначены для работы в цепях постоянного и переменного, пульсирующего тока и в импульCном режиме. В основном область применения фторопластовых конденсаторов – ВЧ устройства и дозиметры. По свойствам близки к полистирольным конденсаторам, но обладают дополнительными достоинствами:

–              повышенная рабочая температура (до 200 °С);

–              емкость не зависит от частоты вплоть до десятков МГц;

–              малый ток утечки;

–              хорошие электрические характеристики в широком интервале температур и частот.

Параметры основных представителей пленочных фторопластовых конденсаторов сведены в таблицу 2.14. Дозиметрические конденсаторы с фторопластовым диэлектриком работают в цепях постоянного тока.

в) Полипропиленовые. Удельные характеристики лучше в несколько раз по сравнению с полистирольными. Предназначены для работы в цепях постоянного и переменного, пульсирующего тока и в импульCном режиме. Параметры основных представителей пленочных полипропиленовых конденсаторов сведены в таблице 2.15.

Эти три вида пленок относятся к неполярным диэлектрикам. Их основные достоинства: малые потери, высокое сопротивление изоляции, низкая абсорбция, большие значения постоянной времени, которая слабо зависит от температуры. Области применения таких конденсаторов схожи, но фторопластовые могут использоваться при повышенных температурах и с более жесткими требованиями к электрическим параметрам.

г) Полиэтилентерефталатные. Распространенный вид конденсаторов с номенклатурой более 26 модификаций. Диэлектрическая проницаемость материала 3,3, обкладки изготавливаются с помощью металлизации, – это позволяет достичь меньших              габаритов по сравнению с

металлобумажными. Предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и пульсирующего тока. Имеют очень большие значения сопротивления изоляции (например, сопротивление вывод-вывод для К74-7 составляет не менее 1 000 000 МОм), низкую абсорбцию, расширенный диапазон рабочих температур, а также большой срок сохраняемости параметров  12 лет.

Некоторые параметры представителей полиэтилен-терефталатных конденсаторов – в таблице 2.16.

д) Лакопленочные. Изготавливаются на основе тонких эфирцеллюлозных полярных пленок с металлизацией. Сначала лак наносится на подложку, затем производится металлизация пленки.

Ленты разрезаются, освобождаются от подложки и наматываются. Имеют наибольшую удельную емкость среди конденсаторов с органическим диэлектриком, достигающую значений 4,5 мкФ/см3.

Емкость приближается к значениям, присущим оксидноэлектролитическим конденсаторам, поэтому лакопленочные могут заменить их, работая при переменном токе.

Конденсаторы допускают эксплуатацию на переменном токе с частотой до 20 кГц. Большой срок сохраняемости параметров – около 15 лет. Правда, такие конденсаторы рассчитаны на невысокое напряжение – до 250 В. С дефектами при металлизации тонких пленок лака борются, используя двухслойную лакировку ацетилцеллюлозным и этилцеллюлозным лаками.

Лакопленочные конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и пульсирующего тока. Параметры представителей лакопленочных конденсаторов приведены в таблице 2.17.

е) Поликарбонатные. Выпускаются с металлизированными обкладками. Характеризуются еще меньшими потерями и небольшими значениями допустимых отклонений емкости. Используются на высоких частотах. По размерам и характеристикам близки к полиэтилентерефталатным конденсаторам.

ж) С комбинированным диэлектриком. В этих конденсаторах используются ленты из нескольких материалов диэлектрика, обычно из двух: полярная пленка и бумага; неполярная пленка и бумага; полярная и неполярная пленка. Таким образом, комбинированные диэлектрики сочетают достоинства нескольких материалов (табл. 2.19).

Это самая многочисленная группа конденсаторов, включающая более 50 модификаций. Конденсаторы предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и пульсирующего тока (К75-10 до 10 кГц).

Модели К75-17 и К75-40 – импульсные высоковольтные конденсаторы для лазерной техники, электроинструмента, сварочного оборудования, электротранспорта, обладают малым внутренним сопротивлением, малым временем разряда (доли секунды), а заряд возможен от маломощных источников.

Конденсаторы К75-31 предназначены для работы в тиристорных преобразователях.

Модели К75-17 и К75-18 имеют наибольшие значения номинальной емкости, но могут работать в цепях с напряжением до 1000 В и имеют небольшой диапазон рабочих температур с верхней границей 30…50 °С.

