Как выбрать конденсатор?

Во время работы над разделом о конденсаторах я подумал, что было бы полезно объяснить, почему один тип конденсаторов может быть заменен другим. Это важный вопрос, так как существует множество факторов (температурные характеристики, тип корпуса и так далее), которые делают тот или иной тип конденсаторов (электролитический, керамический и пр.) наиболее предпочтительным для вашего проекта.

В статье будут рассмотрены популярные типы конденсаторов, их достоинства и особенности, а также области применения. В каждом разделе помещены ссылки на результаты поисковых запросов для некоторых серий наиболее популярных конденсаторов из каталога компании Терраэлектроника.

Например, результат поиска для DIP конденсаторов  c рабочим напряжением 450 В серии HP3 производства компании Hitachi с емкостью 56…680 мкФ приведен на Рис.1.

Рис. 1. Результат поискового запроса для  имеющихся на складе конденсаторов серии HP3 с рабочим напряжением 450 В от Hitachi  с емкостью в диапазоне  56…560 мкФ

Конденсаторы (Рис. 2) представляют собой двухвыводные компоненты, используемые для фильтрации, хранения энергии, подавления импульсов напряжения и других задач. В самом простом случае они состоят из двух параллельных пластин, разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком.

Рис. 2. Конденсаторы различных типов

Конденсаторы хранят электрический заряд. Единицей емкости является Фарад (Ф). Это название было дано в честь Майкла Фарадея, который в свое время стал пионером в области практического использования конденсаторов.

Конденсаторы могут быть полярными и неполярными. К полярным относятся почти все электролитические и танталовые конденсаторы. Они должны подключаться с учетом полярности напряжения. Если перепутать выводы «-» и «+», то это приведет к короткому замыканию. К неполярным относятся керамические, слюдяные и пленочные конденсаторы. Они могут работать при любой полярности приложенного напряжения, что делает их подходящими для применения в цепях переменного тока.

Несмотря на широкое распространение конденсаторов, выбор конкретной модели бывает достаточно сложным. Вы можете знать емкость и рабочее напряжение, которые требуются в вашем проекте, но у конденсаторов есть и множество других характеристик, таких как полярность, температурный коэффициент, стабильность, последовательное эквивалентное сопротивление (ESR) и так далее. Это делает каждый конкретный тип конденсаторов пригодным для конкретного приложения. Ниже перечислены наиболее популярные типы конденсаторов с кратким описанием их достоинств и особенностей.

Типы конденсаторов

Существует несколько типов конденсаторов, которые отличаются электрическими характеристиками и стоимостью. Ниже приведено описание наиболее популярных типов конденсаторов: алюминиевых электролитических, керамических, танталовых, пленочных, слюдяных и полимерных (твердотельных). Кроме того, для каждого типа представлены наиболее подходящие приложения, а также информация о корпусных исполнениях и примеры конкретных серий.

Рис. 3. Алюминиевый электролитический конденсатор

Описание: алюминиевые электролитические конденсаторы (Рис. 3) являются полярными, поэтому их нельзя использовать в цепях переменного напряжения. Они могут иметь высокую номинальную емкость, но отклонение от номинала обычно составляет до 20%.

Приложения: алюминиевые электролитические конденсаторы оптимальны для приложений, которые не требуют высокой точности и работы с переменными напряжениями. Чаще всего они применяются в качестве развязывающих конденсаторов в источниках питания, то есть для уменьшения пульсаций напряжения. Они также широко используются в импульсных DC/DC-преобразователях напряжения.

Корпусное исполнение: как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа.

Примеры:

Для монтажа в отверстия:

• 25 В серия TKR производства Jamicon с диапазоном доступных емкостей 10…5000 мкФ.
• 50 В серия ECA-1HM  от Panasonic с диапазоном доступных емкостей 4.7…3300 мкФ.
• 450 В серия HP32 от Hitachi AIC с диапазоном доступных емкостей 56…1000 мкФ.

Для поверхностного монтажа:

• 16 В серия EEE-FK от Panasonic с диапазоном доступных емкостей 10…4700 мкФ.
• 50 В серия CA050 от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,22…220 мкФ.

Рис.4. Керамические конденсаторы

Описание: существует два основных типа керамических конденсаторов (Рис. 4): многослойные чип-конденсаторы (MLCC) и керамические дисковые. MLCC пользуются большой популярностью и широко применяются в электронных устройствах, поскольку обладают высокой стабильностью и малым уровнем потерь. Они отличаются низким последовательным сопротивлением (ESR) и минимальной погрешностью номинала по сравнению с электролитическими или танталовыми конденсаторами. Вместе с тем их максимальная емкость невелика и достигает всего нескольких десятков мкФ.

Из-за высокой удельной емкости MLCC имеют очень малые габариты и отлично подходят для размещения на печатных платах.

Приложения: поскольку керамические конденсаторы являются неполярными, то их можно применять в цепях переменного тока. Они широко используются в качестве «универсальных» конденсаторов, например, для высокочастотной развязки, фильтрации, подстройки резонаторов и подавления электромагнитных помех. Как MLCC, так и керамические дисковые конденсаторы подразделяются на два класса:

Керамические конденсаторы I класса – точные (+/- 5%) и стабильные конденсаторы с минимальной зависимостью емкости от температуры. Конденсаторы NP0/C0G отличаются минимальным температурным коэффициентом 30 ppm/K. К сожалению, их максимальная емкость ограничена несколькими нанофарадами (нФ). Поскольку они очень стабильны и точны, то их чаще всего используют в системах с частотным регулированием, например, в резонансных схемах для радиочастотных приложений.

Керамические конденсаторы II класса менее точны, но обеспечивают более высокую удельную емкость (номинальные значения — до десятков мкФ) и, следовательно, подходят для фильтрации и развязки. Среди их недостатков можно отметить большой коэффициент напряжения. Например, даже при приложении напряжения, равного половине рабочего, обычно наблюдается снижение емкости на 50%.

