История конденсатора – современная эра

Первые годы в истории конденсаторов были временем, когда конденсаторы использовались в основном для раннего понимания электричества, еще до открытия электрона. Это было также время для демонстраций в салонах, например, когда люди стояли в очереди, держась за руки и разряжая через них конденсатор. Современная эра конденсаторов начинается в конце 1800-х годов с рассветом эпохи практического применения электричества, требующей надежных конденсаторов с особыми свойствами.

Лейденские банки

Маркони с передающим устройством, Опубликовано в LIFE [общественное достояние], через Wikimedia CommonsОдно из таких практических применений было в беспроводных передатчиках с искровым разрядником Маркони, начиная незадолго до 1900 года и в первом и втором десятилетии. Передатчики создавали высокое напряжение для разряда через искровой разрядник и поэтому использовали фарфоровые конденсаторы, чтобы выдерживать это напряжение. Требовалась также высокая частота. В основном это были лейденские банки, и для получения требуемых емкостей требовалось много места.

Слюда

В 1909 году Уильям Дюбилье изобрел слюдяные конденсаторы меньшего размера, которые затем использовались на приемной стороне для резонансных цепей в беспроводном оборудовании.

Ранние слюдяные конденсаторы представляли собой слои слюды и медной фольги, скрепленные вместе, так называемые «зажимные слюдяные конденсаторы». Однако эти конденсаторы были не очень надежными. Поскольку это были просто листы слюды, прижатые к металлической фольге, между слюдой и фольгой были воздушные зазоры. Этот зазор допускал окисление и коррозию и означал, что расстояние между пластинами могло изменяться, изменяя емкость.

В 1920-х годах были разработаны конденсаторы из серебряной слюды, в которых слюда с обеих сторон покрыта металлом, что устраняет воздушные зазоры. С тонким металлическим покрытием вместо более толстой фольги конденсаторы также можно было сделать меньше. Они были очень надежными. Конечно, мы не остановились на достигнутом. Современная эра конденсаторов отмечена одним прорывом за другим в увлекательной истории. Давайте взглянем.

Керамические

MLCC вокруг микропроцессора. Автор Elcap [CC BY-SA 3.0], через Wikimedia CommonsIn the 19Слюды 20-х годов не было в изобилии в Германии, поэтому они экспериментировали с новыми семействами керамических конденсаторов, обнаружив, что диоксид титана (рутил) имеет линейную температурную зависимость емкости для температурной компенсации и может заменить слюдяные конденсаторы. Сначала они производились в небольших количествах, а в 1940-х годах — в больших количествах. Они состояли из диска, металлизированного с обеих сторон.

Чтобы получить более высокую емкость, была использована другая керамика, титанат бария, так как он имел в 10 раз большую диэлектрическую проницаемость, чем слюда или диоксид титана. Однако они имели менее стабильные электрические параметры и могли заменить слюду только там, где стабильность была менее важна. Это было улучшено после Второй мировой войны. 9Ежегодно производится 12 MLCC с титанатом бария.

Алюминиевый электролитический

В 1890-х годах Чарльз Поллак обнаружил, что оксидный слой на алюминиевом аноде стабилен в нейтральном или щелочном растворе, и в 1897 году получил патент на алюминиевый конденсатор с электролитом из буры. Первые «мокрые» электролитические конденсаторы ненадолго появились в радиоприемниках в 1920-х годах, но имели ограниченный срок службы. Их назвали «мокрыми» из-за высокого содержания воды. В основном они представляли собой контейнер с металлическим анодом, погруженным в раствор буры или другого электролита, растворенного в воде. Внешняя часть контейнера действовала как другая пластина. Они использовались в крупных телефонных станциях для уменьшения шума реле.