Конденсаторы общего назначения К75-12 и К75-57 используются в качестве накопителей энергии для лазеров со значением номинальной емкости до 10 мкФ.

Представители К75П-4 и К75-41 с диэлектриком в виде конденсаторной бумаги и полиэтилентерефталатной пленки, а также конденсаторы К75-37,              К75-42 и К75-43 предназначены для устранения помех радиоприему от источников: бытовых приборов, электрического оборудования, электрических силовых щитов станций и подстанций и т.п. в диапазоне частот 0,15…1000 МГц. Их номинальное напряжение не превышает 1000 В.

Высоковольтные образцы конденсаторов с комбинированным диэлектриком К75-14, К75-19,К75-20, К75-27, К75-28, К75-34, К75- 40, К75-46 с металлизированными обкладками рассчитаны на напряжение до 5 кВ, имеют большие номиналы – до 200 мкФ, но небольшие максимальные температуры эксплуатации до 60 °С.

Конденсаторы с фольговыми обкладками рассчитаны на напряжение до 250 кВ, но имеют меньшие значения номинальных емкостей. Наивысшее значение верхней границы диапазона рабочих температур имеет фольговый конденсатор К75-29 – до 185°С. Модели представляют собой герметичную конструкцию.

Параметры выборочных представителей конденсаторов с комбинированным диэлектриком приведены в таблице 2.20.

В эту группу включены линии формирования высоковольтных импульсов Б4-1, представляющие собой три последовательно подключенных LC-цепи. Номинальная длительность импульса 0,63…10 мкс, волновое сопротивление 2,5…6,3 Ом, номинальное напряжение 1,6 кВ, масса до 3 кг в зависимости от параметров модели.

7. Оксидные (электролитические) конденсаторы

Электролитические конденсаторы представляют собой особый вид электроэлементов, в которых в качестве диэлектрика используется тонкий слой оксида вентильного металла (Та205, Al2O3 и Nb205), образованного электролитическим путем при подаче напряжения на конденсатор.

Толщина слоя окисла зависит от величины напряжения (при небольшом напряжении толщина этого слоя составляет доли микрона). Сочетание малой толщины оксида (около 1,5 нм на 1В приложенного напряжения), большой площади обкладок с относительно большой диэлектрической проницаемостью ε = 10…

100 позволяет производить конденсаторы с номинальной емкостью, достигающей сотен тысяч мкФ. При этом удельные характеристики у этой группы – самые большие. Для того, чтобы образовывался окисел, на вентильный металл наносится электролит в жидком, пастообразном или твердом виде. Катодная фольга служит для обеспечения хорошего контакта со слоем электролита.

Спиральная конструкция с фольговым анодом (рис. 2.4) используется в алюминиевых и танталовых конденсаторах, а с анодом в виде таблетки, полученной спеканием металлического порошка, – в танталовых. Реже можно встретить конструкцию, в которой анод выполнен в виде проволоки.

Рис.2.4. Строение электролитических конденсаторов

Отмеченные достоинства “компенсируются” несколькими существенными недостатками.

1. При анодном включении сложно получить высокую электрическую прочность (максимальное напряжение, которое способен выдержать “стандартный” конденсатор, не превышает 500 В),а при измененииполярности включения оксидный слой растворяется, и конденсатор начинает пропускать электрический ток (электрическая прочность электролитических конденсаторов определяется толщиной слоя окисла, рост которого в определенный момент времени прекращается из-за невозможности протекания электролитической реакции).

2. Наличие электролита приводит к увеличению сопротивления одной из обкладок. А так как:

tgδ = ωСоксrэл ,

то увеличение сопротивления электролита приводит к росту потерь. Они также линейно растут с увеличением частоты сигнала, поэтому электролитические конденсаторы применяют только в цепях постоянного или пульсирующего тока.

3. При понижении температуры rэл увеличивается, что ведет к увеличению потерь. Поэтому диапазон рабочих температур небольшой, особенно в отрицательной области.

4. Пастообразный электролит, а жидкий – в еще большей степени, со временем изменяет свои свойства (высыхает) из-за несовершенства уплотнителей, что ведет к уменьшению емкости. “Подсохшие” конденсаторы больше чувствительны к повышению температуры эксплуатации.

Все это накладывает ограничения на срок сохраняемости параметров конденсаторов при эксплуатации и хранении. Вдобавок к этому электролитические конденсаторы иногда могут вспучиваться и даже взрываться при превышении допустимого напряжения и тока, а также при подаче напряжения неправильной полярности.