• X5R может работать в диапазоне — 55…85°C с изменением емкости +/- 15%;
• X7R может работать в диапазоне — 55…125°C с изменением емкости +/- 15%;
• Y5V — в диапазоне от — 30…+ 85°C с изменением емкости -20/ +80%.

Корпусные исполнения: наиболее распространены корпуса для поверхностного монтажа 0201, 0402, 0603, 0805, 1206 и 1812. Цифры обозначают габаритные размеры в дюймовой системе. Например, 0402 составляет 0,04х0,02″, 0603 — 0,06х0,03″ и так далее.

Примеры:

Тип NP0/C0G:

• 0402 — серия CC0402JRNPO9 производства компании Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,01…1 нФ;
• 0603 — серия CC0603JRNPO9 от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,008…2,7 нФ.

Тип X7R:

• 0402 — серия CC0402KRX7R9BB от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,1…10 нФ;
• 0603 — серия CC0603KRX7R7BB от Yageo с диапазоном доступных емкостей 0,1…1 мкФ;
• 1206 — серия GRM31 от Murata с диапазоном доступных емкостей 470 пф…22 мкФ;
• 0805 — серия CL21 от Samsung с диапазоном доступных емкостей 150 пф…10 мкФ.

Для монтажа в отверстия:

• Серия C315C производства компании Kemet с диапазоном доступных емкостей 1 пФ …1 мкФ.

Танталовые конденсаторы

Рис. 5. Танталовые конденсаторы

Описание: танталовые конденсаторы (Рис. 5) – это подтип электролитических конденсаторов с высоким уровнем поляризации. При их использовании необходимо проявлять осторожность, поскольку они имеют склонность к катастрофическим отказам даже при воздействии импульсов напряжения с амплитудой, лишь немного превышающей номинальное рабочее напряжение. Танталовые конденсаторы могут иметь высокую номинальную емкость и отличаются высокой временной стабильностью. Они меньше по размеру, чем алюминиевые электролитические конденсаторы той же емкости. Но алюминиевые электролиты могут выдерживать более высокие максимальные напряжения.

Приложения: из-за малого тока утечки, стабильности и высокой емкости танталовые конденсаторы часто используются в схемах выборки-хранения, в которых требуется обеспечивать минимальный ток утечки для продолжительного хранения заряда. Также, благодаря малым размерам и долговременной стабильности, они применяются для фильтрации по цепям питания.

Корпусные исполнения: танталовые конденсаторы выпускаются как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа (SMD). Тем не менее, чаще всего используются именно SMD-компоненты. В дюймовой системе типоразмер А соответствует размеру 1206 (0,12х0,06″), типоразмер В соответствует размеру 1210, типоразмер C соответствует размеру 2312, типоразмер D — размеру 2917.

Примеры:

• Типоразмер A: серия TAJA от AVX с диапазоном доступных емкостей 1…10 мкФ;
• Типоразмер B: серия TAJB от AVX с диапазоном доступных емкостей 10…47 мкФ;
• Типоразмер C: серия TAJC от AVX с диапазоном доступных емкостей 47…220 мкФ;
• Типоразмер D: серия TAJD от AVX с диапазоном доступных емкостей 220…680 мкФ;
• Типоразмер A-E: серия 293D компании Vishay с диапазоном доступных емкостей 0,1…1000 мкФ;
• Типоразмер A-X: серии T491 компании Vishay с диапазоном доступных емкостей 0,1…1000 мкФ.

Пленочные конденсаторы

Рис. 6. Пленочные конденсаторы

Описание: пленочные конденсаторы (Рис. 6) являются неполярными, что позволяет использовать их в цепях переменного напряжения. Они отличаются малыми значениями эквивалентного сопротивления (ESR) и последовательной индуктивности (ESL).

Приложения: пленочные конденсаторы часто применяются в схемах с аналого-цифровыми преобразователями. Кроме того, они способны работать с высоким пиковым током и, таким образом, могут применяться в снабберных цепочках для фильтрации индуктивных выбросов напряжения в DC/DC-преобразователях.

Примеры:

• серия B32021 производства компании EPCOS с диапазоном доступных емкостей 1 нФ…10 нФ и рабочим напряжением 300В AC.
• серия ECHU от Panasonic c диапазоном доступных емкостей 0,1 нФ…220 нФ и рабочим напряжением 16 В и 50 В DC.

Слюдяные конденсаторы

Рис. 7. Слюдяной конденсатор

Описание: слюдяные конденсаторы (Рис. 7) являются неполярными, отличаются малой величиной потерь, высокой стабильностью и обладают отличными характеристиками на высоких частотах.

Приложения: эффективны при работе в составе радиочастотных схем. Они могут стоить несколько долларов за штуку, поэтому в маломощных приложениях чаще используют керамические конденсаторы. Однако слюдяные конденсаторы благодаря высокому напряжению пробоя остаются практически незаменимыми для таких приложений, как  радиопередатчики высокой мощности.

Примеры:

• серия CD производства CDE с диапазоном доступных емкостей 0,001…47 нФ (монтаж в отверстия) рабочим напряжением до 500 В .

Полимерные (твердотельные) конденсаторы

Рис. 8. Полимерные (твердотельные) конденсаторы

Описание: твердотельные конденсаторы являются полярными, так же как и другие электролитические конденсаторы, но имеют ряд преимуществ, например, меньшие потери благодаря низкому последовательному сопротивлению ESR и длительный срок службы. Для обычных алюминиевых электролитов существует риск высыхания электролита при низких температурах, но твердотельные конденсаторы благодаря применению твердого полимерного диэлектрика обладают высокой надежностью даже при очень низких температурах.

Приложения: используются вместо электролитов в высококачественных материнских платах и DC/DC-преобразователях.

Примеры:

• серия OS-CON производства Panasonic с диапазоном доступных емкостей 3,3…2700 мкФ. 