Патент на современного предка электролитического конденсатора был подан в 1925 году Самуэлем Рубеном. Он поместил гелеобразный электролит между анодом с оксидным покрытием и второй пластиной из металлической фольги, что избавило от необходимости использовать контейнер, наполненный водой. В результате получился «сухой» электролитический конденсатор. Еще одним дополнением стало бумажное пространство между витками фольги. Все это значительно уменьшило размер и цену.

В 1936 году компания Cornell-Dubilier представила свои алюминиевые электролитические конденсаторы, включая такие усовершенствования, как придание поверхности анода шероховатости для увеличения емкости. В то же время Hydra-Werke, компания AEG, начала массовое производство в Берлине, Германия.

После Второй мировой войны быстрое развитие радио- и телевизионных технологий привело к увеличению объемов производства, а также разнообразию стилей и размеров. Улучшения включали снижение токов утечки и эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), более широкий диапазон температур и более длительный срок службы за счет использования новых электролитов на основе органических соединений. Дальнейшие разработки с 1970-х по 1990-е годы также включали снижение токов утечки, дальнейшее снижение ESR и более высокие температуры.

То, что стало известно как «конденсаторная чума», произошло в период с 2000 по 2005 год, возможно, из-за использования украденного рецепта, но без определенных стабилизирующих веществ, что приводило к преждевременному выходу из строя.

Танталовый электролитический

Танталовый конденсатор для поверхностного монтажа. По Epop [общественное достояние], через Викисклад. Танталовые электролитические конденсаторы были впервые изготовлены для военных целей в 1930-х годах. В них использовалась намотанная танталовая фольга и нетвердый электролит. В 1950-х годах Bell Laboratories изготовила первые танталовые конденсаторы с твердым электролитом. Они измельчили тантал в порошок и спечены в виде цилиндра. Сначала использовался жидкий электролит, но затем было обнаружено, что диоксид марганца можно использовать в качестве твердого электролита.

Хотя основные изобретения были сделаны Bell Labs, в 1954 году Sprague Electric Company улучшила процесс, выпустив первые коммерчески жизнеспособные танталовые конденсаторы с твердым электролитом.

В 1975 году появились полимерные танталовые электролитические конденсаторы с проводящими полимерами с гораздо более высокой проводимостью, заменившие диоксид марганца, что привело к более низкому ESR. NEC выпустила свои полимерные танталовые конденсаторы в 1995 году для SMD (устройства поверхностного монтажа), а Sanyo последовала их примеру в 1995 году.97.

Танталовая руда подвержена ценовым шокам, и два таких случая произошли в 1980 и 2000/2001 годах. Последнее потрясение привело к разработке ниобиевых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, обладающих свойствами, примерно такими же, как у танталовых конденсаторов.

Полимерная пленка

Пленочные конденсаторы. Elcap [CC-BY-SA 3.0], через Wikimedia CommonsКонденсатор из металлизированной бумаги был запатентован в 1900 году Г. Ф. Мэнсбридж. Металлизация осуществлялась путем покрытия бумаги связующим, наполненным металлическими частицами. Они широко использовались в начале 1900s в качестве развязывающих конденсаторов в телефонии (телекоммуникациях). Во время Второй мировой войны Bosch усовершенствовал процесс и изготовил их, покрыв бумагу лаком и используя вакуумное напыление металла для ее покрытия. Примерно в 1954 году Bell Labs изготовила металлизированную лаковую пленку толщиной 2,5 мкм отдельно от бумаги, в результате чего конденсаторы стали намного меньше. Его можно считать первым полимерным пленочным конденсатором.

Исследования пластика, проведенные химиками-органиками во время Второй мировой войны, привели к дальнейшему развитию. В 1954 первый майларовый конденсатор
был одним из них. Майлар был зарегистрирован компанией Dupont в 1952 году и представляет собой очень прочный ПЭТ (полиэтилентерефталат). В 1954 году был произведен конденсатор из металлизированной майларовой пленки 12 мкм. К 1959 году в список вошли конденсаторы, изготовленные из полиэтилена, полистирола, политетрафторэтилена, ПЭТФ и поликарбоната. 3 и использовались в качестве резервного питания для компьютерной памяти.