5. В связи с тем, что параметры конденсаторов изменяются в ходе эксплуатации, то их допустимые отклонения велики. Даже модели с отклонением ±10%от номинала не рекомендуется применять в частях схемы, критичных к значительному изменению емкости.

6. При длительном отключении оборудования происходят структурные изменения в окисле: в нем появляются токопроводящие участки. Поэтому при включении протекает процесс повторной формовки окисла, сопровождающийся большими токами утечки. Причем чем дольше период простоя, тем дольше по времени и больше по значению токи утечки, а это может вызвать сильный разогрев электролита, сопровождающийся его испарением.

Поэтому в схемах, содержащих электролитические конденсаторы предусматриваются автотрансформаторы, постепенно увеличивающие напряжение питания оборудования. А для предотвращения разрыва корпуса электролитических конденсаторов используются резиновые уплотнители (в конденсаторах большой емкости) и выемки в корпусе (в конденсаторах с малой емкостью), обеспечивающие управляемый разрыв материала и выход пара. Эти приемы позволяют уменьшить ущерб при разрыве конденсаторов и визуально судить о выходе их из строя.

Параметры представителей алюминиевых оксидных конденсаторов приведены в таблице 2.21, а танталовых – в таблице 2.22. Алюминиевые оксидно-электролитические конденсаторы – самые массовые в производстве (более 40 модификаций), их номиналы доходят до сотен тысяч мкФ, а напряжения – до 500 В.

Подавляющее число модификаций конденсаторов с алюминиевым анодом выпускается с диапазоном номиналов от 22 до 22 000 мкФ, но есть модели (К50-32 и К50-37), емкость которых достигает 470              000 мкФ, правда при небольшом значении номинального напряжения и соответствующей массе электроэлемента.

Имеются представители: 118АНТ и 119АНТ производства VISHAY с увеличенным сроком службы – до 8 000 ч при 125°С и до 1000 000 ч – при 40 °С, к тому же выдерживающие большие токи пульсаций.

Алюминиевые электролитические конденсаторы самые дешевые в изготовлении, их конструкция постоянно совершенствуется, но у танталовых конденсаторов:

–              более высокие значения диэлектрической проницаемости оксида (около 27, что примерно в 3 раза больше, чем у алюминиевых), что уменьшает габариты электроэлемента;

–              значение удельной емкости в 18 раз больше, чем у алюминиевых аналогов;

–              больше надежность;

–              лучшие электроизоляционные свойства окисной пленки;

–              большая стойкость к агрессивным средам;

–              меньше токи утечки,

а недостатком является дороговизна, поэтому танталовые конденсаторы применяются только при небольших Uном, а за счет низкой собственной индуктивности по сравнению с алюминиевыми, они используются в стабилизаторах напряжения полосовых фильтров и логических схем. Ниобиевые электролитические конденсаторы по своим характеристикам близки к танталовым, но стоимость их меньше.

а) Объемно-пористый анод

Перечисленные недостатки сдерживают распространение оксидных электролитических конденсаторов повсеместно при различных условиях эксплуатации. Но работа по совершенствованию конструкций электролитических конденсаторов ведется постоянно.

Для улучшения параметров электролитических фольговых конденсаторов была разработана конструкция объемно-пористого анода из порошка химически стойкого металла: чаще всего -тантала, реже – ниобия или алюминия. Иногда используются смеси металлов.

Изготовление объемно-пористого анода состоит из следующих основных операций. Сначала порошок металла прессуют, применяя связующее вещество (камфару, раствор парафина в бензине и др.). Затем заготовку в виде таблетки спекают при температуре, достаточной, чтобы металл подплавился и произошло соединение в местах соприкосновения зерен порошка между собой.

В результате образуется пористая объемная структура с большой площадью поверхности (в десятки раз больше по сравнению с не пористой). После этого таблетку оксидируют электрохимическим способом; в результате процесса образуется окисел на зернах. Затем наносится электролит в твердой форме или таблетку помещают в жидкость, закрепляя в нескольких местах танталовой проволокой.

Для увеличения площади поверхности катода – внутренней поверхности серебряного корпуса, что необходимо при небольших номинальных напряжениях и больших размерах конденсатора, ее покрывают платиновой чернью, слоем палладия или используют механическую обработку.