• серия SP-Cap производства Panasonic с диапазоном доступных емкостей 10…560 мкФ в SMD исполнении. 

• серия ECAS производства компании Murata с диапазоном доступных емкостей 10…150 мкФ.

Конденсаторные сборки

Описание: конденсаторная сборка (capacitor array)  — это группа конденсаторов, конструктивно объединенных в одном корпусе, причем любой из конденсаторов может быть отдельно от остальных подключен к внешней цепи. Существует много различных типов сборок, которые отличаются количеством конденсаторов, типом диэлектрика, величиной отклонения емкости конденсатора от номинального значения, максимальным рабочим напряжением, типом корпуса и др.

Приложения: конденсаторные сборки широко применяются в мобильной и носимой аппаратуре, в материнских платах компьютеров и цифровых приставках, в радиочастотных модемах и усилителях, в автомобильных и медицинских приложениях и т.д.

Корпусные исполнения: конденсаторные сборки выпускаются как в DIP корпусах, так и в SMD исполнении. Наиболее популярные типоразмеры сборок для поверхностного монтажа 0508, 0612, 0805 представлены в нашем каталоге.

Примеры:

• Серия CA конденсаторных сборок общего назначения от компании Yageo типоразмера 0612 с диапазоном доступных емкостей от 22 пФ до 100 нФ.

Подобрать необходимый конденсатор в каталоге Терраэлектроники можно двумя способами:

1. использовать параметрический поиск в соответствующем разделе каталога, для чего необходимо зайти в раздел конденсаторов, выбрать соответствующий задаче тип конденсатора, а далее заполнить ряд фильтров с параметрами. Фрагмент скриншота поиска MLCC конденсатора с параметрами: номиналом 1 нФ, точностью 10 %, диэлектриком X7R, напряжением  250 В и корпусом 0805 представлен на Рис. 9.
2. воспользоваться интеллектуальным поиском конденсатора по параметрам. Для этого достаточно скопировать строку из спецификации “Конденсатор 1 нФ, X7R, 10%, 250 В, 0805″ или ввести «1n X7R 10% 250V 0805» в строку поиска и получить тот же самый  список подходящих по указанным параметрам компонентов.

Рис. 9. Фрагмент скриншота сервиса поиска конденсатора

Заключение

В данном руководстве были рассмотрены некоторые наиболее популярные типы конденсаторов. Кроме них существуют суперконденсаторы, кремниевые конденсаторы, оксид-ниобиевые и подстрочные конденсаторы, которые обладают уникальными преимуществами по величине емкости, уровню надежности или возможности подстройки. Однако в большинстве электронных схем вы чаще всего увидите один из шести рассмотренных выше типов конденсаторов.
 

Автор: Санкет Гупта Перевод: Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Разделы: Конденсаторы керамические, Пленочные конденсаторы

Опубликовано: 15.03.2018

Высоковольтные конденсаторы . Рынок Электротехники. Отраслевой портал

В статье обсуждается состояние глобального рынка высоковольтных конденсаторов. Читатель должен понимать, что для каждого основного типа используемого в конденсаторах диэлектрика, определение высокого напряжения отличается. Подавляющее большинство конденсаторов, предназначенных для приложений с высоким напряжением, являются конденсаторами на основе электростатической пластиковой пленки, и в этом случае, чаще всего говорят о диэлектриках, представляющих собой пленку полипропиленового типа.

Полипропиленовые пленочные конденсаторы применяются с напряжением в сотни тысяч вольт, и в этом отношении пропиленовая пленка, действительно, выделяется из остальных диэлектриков. Керамические конденсаторы (тоже электростатические), выпускаются для работы с напряжениями до 100 000 Вольт. В статье рассматриваются также и алюминиевые электролитические конденсаторы, особенно с зажимными контактами и защелками, которые выпускаются для напряжений до 500 вольт на ячейку.

Среди других конденсаторов, предназначенных для работы в цепях с высоким напряжением, можно назвать танталовые электролитические конденсаторы, слюдяные конденсаторы, стеклянные конденсаторы, и углеродные конденсаторы. Однако диэлектрики этих типов имеют незначительную долю в общих продажах 2012 года, если их сравнивать с более обширным рынком высоковольтных пленочных конденсаторов, высоковольтными керамическими конденсаторами и высоковольтными алюминиевыми электролитическими.

 

Высоковольтные пленочные конденсаторы

К высоковольтным конденсаторам на основе пластиковой пленки относится ряд подкатегорий, которые, в основном, определяются их применением. Сюда входят конденсаторы для передачи и распределения энергии высокого напряжения, конденсаторы, используемые в высоковольтных двигателях, конденсаторы для промышленной корректировки мощности высокого напряжения, конденсаторы для высоковольтных микроволновых печей, высоковольтные конденсаторы магнитных дросселей, и специальные высоковольтные пленочные конденсаторы для переключения, фильтрации, стабилизации и увеличения мощности. Такие конденсаторы доступны в диапазонах напряжений от 300 VAC до 1 000 000 VAC (1000 кВ), и представляют собой наиболее распространенное семейство продуктов для высоковольтного оборудования во всем мире. Основной диэлектрик, используемый в пленочных конденсаторах высокого напряжения — это полипропилен, который для создания конденсатора высокого напряжения может применяться сам по себе, или вместе с крафт-бумагой, алюминием, или тонкой фольгой.

Помимо упомянутых выше больших и маленьких цилиндрических конденсаторов, существуют и плоские конденсаторы с радиальным выводом, используемые в печатных платах, изготавливаемые из полипропилена, и считающиеся ответвлением рынка мощных пленочных конденсаторов. В эту ветвь рынка входят конденсаторы с радиальным выводом для переменного и импульсного тока, используемые в таких приложениях как цепи размагничивания в телевизорах на ЭЛТ, и в ряде других специальных применений.

