Современные конденсаторы: Современные конденсаторы

С первого взгляда конденсаторы кажутся достаточно простыми электронными компонентами, но подобрать оптимальный конденсатор с каждым годом становится все сложнее. Дело в том, что за последние несколько лет разнообразие присутствующих на рынке компонентов значительно расширилось. В значительной степени это стало следствием развития полимерных конденсаторов (рис. 1).

Рис. 1. Разнообразие конденсаторов значительно увеличилось, в том числе благодаря развитию полимерных конденсаторов

В полимерных конденсаторах проводящий слой полимера выступает в качестве электролита. В гибридных конденсаторах полимер используется в сочетании с жидким электролитом. В любом случае, полимерные конденсаторы превосходят обычные электролитические и керамические конденсаторы по целому ряду характеристик:

• по электрическим параметрам;
• по уровню стабильности;
• по долговечности;
• по надежности;
• по безопасности;
• по стоимость жизненного цикла.

Различные полимерные и гибридные конденсаторы оказываются весьма близки по уровню напряжений, частотным характеристикам, рабочим параметрам окружающей среды и другим требованиям эксплуатации. В данной статье даются рекомендации по выбору оптимального конденсатора. В ней также рассматриваются конкретные приложения, в которых полимерные или гибридные конденсаторы будут более оптимальным выбором по сравнению с традиционными электролитическими или даже керамическими конденсаторами.

Конструктивные исполнения полимерных конденсаторов

Полимерные конденсаторы имеют четыре конструктивных исполнения с учетом гибридного варианта. Между собой они отличаются типом корпуса, материалами электролита и электродов.

Многослойные полимерные алюминиевые конденсаторы используют проводящий полимер в качестве электролита и имеют алюминиевый катод (рис. 2). Эти конденсаторы перекрывают диапазон рабочих напряжений 2…35 В и характеризуются емкостью 2,2…560 мкФ. Отличительной чертой данного типа полимерных конденсаторов является их чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Например, некоторые из полимерных конденсаторов SP-Cap™ от Panasonic имеют значения ESR от 3 мОм, что является одним из самых низких значений в отрасли. Конденсаторы SP-Cap покрыты защитным слоем компаунда и предназначены для поверхностного монтажа. Благодаря хорошим электрическим характеристикам и компактному размеру они находят свое применение в различных портативных электронных устройствах и в других приложениях, требующих низкопрофильных компонентов, которые не будут мешать установке радиаторов.

Рис. 2. Конструкция многослойного полимерного конденсатора

Выводные полимерные алюминиевые конденсаторы также используют алюминиевые обкладки и проводящий полимер в качестве электролита, но имеют рулонную конструкцию (рис. 3).

Рис. 3. Конструкция выводного полимерного конденсатора

По сравнению с другими типами полимерных конденсаторов конденсаторы с рулонной конструкцией перекрывают более широкий диапазон рабочих напряжений и емкостей.

Рис. 4. Внешний вид конденсаторов OS-CON™ от Panasonic

Полимерные танталовые конденсаторы используют проводящий полимер в качестве электролита, а катод у них изготовлен из тантала (рис. 5).

Рис. 5. Конструкция полимерного танталового конденсатора

Полимерные танталовые конденсаторы охватывают диапазон рабочих напряжений 2…35 В и диапазон емкостей 3,9…1500 мкФ. Они также характеризуются низким значением ESR. Например, у некоторых моделей конденсаторов POSCAP™ от Panasonic значения ESR начинаются от 5 мОм (рис. 6). Конденсаторы POSCAP предназначены для поверхностного монтажа и являются самыми компактными на рынке. Например, размер POSCAP M составляет всего 2,0 x 1,25 мм. Существуют также и другие варианты типоразмеров.

Рис. 6. Внешний вид конденсаторов POSCAP™ от Panasonic

Полимерные гибридные алюминиевые конденсаторы. Как следует из их названия, эти конденсаторы используют комбинацию жидкого и твердого электролита (проводящего полимера) и алюминий в качестве катода (рис. 7). Такая конструкция заимствует лучшие качества у различных типов конденсаторов. В частности полимер обеспечивает низкое значение ESR. В то же время, жидкая часть электролита может выдерживать высокие напряжения и гарантирует повышенную удельную емкость благодаря большой эффективной площади электродов. Гибридные конденсаторы характеризуются диапазоном рабочих напряжений 25…80 В и емкостью 10…330 мкФ. ESR у гибридных конденсаторов составляет 20…120 мОм, что выше, чему других полимерных конденсаторов, однако такой результат можно считать отличным, учитывая, что их используют в мощных приложениях.

Рис. 7. Конструкция гибридного полимерного алюминиевого конденсатора

Преимущества полимерных конденсаторов

Несмотря на различия в конструктивном исполнении и перечне используемых материалов, все рассмотренные выше типы полимерных конденсаторов имеют целый ряд общих важных достоинств:

Чтобы подтвердить самовосстанавливающуюся природу полимерных и гибридных конденсаторов, было проведено множество испытаний. В одном из тестов сравнивались полимерные конденсаторы SP-Cap от Panasonic с обычными конденсаторами Tantalum-MnO2. Полимерные конденсаторы без проблем выдерживали короткие импульсы тока до 7 А, в то время как танталовые конденсаторы начинали «дымиться» уже при 3 А и загорались при 5 А. Подобное повышение безопасности имеет важные схемотехнические и финансовые последствия. Обычно, чтобы обеспечить безопасность при использовании танталовых конденсаторов, рабочее напряжение выбирается на 30-50% меньше, чем указанный для них рейтинг напряжения. Это приводит к необходимости использования более высоковольтных танталовых конденсаторов с меньшей емкостью, а значит к росту числа конденсаторов и увеличению стоимости. Для полимерных конденсаторов Panasonic, напротив, гарантируется безотказная работа даже при напряжениях 90% от номинала.