Брайан Эванс Конвей, почетный профессор Оттавского университета, работал над электрохимическими конденсаторами на основе оксида рутения с 1975 по 1980 год. В 1991 году он описал разницу между суперконденсаторами и батареями в электрохимическом хранении, дав полное объяснение в 1999 году, когда ввел термин суперконденсатор. снова.

Продукты и рынки росли медленно с такими названиями продуктов, как Goldcaps, Dynacap и PRI Ultracapacitor, последний из которых был первым суперконденсатором с низким внутренним сопротивлением, разработанным в 1982 исследовательского института Pinnacle (PRI) для военных целей.

Относительно недавние разработки на рынке включают литий-ионные конденсаторы, в которых активированный угольный анод легирован ионами лития. Они имеют емкость в тысячи фарад (4 цифры) при напряжении около 2,7 В.

Заключение

Судя по вашим комментариям в ответ на наш пост «История конденсатора — первые годы», нет недостатка в использовании термина «конденсатор», а не «конденсатор». Так откуда взялся термин конденсатор? Кажется, это неизвестно, но Оксфордский словарь английского языка цитирует 1922 BSI (Британский институт стандартов?) Глоссарий терминов в электротехнике, в котором говорится, что «конденсатор» является «новым термином», и предлагается использовать его, чтобы избежать путаницы с паровым «конденсатором».

На этом мы заканчиваем нашу историю конденсаторов, но мы уверены, что можно добавить еще много, основываясь только на большом количестве типов конденсаторов. Дайте нам знать ниже, если у вас есть какие-либо интересные дополнения, которые вы могли бы предложить. И история — это только часть пути прогресса, дайте нам знать о любом текущем или ожидаемом будущем развитии, о котором вы знаете. Что через 50 лет писатель-хакадей скажет о конденсаторах сегодня и в ближайшие 50 лет?

BME против технологии PME MLCC

Конденсаторы MLCC широко используются в различных приложениях, включая автомобильную, телекоммуникационную, медицинскую, военную и аэрокосмическую. Тем не менее, некоторые приложения, такие как аэрокосмические и военные системы, требуют более надежных компонентов. Конденсаторы для таких критических приложений должны соответствовать установленным требованиям к производительности и надежности. Технология электродов из драгоценных металлов (PME) и технология электродов из неблагородных металлов (BME) являются наиболее распространенными технологиями, используемыми для производства конденсаторов. Каковы характеристики и ограничения технологий конденсаторов BME и PME MLCC?

Современные электронные устройства меньше по размеру и обладают большей функциональностью по сравнению с их предшественниками. Ожидается, что они станут еще меньше с текущими достижениями в производственных технологиях. Тенденция к миниатюризации компонентов в основном ускоряется за счет лучшего понимания материалов и совершенствования методов обработки. Критически важные приложения, такие как имплантируемые медицинские устройства и аэрокосмические устройства, требуют высоконадежных компонентов. Следовательно, даже когда компоненты становятся меньше, ожидается, что они будут обеспечивать долгосрочную надежность и лучшую функциональность.

Растущий спрос на электронные устройства меньшего размера, обеспечивающие более высокую производительность и потребляющие мало электроэнергии, сыграл ключевую роль в ускорении технологий, используемых в производстве пассивных и активных компонентов. Компоненты, которые потребляют значительное количество энергии и требуют больше места на печатных платах, все чаще заменяются миниатюрными компонентами с низким энергопотреблением.

По сравнению с однослойными конденсаторами многослойные керамические конденсаторы обладают более высокой надежностью и лучшими высокочастотными характеристиками. Кроме того, многослойные керамические конденсаторы с высокой емкостью обычно имеют меньшие размеры по сравнению с однослойными компонентами с высокой емкостью. Использование многослойных керамических конденсаторов в мобильных электронных устройствах, таких как смартфоны, планшеты и компьютеры, привело к экспоненциальному увеличению глобальных поставок этих компонентов.