Другим продуктом, заслуживающим внимания, являются конденсаторы на пленке из тефлона, предназначенные для работы при температурах 200 градусов Цельсия, и при высоких напряжениях, от 300 вольт до 1 кВ. Также следует упомянуть традиционные конденсаторы на металлизированной полиэтиленовой пленке, некоторые из которых используются при высоких напряжениях.

Чтобы охватить большую часть применений конденсаторов для корректировки мощности, стабилизации, фильтрации и усиления мощности в оборудовании, связанном с напряжением сети, мы также рассматриваем пленочные конденсаторы, применяемые в таких важных приложениях, как оборона, медицина и нефтегазовая промышленность. Это связано со свойством самовосстановления конденсаторов на пластиковой пленке (при появлении микроскопических проколов или порывов в диэлектрике из пластиковой пленки, она может «залечиться», и минимизировать вероятность пробоя конденсатора или его катастрофического отказа). Пленочные конденсаторы представляют наиболее крупный сегмент применения конденсаторов высокого напряжения в рынке 2012 года.

 

Алюминиевые электролитические высоковольтные конденсаторы

Часть всего рынка алюминиевых электролитических конденсаторов может быть отнесена к высоковольтным конденсаторам. К этой группе относятся алюминиевые электролитические конденсаторы на защелках и зажимных контактах, которые способны работать в цепях с напряжением от 100 до 500 Вольт. Эти конденсаторы электролитического типа используются, в основном, в инвертерах и в двигателях, где их применяют для фильтрации напряжений.

Алюминиевые конденсаторы не могут работать с теми же типами высокого напряжения, как и электростатические конденсаторы. Однако они обеспечивают значительную емкость, по сравнению, как с пленочными конденсаторами, так и с керамическими электростатическими конденсаторами. Это позволяет им занимать уникальное место в приложениях силовой электроники. Фактически, многие алюминиевые конденсаторы с зажимными контактами в приложениях, связанных с инвертерами, могут иметь величину емкости от 380 до 25 000 микрофарад. Они также могут устанавливаться параллельно или последовательно, чтобы увеличить общее напряжение и емкость, требуемые для работы инвертера, двигателя, или источника питания.

 

Керамические высоковольтные конденсаторы

В семейство керамических высоковольтных конденсаторов обычно включаются только конденсаторы, работающие с напряжением не менее 500 вольт. Такое напряжение может считаться по своей природе, действительно, высоким напряжением.

Эти конденсаторы могут рассматриваться, как полномочные представители рынка керамических конденсаторов высокого напряжения. К ним относятся многослойные, однослойные и полусферические керамические высоковольтные конденсаторы. Керамические высоковольтные конденсаторы обычно применяются с напряжением от 500 вольт до 100 000 Вольт, и используются, в основном, в специальных источниках энергии, и в связанной с ними силовой электронике. Во всем мире такие приложения относятся к обороне, к медицине, и к забойным насосам.

 

Другие высоковольтные конденсаторы

Чтобы не оставлять в стороне другие диэлектрики, следует отметить, что некоторые продукты на их основе также можно считать относящимися к высокому напряжению. Их не следует исключать из обзора, и поэтому они упоминаются здесь.

— Танталовые электролитические конденсаторы

Танталовые конденсаторы на основе электролита высокой проводимости используются в медицинских имплантатах. Они работают с напряжением от 600 вольт до 1 кВ. Эти конденсаторы по своей природе являются электролитическими конденсаторами, и их уникальная конструкция обеспечивает большую емкость, сравнимую с электролитическими алюминиевыми конденсаторами. Однако танталовые конденсаторы служат дольше.

— Конденсаторы из слюдяной бумаги

Рынок конденсаторов на основе восстановленной слюды является относительно небольшим, однако их уникальная конструкция предоставляет потребителям две специфических возможности — работа при температуре в 200 градусов Цельсия, и работа с высоким напряжением, от 1 кВ до 30 кВ. Слюдяные конденсаторы используются почти исключительно в оборонных приложениях, таких, как детонаторы, и системы зажигания для реактивных двигателей.

— Стеклянные конденсаторы

Конденсаторы из специального стекла изготавливаются исключительно по военным спецификациям, в соответствии с документом MIL-C-11272. Эти стеклянные конденсаторы работают при напряжении в 500 Вольт и используются, как для оборонных приложений, так и для приложений, связанных с забойными насосами.

— Углеродные конденсаторы

Углеродные конденсаторы характеризуются уникальным дизайном и строением, и предлагают пользователям высокую плотность энергии при высоком напряжении (до 1,2 кВ). Применение таких конденсаторов носит почти исключительно военный характер.

Высоковольтные конденсаторы, как часть общего рынка конденсаторов

Основным результатом настоящего отчета является то, что в 2012 году размер рынка конденсаторов высокого напряжения составит в годовом объеме 16% величины всего рынка конденсаторов. Это большой глобальный рынок, на котором спрос образуется, в первую очередь, благодаря приложениям, связанным с оборудованием обслуживания электрических линий, а также приложениям специального характера, таким как оборона, оборудование нефтегазовой промышленности, и медицинские устройства.

Конфигурация компонентов рынка высоковольтных конденсаторов

(малые цилиндрические, большие цилиндрические, выводные и SMD)

 «Цилиндры» отдельных конденсаторов составляют самую большую часть рынка конденсаторов высокого напряжения. На их долю приходится около 74% всего потребления, в то время как традиционные компоненты (чипы, с осевыми и радиальными выводами) составляют в 2012 году в денежном выражении всего 26%.

«Цилиндрические» конденсаторы используются для передачи и распределения электроэнергии и для управления двигателями. Сюда же относятся мощные пленочные конденсаторы, конденсаторы, применяемые для промышленной коррекции мощности,  конденсаторы магнитных дросселей, конденсаторы микроволновых печей, алюминиевые конденсаторы с зажимными контактами и с защелками. Компоненты этой группы включают в себя пленочные конденсаторы импульсного и переменного тока (с радиальными выводами), керамические конденсаторы (многослойные, однослойные, с осевыми и радиальными выводами, и полусферические). Сюда же входят, электролитические танталовые конденсаторы (с осевыми выводами), слюдяные конденсаторы (с осевыми выводами) и стеклянные конденсаторы (с радиальными выводами).