После сборки конденсаторов производится их формовка второй раз. При постоянном напряжении, плавно растущем до номинального значения, и небольшом токе 1…10 мА, конденсаторы выдерживают 2…5 часов при температуре 20°С и, затем, 6.8 часов – при температуре 100 °С.

Достоинствами электролитических конденсаторов с объемнопористым анодом является очень большой срок сохраняемости их параметров – более 25 лет, поэтому, они используются в высокотехнологичном оборудовании и аппаратуре специального назначения.

Еще больше увеличить удельную емкость танталовых конденсаторов с объемно-пористым анодом можно, используя особо чистые порошки с уменьшенными размерами зерен (приблизительно в два раза). Здесь надо отметить, что уменьшение размеров зерен для увеличения удельного заряда конденсатора приводит к тому, что размеры пор, заполненные электролитом, уменьшаются, возрастает эквивалентное последовательное сопротивление и ухудшаются частотные характеристики, что делает использование таких электрорадиоэлементов в ВЧ блоках недопустимым.

По этой причине современные малогабаритные оксидно-электролитические SMD- конденсаторы проигрывают моделям двадцатилетней давности с достаточно большими размерами пор, но имеющие лучшую частотную стабильность емкости при f > 10 кГц и меньшее последовательное сопротивление.

Частично эта проблема решается производителями с помощью мультианодной конструкции (параллельное соединение, например, трех анодов с соответственно уменьшенной емкостью), хотя эффективность такого решения невелика, а емкость конденсатора может снижаться в несколько раз при частотах в сотни килогерц.

Использование тантала вместо алюминия для изготовления объемно-пористого анода позволило в жидкостных конденсаторах использовать более агрессивный электролит, а именно 38% раствор H2SO4, что привело к :

–              уменьшению удельного сопротивления электролита;

–              повышению удельной емкости;

–              уменьшению токов утечки по сравнению с алюминиевыми конденсаторами;

–              тому, что потери перестали зависеть от температуры;

–              увеличению рабочей температуры до 200 °С.

Недостатком всех жидкостных конденсаторов с объемнопористым анодом являются: относительно высокая стоимость, а также небольшой верхний предел рабочего напряжения: 100…125 В (при высоких напряжениях, прикладываемых к конденсатору, происходит искрение).

Параметры представителей танталовых оксидных конденсаторов с объемно-пористым анодом приведены в таблице 2.23.

Производство алюминиевых оксидно-электролитических конденсаторов с объемно-пористым анодом в мире постоянно снижается из-за вытеснения их другими моделями. Понятно, что для алюминиевых конденсаторов применяются менее агрессивные некислотные электролиты, например, растворы этиленгликоля, диметилформамида и др.

К сожалению, НИОКР по поиску и реализации современных конструктивных и технологических решений высокочастотных танталовых конденсаторов в последние годы всерьез не проводились в связи с отсутствием финансирования.

б) Оксидно-полупроводниковые конденсаторы

Оксидно-полупроводниковые конденсаторы – это электролитические конденсаторы, в которых “традиционный” электролит заменен на твердый электронный полупроводниковый материал (чаще всего MnO2). Диоксид марганца получают

пиролитическим разложением раствора нитрата марганца при температуре 300…400°С. Для получения полупроводникового слоя толщиной 1 мм требуется повторение операции пиролиза до 10 раз.

Для изготовления оксидно-полупроводниковых конденсаторов с небольшой емкостью (до 1 мкФ) на анод из тантала, покрытый оксидной пленкой (впоследствии скручиваемый в спираль), наносится слой полупроводника, который выполняет роль второй обкладки. На полупроводник наносится порошок графита для улучшения контакта. Конденсатор корпусируется в стальной или серебряный стаканчик.

Конструкция оксидно-полупроводниковых конденсаторов с большей емкостью отличается тем, что анод выполняется в виде таблетки из прессованного танталового порошка, что позволяет изготавливать конденсаторы как цилиндрической, так и прямоугольной формы.

Замена электролита твердым полупроводником приводит к тому, что:

–              уменьшается сопротивление “электролитического” слоя, которое не зависит от температуры и частоты;

–              улучшаются частотные характеристики (рабочая частота увеличивается до десятков кГ ц);

–              уменьшаются потери и растут значения рабочих напряжений;

–              в области низких температур потери слабо зависят от температуры;

–              улучшается термостабильность и термостойкость;

–              униполярный эффект проявляется слабее;

–              “электролиту” не свойственно высыхание.