Конденсаторы MLCC широко используются в различных приложениях, включая автомобильную, телекоммуникационную, медицинскую, военную и аэрокосмическую. Тем не менее, некоторые приложения, такие как аэрокосмические и военные системы, требуют более надежных компонентов. Конденсаторы для таких критических приложений должны соответствовать установленным требованиям к производительности и надежности.

Технология электродов из драгоценных металлов (PME) и технология электродов из неблагородных металлов (BME) являются наиболее распространенными технологиями, используемыми для производства конденсаторов. Традиционно технология PME была основным методом изготовления конденсаторов. В этой технологии используются комбинации палладия и меди. Несмотря на высокую надежность конденсаторов PME, большинство производителей перешли на технологию BME. Этой технологии чуть больше двух десятков лет, и в ней используется никель или медь. Большинство современных многослойных керамических конденсаторов изготавливаются по технологии BME.

Хотя переход от старой технологии PME к новой технологии BME можно объяснить высокой ценой на палладий, значительное повышение надежности и производительности конденсаторов BME за последние два десятилетия также сыграло значительную роль. По сравнению с их более ранними аналогами качество сегодняшних компонентов BME намного выше как по надежности, производительности, так и по стоимости.

Технология BME позволяет изготавливать конденсаторы с высокой емкостью и широким диапазоном напряжений. Таким образом, конденсаторы BME используются для широкого спектра применений, от низковольтных до высоковольтных. Конденсаторы BME доступны в корпусах, которые меньше, чем у конденсаторов PME, что делает их подходящим выбором для приложений с ограниченным пространством. Конденсаторы PME могут быть в четыре раза больше, чем устройства BME, и, когда в уравнение включается их более высокая стоимость, это делает технологию BME чаще всего экономичным и технологическим выбором.

Производители многослойных керамических конденсаторов совершенствуют технологию обработки и рецептуру материалов для повышения объемной эффективности, повышения надежности, ускорения миниатюризации и снижения стоимости конденсаторов. Ожидается, что эти достижения в области обработки и рецептуры повысят надежность конденсаторов BME до уровней, которые сделают их пригодными для использования в более суровых условиях, таких как бурение нефтяных скважин, аэрокосмическая промышленность и другие важные приложения.

Спецификация S-311-P-838 Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства определяет требования к конденсаторам для использования в высоконадежных космических устройствах. Эта спецификация определяет различные свойства, включая надежность, электрод из недрагоценного металла и керамический диэлектрик. Недавно Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) одобрило диэлектрические электроды MLCC X7R из недрагоценных металлов корпорации AVX для использования в аэрокосмических и военных приложениях, в то время как Агентство оборонного материально-технического обеспечения (DLA) приняло квалификацию KEMET для диэлектриков COG и BP BME в соответствии с MIL-PRF-32535. Уровни «М» и «Т».

Хотя технология электродов из недрагоценных металлов в настоящее время доминирует в производстве MLCC, существуют опасения по поводу пригодности таких компонентов для приложений, требующих высокой надежности, таких как космические приложения. Для большинства критически важных приложений требуются зрелые технологии с проверенной надежностью. Благодаря более чем 50-летнему опыту работы электроды из драгоценных металлов широко используются для производства конденсаторов для ответственных применений. Несмотря на потребность в миниатюризации в некоторых критических приложениях, где используются конденсаторы PME, необходимость соблюдения указанных требований к производительности и надежности ограничивает новую технологию BME, хотя, как указано выше, в этой области достигнуты успехи.