Приведенная ниже схема, разбивает «цилиндрические» высоковольтные конденсаторы на группы. В первую группу выделяются малые цилиндрические конденсаторы (для управления двигателями, промышленной корректировки мощности, для магнитных дросселей, микроволновых печей и алюминиевые конденсаторы на защелках — 45 % объема потребления). Ко второй группе относятся «крупные цилиндрические» конденсаторы (конденсаторы, используемые в передаче и распределении энергии и алюминиевые конденсаторы с зажимными контактами — 29% всего потребления конденсаторов высокого напряжения).

На схеме также показаны чипы поверхностного монтажа (все многослойные), используемые для высоковольтных приложений (9% общего объема), а также выводные конденсаторы (как с осевым, так и с радиальным выводом), такие как конденсаторы с радиальным выводом для импульсного и переменного тока (они составляют 17% объема всех конденсаторов высокого напряжения). К этой же группе относятся керамические выводные конденсаторы, танталовые электролитические конденсаторы и слюдяные конденсаторы.

 

Высоковольтные конденсаторы: Спрос на рынке конечного потребителя

Следующая схема иллюстрирует потребление высоковольтных конденсаторов в сегменте рынка, относящегося к конечным пользователям. В этой схеме мы показываем агрегированное потребление конденсаторов вне зависимости от типа диэлектрика. Читатель должен учесть, что многие из рынков конечных пользователей потребляют больше одного типа конденсатора высокого напряжения. Основной таких рынков являются поставщики энергии — организации, поставляющие и распределяющие электроэнергию, промышленные генераторы и инвертеры, двигатели, а также оборонная электроника, промышленные системы корректировки мощности и другие рынки, связанные с электрическими сетями.

Предметом интереса являются небольшие специализированные сегменты конечных потребителей, где требование высокого напряжения также дополняется другими требованиями, такими, как высокая температура (200 градусов Цельсия, и выше), высокая частота (превышающая 1 Ггц), способность работать в условиях радиации, коррозии, или очень сильной вибрации в течение длительных промежутков времени. К таким рынкам относятся оборона, электроника нефтегазовой отрасли, медицинская электроника, производство полупроводников и другие нестандартные рынки, которые совместно обеспечили в 2012 году объем в 13% потребления высоковольтных конденсаторов.

разбивает «цилиндрические» высоковольтные конденсаторы на группы. В первую группу выделяются малые цилиндрические конденсаторы (для управления двигателями, промышленной корректировки мощности, для магнитных дросселей, микроволновых печей и алюминиевые конденсаторы на защелках — 45 % объема потребления). Ко второй группе относятся «крупные цилиндрические» конденсаторы (конденсаторы, используемые в передаче и распределении энергии и алюминиевые конденсаторы с зажимными контактами — 29% всего потребления конденсаторов высокого напряжения).

На схеме также показаны чипы поверхностного монтажа (все многослойные), используемые для высоковольтных приложений (9% общего объема), а также выводные конденсаторы (как с осевым, так и с радиальным выводом), такие как конденсаторы с радиальным выводом для импульсного и переменного тока (они составляют 17% объема всех конденсаторов высокого напряжения). К этой же группе относятся керамические выводные конденсаторы, танталовые электролитические конденсаторы и слюдяные конденсаторы.

Прогноз: Перспективы высоковольтных конденсаторов для сегмента конечных пользователей в 2017 году

Основным растущим рынком высоковольтных конденсаторов станут промышленные приводы и инвертеры, PSC-двигатели, электроника нефтегазовой промышленности, и медицинская электроника. Спад будет происходить на рынке телевизоров (размагничивание), микроволновых печей (серьезное давление на снижение цен) и балластного освещения (замена на LED).

Предполагается, что в ближайшие пять лет основные рынки высоковольтных конденсаторов останутся в трех основных регионах мира — Азиатско-Тихоокеанский, США, и Европа. Рост по типам конденсаторов будет идти в основном в сегменте больших цилиндрических электролитических конденсаторов, высоковольтных многослойных конденсаторов, а также танталовых электролитических конденсаторов, слюдяных, и стеклянных конденсаторов. Рост пленочных конденсаторов останется стабильным, хотя в некоторых сегментах наметится спад. Это такие сегменты, как дроссельные конденсаторы, конденсаторы для микроволновых печей, и конденсаторы для размагничивания.

В результате, рост пленочных конденсаторов снизится по сравнению с алюминиевыми и керамическими конденсаторами. Но в целом, высоковольтные конденсаторы останутся значительной частью глобальной индустрии конденсаторов, и сохранятся в тех сегментах рынка, которые продолжат быть значимо доходными для производителей. Эта тенденция особенно усилится после того, когда требования высокого напряжения сравняются с требованиями к работе в условиях высокой температуры, высокой частоты, сильной вибрации, коррозии, радиации, и других аспектов по-настоящему суровой окружающей среды.

Электролитический конденсатор – определение, символ, характеристики

Электролитический конденсатор

Конденсатор, в котором используется электролит для получения высокой емкости, является электролитическим конденсатором. Электролит представляет собой жидкость или гель с очень высокой концентрацией ионов. Итак, прежде чем узнать об электролитических конденсаторах, важно узнать о терминах электролит и конденсатор.

Что такое конденсатор?

Конденсатор похож на батарею, но они работают по-разному. Батарея представляет собой электронное устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую. Конденсатор накапливает электростатическую энергию в электрическом поле.

Конденсатор представляет собой двухполюсное электрическое устройство. Он может накапливать энергию в виде электрического заряда. Он состоит из двух электрических проводников, разделенных расстоянием, а пространство между ними заполнено вакуумом или изоляционным материалом, называемым диэлектриком.