Материалом анода могут служить: алюминий, тантал, или ниобий. Не смотря на дороговизну технологии с использованием тантала, такие конденсаторы обладают приблизительно такими же токами утечки как алюминиевые, аналогичные по параметрам модели, а также:

–              улучшенной термостабильностью в диапазоне температур (55… 125) °С;

–              более высоким значением относительной диэлектрической проницаемости пленки окисла;

–              меньшим активным сопротивлением на высоких частотах (100 кГц), что хорошо при использовании конденсаторов в импульсных источниках питания.

Недостатками оксидно-полупроводниковых конденсаторов с танталовым анодом являются:

–              относительно большое уменьшение емкости с ростом частоты;

–              большая чувствительность к переполюсовке и перегрузкам по напряжению, что заставляет предусматривать двойной запас по ином;

–              возможность короткого замыкания при очень больших токах заряда, образующихся при включении питания, что может сопровождаться выделением дыма и ярко-белой вспышкой.

Параметры некоторых представителей танталовых, алюминиевых и ниобиевых оксидно-полупроводниковых конденсаторов приведены в таблице 2.24.

В настоящее время ведутся разработки новых материалов для анодов электролитических конденсаторов, например, сплавов алюминия с титаном, титана, имеющего диэлектрическую проницаемость пленки окисла около 100, микрокристаллических материалов, – для уменьшения потребления дорогостоящего тантала, а также работы по совершенствованию алюминиевых технологий как наиболее дешевого материала для конденсаторостроения.

в) Полимерные конденсаторы

В настоящее время завоевывают рынки полимерные (твердотельные) конденсаторы – оксидные конденсаторы в которых используется вместо жидкого электролита токопроводящий полимер (PEDT), или полимеризованный органический полупроводник (TCNQ), или смеси полимеров, например, поливинилиденфторида (PVDF) c (CTFE).

–              больший срок службы;

–              время наработки на отказ около 50000 часов при температуре 85°С (при повышении температуры до 105 °С становится равным значениям для “обычных” оксидных конденсаторов);

–              стабильная работа при высоких температурах;

–              малочувствительны к перепаду температур;

–              меньше эквивалентное последовательное сопротивление у некоторых образцов;

–              меньше габариты и масса по сравнению с аналогичными по параметрам моделями;

–              лучше частотные характеристики;

–              рабочее напряжение не превышает 35 В;

–              не имеют в конструкции клапанов или насечки на корпусе, так как не взрываются, электролит не испаряется;

–              выше стоимость.

Параметры некоторых полимерных конденсаторов приведены в таблице 2.25. Элементы серииЦР8используются в качестве резервных источников питания микропроцессоров, в импульсных источниках питания, преобразователях напряжения. Эквивалентное последовательное сопротивление составляет 7 мОм.

Конденсаторы RP-серии используются как резервные источники питания микропроцессоров, в схемах ЖК и плазменных телевизионных приемников, в цифровых устройствах, импульсных устройствах питания, преобразователях напряжения. Эквивалентное последовательное сопротивление – 12 мОм.

Конденсаторы FB серии выдерживают высокие токи пульсаций.

Эквивалентное последовательное сопротивление у конденсаторов ECAS 6…70 мОм.

Танталовые конденсаторы с полимерным покрытием сочетают высокую емкость с высокой удельной проводимостью полимеров. Проводимость полимеров, используемых в конденсаторостроении в 1000 раз больше, чем у конденсаторов с жидким электролитом, в 100 раз больше, чем у Мn02 и в 10 раз больше, чем с органическим полупроводниковым материалом (TCNQ). Таким образом, можно получить последовательное сопротивление конденсатора в несколько мОм.

Несмотря на высокую стоимость полимерных оксидных конденсаторов, многие производители в настоящее время полностью перешли на этот вид конденсаторов даже для бюджетных моделей электронной техники.

Ведутся разработки новых полимерных материалов, которые в скором времени заменят используемые материалы. Так, уже появились в продаже новые конденсаторы с полимерными материалами с высокой проводимостью (Hi-cCAP). Они имеют еще больший срок службы, высокую проводимость и термостойкость.

Другим направлением развития электролитических конденсаторов является силовая электроника. Силовые электролитические конденсаторы используются в промышленных конверторах, для подавления помех и в тиристорных схемах управления двигателями. Представители, производимые фирмой EPCOS (B25 834,B25 855, B25 856), имеют диапазон номиналов 0,1…30 000 мкФ и рабочие напряжения до 4 000 В.