Исследования показали, что повышенная плотность емкости в многослойных керамических конденсаторах BME привела к сокращению срока службы компонентов. Это означает, что MLCC BME с высокой емкостью имеют более низкую надежность в течение всего срока службы, что делает их неподходящим выбором для критически важных приложений. Подсчитано, что многослойные керамические конденсаторы с очень высокой емкостью имеют срок службы менее пяти лет. Это свойство может быть связано с методом изготовления, используемым для увеличения плотности емкости многослойных керамических конденсаторов с электродами из недрагоценных металлов. По мере уменьшения толщины диэлектрического слоя срок службы конденсатора уменьшается.

Спекание является важным процессом при производстве многослойных керамических конденсаторов PME и BME. Хотя этот процесс не влияет на конденсаторы PME, он может повлиять на конденсаторы BME. Для конденсаторов BME термический процесс осуществляется в среде, отвечающей особым требованиям по предотвращению окисления внутренних никелевых электродов. Хотя проведение процесса спекания в восстановительной атмосфере помогает предотвратить окисление, оно снижает сопротивление изоляции диэлектрических материалов BaTiO3. Тем не менее, достижения в технологии BME помогают уменьшить влияние спекания на сопротивление изоляции диэлектрических материалов.

PME, разработанный с использованием серебра палладия, был первым электродным материалом, созданным в отрасли MLCC. Являясь зрелой технологией с долгой историей, PME предлагает надежность и проверенную долгосрочную надежность для всех сегментов рынка. Толщина его диэлектрика соответствует военным спецификациям MIL-PRF-55681 и MIL-PRF-123, которые устанавливают строгие минимумы для высоконадежных приложений.

Благодаря своей конструкции PME устраняет проблемы надежности уже на стадии производства. Термический процесс спекания электродного и диэлектрического материала в MLCC не оказывает негативного влияния на MLCC PME, как на MLCC BME. Чтобы предотвратить окисление в термическом процессе производства MLCC BME, инженеры должны создать атмосферу спекания, которая способствует удалению смазки, уменьшает поверхностные оксиды и защищает от окисления. Хотя это действие предотвращает окисление, оно в то же время снижает сопротивление изоляции.

BME, разработанный с использованием никеля и меди, является новой технологией электродов MLCC. MLCC BME предлагают более экономичный вариант, чем палладий-серебро, и рынок принял эту экономическую ценность. MLCC BME составляют 99 процентов керамических конденсаторов класса II во всем мире. При правильных производственных условиях MLCC BME могут соответствовать требованиям тестирования надежности и производительности так же, как и MLCC PME. MLCC

BME имеют более однородную микроструктуру (то есть зернистость), которая обеспечивает объемную эффективность — больший объем электродных и диэлектрических слоев и, следовательно, более высокую емкость при меньших размерах корпуса. Поскольку электроника становится все меньше и меньше, ее малый размер является большим преимуществом.

Как уже упоминалось, требования к конструкции и производственные соображения для MLCC BME вызывают проблемы с надежностью; однако существуют условия, которые предотвращают преждевременные отказы. Требования, такие как минимальная толщина диэлектрика, устанавливают стандарты, основанные на исследованиях производительности. Если MLCC BME оправдают эти ожидания, команда разработчиков может быть уверена, что им удастся избежать преждевременных отказов. Тщательные соображения по развертыванию, такие как предотвращение высоких уровней механического напряжения, также снижают вероятность отказа.

По мере развития технологий и появления новых исследований производительности, индустрия высоконадежной электроники все больше принимает конденсаторы BME. Агентство оборонной логистики (DLA) создало военную спецификацию, специально разработанную для MLCC BME в соответствии с MIL-PRF-32535, а НАСА одобрило группу MLCC BME для использования в своих аэрокосмических и военных программах.

В современной электронной среде нам по-прежнему нужны обе электродные технологии. Зрелость MLCC PME и их проверенная надежность внушают доверие, в то время как более новые MLCC BME лидируют в коммерческих приложениях на основе спецификаций стоимости и размера.