Емкость — это способность конденсатора накапливать заряды. Итак, конденсатор накапливает энергию, удерживая пары противоположных зарядов на расстоянии. Простейшая конструкция конденсаторов состоит из двух металлических пластин с зазором между ними.

Что такое электролитический конденсатор?

Конденсатор, между двумя заряженными концами которого находится электролит, называется электролитическим конденсатором. Это общий термин, охватывающий три различных конденсатора:

• Алюминиевый электролитический конденсатор
• Танталовый электролитический конденсатор
• Ниобиевый электролитический конденсатор.

Электролиты этих конденсаторов содержат алюминий или тантал и другие металлы. Способность большой емкости делает электролитические конденсаторы полезными для передачи низкочастотных сигналов. Эти конденсаторы широко используются для фильтрации шума. Они также находят применение в развязке источников питания. Однако наряду с преимуществом большой емкости возникают некоторые недостатки, такие как токи утечки, ограниченный срок службы и эквивалентное последовательное сопротивление.

Знаете ли вы: Некоторые специальные электролитические конденсаторы имеют емкость до тысяч фарад. Они называются суперконденсаторами или двухслойными электролитическими конденсаторами.

Разновидности электролитических конденсаторов

В каждом из трех электролитических конденсаторов используется нетвердый и твердый диоксид марганца. Он также может содержать твердые полимерные электролиты.

В зависимости от металла анода и используемого электролита различают следующие разновидности электролитических конденсаторов:

 

Алюминиевые электролитические конденсаторы	Нетвердый электролит Органические/неорганические растворители	Твердый электролит MnO 2
Танталовые электролитические конденсаторы	Нетвердый электролит Серная кислота Влажный слизень	Твердый электролит MnO 2
Электролитические конденсаторы на основе оксида ниобия	–	Твердый электролит MnO 2

Конструкция электролитических конденсаторов

Алюминиевые электролитические конденсаторы включают следующее:

• две алюминиевые фольги
• бумажная прокладка, пропитанная электролитом

Одна алюминиевая фольга остается покрытой оксидным слоем; эта фольга действует как анод. Алюминиевая фольга без покрытия действует как катод.

При нормальной работе анод находится под положительным напряжением, в отличие от катода. Так, катод часто маркируется знаком минус на корпусе конденсатора.

Пропитанная электролитом бумага (анод) и катод сложены в кучу. Затем свая скручивается и помещается в цилиндрический корпус. Они подключаются к цепи через контакты.

Две распространенные геометрии:

• Осевая
• Радиальный

Осевые конденсаторы состоят из одного контакта на каждом конце цилиндра. Напротив, конденсаторы с радиальной геометрией имеют оба контакта на одном конце цилиндра.

Знаете ли вы: Почему некоторые конденсаторы такие большие? Конденсатор с большой емкостью громоздкий и больше по размеру. Напряжение пробоя диэлектрического слоя пропорционально его толщине. Таким образом, создание более толстых слоев создает конденсаторы с более высоким номинальным напряжением. Емкость электролитического конденсатора зависит от нескольких факторов, в том числе от площади пластины и толщины электролита.

Электролитический конденсатор Символ

Он состоит из алюминиевой или танталовой пластины с оксидным диэлектрическим слоем. Жидкий электролит является другим электродом. Эти поляризованные конденсаторы обеспечивают высокую емкость. Однако они имеют низкую переносимость и высокую взрывоопасность. На следующем рисунке показано обозначение электролитического конденсатора:

Символ электролитического конденсатора

Полярность электролитического конденсатора

Электролитические конденсаторы поляризованы. Эта поляризация обусловлена ​​их асимметричной конструкцией. Они должны работать с более высоким напряжением, когда на аноде больше положительного заряда, чем на катоде. Часто на корпусе есть маркировка полярности.

Почти каждый электролитический конденсатор поляризован, т. е. напряжение на аноде всегда выше, чем на катоде.

Характеристики электролитических конденсаторов

Электрические характеристики электролитических конденсаторов в основном зависят от используемого электролита и анода. Основные характеристики следующие:

1. Емкость и допуск :

Электролит и анод электролитического конденсатора влияют на значение емкости. Емкость во многом зависит от частоты и температуры. Более того, конденсаторы с нетвердым электролитом имеют более широкий диапазон частот и температур, чем конденсаторы с твердым электролитом.

Емкость измеряется в микрофарадах. Значение емкости, указанное производителями, называется номинальной или номинальной емкостью. Процентное отклонение от номинального значения называется допуском емкости.

2. Дрейф емкости:

Емкость имеет большой допуск 20%. Однако с течением времени она дрейфует от номинальной стоимости. Таким образом, алюминиевый электролитический конденсатор с номинальной емкостью 47 мкФ будет иметь емкость от 37,6 мкФ до 56,4 мкФ.

Хотя танталовые конденсаторы также имеют более высокие допуски, низкое максимальное рабочее напряжение. Поэтому их нельзя использовать в качестве идеальной замены алюминиевым конденсаторам.

3. Срок годности электролитических конденсаторов :

Важно отметить, что конденсаторы, изготовленные по старым технологиям, имели меньший срок годности, всего до нескольких месяцев.

Знаете почему?

Потому что, когда их не использовали, оксидный слой разрушался. Однако можно восстановить изношенный слой в процессе, называемом риформингом конденсатора. Этот процесс осуществляется путем подключения электролитического конденсатора к источнику напряжения через резистор. Напряжение медленно увеличивают до полного восстановления оксидного слоя.

Современные электролитические конденсаторы имеют более длительный срок хранения, составляющий два года и более. Однако, если вы оставите эти конденсаторы неполяризованными на более длительное время, их также придется формировать перед использованием.

Применение электролитических конденсаторов

Некоторые применения электролитических конденсаторов:

• Они используются в фильтрующих устройствах для снижения колебаний напряжения.
• Они подходят для сглаживания выходных и входных сигналов для фильтрации при наличии слабого сигнала постоянного тока с составляющей переменного тока.
• Они широко используются для фильтрации шума.
• Используются для развязки источников питания.
• Они также используются для соединения сигналов между каскадами усилителя.
• Они помогают накапливать энергию в лампах-вспышках.

Как бы вы прочитали значение емкости?

Обычно для сквозного конденсатора на корпусе указываются его емкость и максимальное номинальное напряжение.

На нем вы найдете печатный текст типа «4,7 мкФ 25 В». Этот текст подразумевает, что номинальная емкость электролитического конденсатора составляет 4,7 мкФ. 25V означает, что его максимальное номинальное напряжение составляет 25 вольт, и это значение никогда не должно превышаться.

В случае электролитических конденсаторов для поверхностного монтажа вы найдете две основные маркировки. Первый — значение емкости в микрофарадах, а второй — рабочее напряжение.

Таким образом, эти конденсаторы будут иметь следующую маркировку:

4,7 25В

Это означает, что конденсатор имеет емкость 4,7 мкФ и рабочее напряжение 25 Вольт.

В другой системе маркировки вы увидите букву, за которой следуют три цифры. Эта буква означает номинальное напряжение. Значение различных букв представлено в таблице ниже. Среди трех чисел первые два представляют значение в пикофарадах, а третье число говорит, сколько нулей вы должны добавить к первым двум. Следующий пример поможет вам лучше понять.

Если вы встретите электролитический конденсатор с маркировкой – E476, это означает, что E означает 25 вольт, а 476 означает, что к 47 нужно добавить шесть нулей, чтобы получить емкость в пикофарадах. Следовательно, показание конденсатора будет 47000000 пФ = 47000 нФ = 47 мкФ.

Буквы на конденсаторах обозначают следующие максимальные значения напряжения:

Письмо	Напряжение
и	2,5
Г	4
Дж	6,3
А	10
С	16
Д	20
Е	25
В	35
Н	50

Чем электролитический конденсатор отличается от керамического конденсатора?

В следующей таблице перечислены основные различия между электролитическим и неэлектролитическим или керамическим конденсатором:

Керамический конденсатор

Поляризация

Это тип поляризованного конденсатора. Это не поляризованный конденсатор. Анодная клемма Анодная клемма больше катодной.

Оба терминала равны.

Диапазон

от 0,1 мкФ до 4700 мкФ

от 10 пФ до 0,1 мкФ

Температурная стабильность

Бедный

Хорошо

Допуск

Высокий

Низкий

Жизнь

Короткий

Длиннее

Заключение

Электролитический конденсатор позволяет достичь высокой емкости при введении электролита. Его анодный вывод всегда выше катода. Эти конденсаторы находят применение в различных областях, но чаще всего используются для уменьшения колебаний напряжения в фильтрующих устройствах.

Часто задаваемые вопросы

Q1. Что такое емкость?

Емкость описывает отношение изменения электрического заряда (Q) электрической системы к соответствующему изменению электрического потенциала.

Q2. Что такое конденсатор?

Конденсаторы представляют собой электрический компонент, сохраняющий энергию в виде электрических зарядов. Он состоит из двойных проводников, разделенных отмеченным расстоянием. Пространство между проводниками заполнено диэлектриком или вакуумом.

Q3. Что является единицей измерения емкости?

Единицей измерения емкости в системе СИ является фарад (сокращенно F). Его также можно измерять в микрофарадах. Единица названа в честь ученого Майкла Фарадея.

Электролитические конденсаторы

В этой статье объясняется основная концепция электролитических конденсаторов, их конструкция и основные характеристики.

Основная идея типов электролитических конденсаторов состоит в том, чтобы максимизировать площадь поверхности электродов и, таким образом, увеличить значение емкости и плотность емкости.

Мелкие поры, полости, созданные на поверхности электрода (анода), затем покрываются диэлектриком – обычно изолятором/полупроводниковым оксидом металла. Электролит в жидкой/влажной, гелеобразной или твердой форме используется в качестве среды для контакта с высокой поверхностью со второй стороны и доведения ее посредством механизмов электропроводности до второго электрода (катода).

Электролитические конденсаторы имеют более сложную конструкцию, чем электростатические конденсаторы. Функция электролита состоит в том, чтобы обеспечить электрическое соединение с первым электродом с очень высокой поверхностью с тонкой структурой и, таким образом, достичь высоких значений емкости. Конденсаторы имеют анод и катод, поэтому они зависят от полярности. Между анодом и катодом находится проводящая среда в жидкой или твердой форме, называемая электролитом, которая на практике служит частью катода. Конденсаторы получили свое название от электролита и в повседневном языке называются электролитическими. Иногда танталовые электролиты сокращенно называют танталами.

Электролитические конденсаторы состоят из следующих разделов, которые будут обсуждаться в следующих разделах:

В этой статье также рассматриваются особенности электролитических конденсаторов и ссылки на измерения тока утечки DCL, ESR, DF в последнем разделе.

Диэлектрик электролитических конденсаторов состоит из оксидов алюминия (Al), тантала (Ta) или ниобия (Nb). Они относятся к так называемым вентильным металлам, которые имеют свойство образовывать оксиды с ректифицирующим действием при анодном окислении. В основном образуются оксиды алюминия, тантала или ниобия в зависимости от конкретного оксидного состояния металла. Отсюда получаем Al ₂ O ₃ с ε _R ≈ 8 — 9, TA ₂ O ₅ с ε _R ≈ 27 и NB ₂ O ₅ с ε _{R R R R из} R из r из из из из из OF ₅ . 41. Поскольку другие типы конденсаторов названы в честь их диэлектрика, электролитические конденсаторы по праву должны были бы называться оксидными конденсаторами, но нынешнее обозначение слишком известно, чтобы их можно было заменить чем-либо другим. Оксиды Al и Ta обладают хорошей изоляционной способностью и очень высоким диэлектрическим сопротивлением. Поскольку эти оксиды можно сделать очень тонкими, мы получаем, согласно формуле C = ε x A/d, соответствующую высокую емкость.

Формование Рис. 2. Принцип образования

Оксиды образуются уже на открытом воздухе, но при подаче постоянного тока от металла в так называемую формовочную ванну можно создать оксидный слой, но только до определенного предела. На рис. 2 показана формовочная ванна или электролит с двумя электродами, положительным анодом и отрицательным катодом. Нарастание оксида происходит на металле анода, на границе между электролитом и металлом. Когда напряжение формования алюминиевой фольги приближается к определенным предельным значениям — в настоящее время около 800 В — мы достигаем предела, при котором рост оксида прекращается. Чуть ниже находится максимальное номинальное напряжение для мокрых алюминиевых электролитов, т. е. примерно 550 В.

Твердые требуют, как мы увидим, совсем других запасов по напряжению формирования. Для влажных танталовых электролитов с конструкцией электрода из фольги максимальное номинальное напряжение останавливается где-то выше 300 В, для влажных спеченных типов на уровне 250 В и для сплошных спеченных стилей на уровне 150 В. Процесс образования оксида называется формованием или анодным окислением, и он продолжается до тех пор, пока приложенное формовочное напряжение не превысит в некоторой степени требуемое номинальное напряжение. Для влажных электролитов обычно останавливают примерно на десять процентов выше VR. Однако твердые электролиты требуют формирования напряжения, кратного номинальному напряжению. Общим для всех электролитов является их неспособность выдерживать значительные перенапряжения. Если для электростатических конденсаторов указано испытательное напряжение 150…250 % от номинального напряжения, то для электролитов указано импульсное напряжение Vs, обычно 110⋅⋅⋅115 % VR. Импульсное напряжение представляет собой максимальное кратковременное напряжение.

Рис. 3. Различные типы напряжений, подаваемых на электролитический конденсатор

Сумма рабочего постоянного напряжения и пикового значения наложенного переменного напряжения, также называемого пульсирующим напряжением, не должна превышать VR при длительной работе. На рис. 3 показана диаграмма с номинальным постоянным напряжением VR, рабочим напряжением VDC, наложенным переменным напряжением VAC и, наконец, импульсным напряжением VS. Процесс формирования зависит от полярности. Если мы поменяем полярность, оксидный слой будет разложен. Схематически оксидный конденсатор, зависящий от полярности, можно описать как емкость, подключенную параллельно диоду.

Рисунок 4. Пример элемента оксидного конденсатора и его принципиальная схема

В обратном направлении диода конденсатор может выдерживать напряжение, соответствующее толщине сформированного оксидного слоя. Это зависит от электролита с недостатком электронов, который мало способен передавать какие-либо заряды оксидному слою. Электролит, однако, содержит много отрицательных ионов, в основном кислорода, но из-за их сравнительно большого размера они могут диффундировать через узкую кристаллическую сетку оксида только с очень медленной скоростью.

Вместе с редко встречающимися электронами в электролите они образуют небольшой, но не пренебрежимо малый ток, так называемый ток утечки. Однако в обратном направлении конденсатора электроны могут относительно свободно двигаться от металла анода через оксидный слой к электролиту, где они встречаются с соответствующим ионным потоком. Оксидный слой ведет себя как диод, и падение напряжения будет соответственно низким (рис. 4). Если мы подадим обратное напряжение на готовый конденсатор, то ток утечки увеличится, в худшем случае, лавинообразно. Это зависит от температуры, напряжения и, что немаловажно, от типа конденсатора.

Электрохимический рост оксида путем образования в принципе может быть адаптирован к любому низкому номинальному напряжению, начиная с выдерживаемого диэлектрическим напряжением оксидированного слоя воздуха. Это примерно 3 В для тантала и 1 В для алюминия. Слой оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ) затем увеличивается в процессе формирования приблизительно на 1,5 нм/В (0,06 микродюймов/В), пентаоксида тантала (Ta ₂ O ₅ ) примерно на 2,2 нм. /V (0,09 микродюйма/V) и пятиокиси ниобия примерно на 25% больше, чем у пятиокиси тантала. С

Увеличение поверхности

Как видно из формулы C = ε x A/d, емкость увеличивается при увеличении поверхности. В электролитах поверхность увеличивают одним из двух способов: 1. Травлением плоской фольги, получая таким образом шероховатую поверхность. 2. Путем спекания металлических гранул в пористую таблетку, суммарная поверхность гранул которой будет очень большой.

Рис. 5. Схема поперечного сечения протравленной и формованной фольги, показывающая степень шероховатости поверхности и относительную толщину оксидного слоя Рис. 6. Различия в увеличении поверхности низковольтных и высоковольтных электролитов

В принципе травление может выглядеть как поперечный разрез на Рис. 5. В действительности оно выглядит как губка или туннель. Изготавливается с разной степенью проплавления, характером поверхности и увеличением поверхности, т. е. во сколько раз травленая поверхность больше, чем у гладкой фольги. Усовершенствованная технология и средства контроля сделали возможным чрезвычайно высокое увеличение поверхности алюминиевой фольги. Общие цифры говорят максимум 300 раз. Другой источник утверждает, что от 400 до 1000 раз.

В электролитах высокого напряжения пустоты уменьшаются за счет толстого оксидного слоя. Увеличение поверхности уменьшается (рис. 6).

Рис. 7. Схематическое поперечное сечение спеченного и формованного танталового компакта

Граница между низковольтными и высоковольтными электролитами обычно устанавливается при VR ≤ 100 соответственно ≥ 150В. Чем более разложена протравленная поверхность, тем важнее промыть все карманы, полости и каналы поверхности от агрессивного травильного раствора. Пользователи должны выбирать тех производителей, которые демонстрируют целенаправленные усилия по достижению необходимой степени чистоты и имеют средства контроля качества, проверяющие адекватную промывку каждой партии деталей.