Рассмотрим отдельно преимущества гибридных полимерных конденсаторов.

Преимущества гибридных полимерных конденсаторов

Рабочие частоты современных электронных устройств постоянно увеличиваются, а их габариты наоборот уменьшаются. Это делает гибридные конденсаторы все более привлекательными для самых разнообразных приложений.

Как уже было сказано выше, гибридные конденсаторы характеризуются отличной стабильностью параметров при работе на повышенных частотах. Они также обладают и целым рядом других преимуществ, которые делают их оптимальным выбором для таких приложений как компьютерные серверы, устройства резервного копирования, а также приводы электродвигателей, блоки управления автомобильным двигателем, камеры безопасности и светодиодное освещение.

Среди достоинств гибридных конденсаторов следует выделить:

Компактность и надежность гибридных конденсаторов совместно обеспечивают значительную экономическую выгоду, несмотря на высокую стоимость этих компонентов. Например, способность выдерживать значительные импульсные токи приводит к увеличению срока службы и снижению общей стоимости на 20%. В рассмотренном выше примере с блоком питания 48 В, стоимость гибридных конденсаторов составила только 50% от стоимости алюминиевых электролитов. Такая экономия стала возможной благодаря сокращению размера печатной платы, увеличению срока службы и уменьшению стоимости гарантийного обслуживания.

Теперь, когда проанализированы основные достоинства полимерных и гибридных конденсаторов, рассмотрим основные области их применения.

Полимерные и гибридные конденсаторы для IT-инфраструктуры

Слабым звеном в оборудовании для IT-сферы являются конденсаторы, используемые в источниках питания.

Другим решением проблемы высыхания электролита становятся современные полимерные конденсаторы, которые позволяют увеличить жизненный цикл и надежность IT-оборудования, такого как серверы, коммутаторы, маршрутизаторы и модемы.

Полимерные конденсаторы с рулонной конструкцией, в частности OS-CON, не имеют жидкого электролита и поэтому имеют чрезвычайно долгий срок службы. Танталовые полимерные конденсаторы, например POSCAP, не содержат кислорода.

Все три семейства полимерных конденсаторов также обладают и другими важными достоинствами, востребованными в данном сегменте электронного оборудования:

• компактные размеры;
• низкое сопротивление ESR;
• способность выдерживать значительные импульсные токи;
• значительный срок службы.

Полимерные и гибридные конденсаторы для автомобильных приложений

Полимерные конденсаторы все чаще используются в автомобильной электронике. В частности полимерные и гибридные конденсаторы от Panasonic отвечают следующим требованиям:

• Семейства POSCAP, OS-CON, а также гибридные полимерные конденсаторы соответствуют стандартам AEC.
• Конденсаторы производятся на сертифицированном предприятии.
• При производстве используется Production Part Approval Process (PPAP).

Полимерные и гибридные конденсаторы для промышленных приложений

Количество электронных устройств, используемых в промышленности, постоянно растет. Это приводит к необходимости повышения надежности, в том числе и конденсаторов. Задача усложняется тем фактом, что промышленные условия эксплуатации зачастую оказываются достаточно агрессивными.

Полимерные и гибридные конденсаторы идеально подходят для промышленных приложений, поскольку они обладают целым рядом важных достоинств:

• Длительный срок службы. Это преимущество особенно важно для промышленных установок со значительным сроком эксплуатации.
• Способность выдерживать значительные импульсные токи. Высокие импульсные токи являются следствием работы электродвигателей и емкостной нагрузки.
• Высокая рабочая температура. В промышленности оборудование зачастую эксплуатируется при повышенных температурах.
• Высокие рабочие напряжения.
• Высокая удельная емкость.

В качестве конкретных промышленных приложений для полимерных и гибридных конденсаторов можно привести приводы электродвигателей, силовые инверторы и промышленное освещение. Полимерные конденсаторы, например, POSCAP и SP-Cap могут применяться в системах управления и промышленных контроллерах, благодаря отличным электрическим характеристикам и компактным габаритам.

Заключение

Полимерные конденсаторы выпускаются с 1990 года. При этом они продолжают развиваться, как с точки зрения электрических характеристик, так и с точки зрения уменьшения габаритов. В качестве примера можно рассмотреть линейку многослойных алюминиевых полимерных конденсаторов от Panasonic. Новые модели будут обладать еще меньшим последовательным сопротивлением (от 2 мОм) и еще большей емкостью (до 680 мкФ).

Новые танталовые полимерные конденсаторы также демонстрируют снижение ESR и уменьшение габаритов. Например, от конденсаторов типоразмера B с габаритами 3,5×2,8 мм следует ожидать падения ESR с 9 до 6 мОм.

Линейки гибридных конденсаторов также развиваются. Например, Panasonic предлагает новые модели с напряжениями 16 В и 100 В. Кроме того, срок службы и устойчивость к броскам тока для них будут увеличены.

Эти постоянные технические усовершенствования делают полимерные и гибридные конденсаторы все более привлекательной альтернативой традиционным танталовым конденсаторам и многослойным керамическим конденсаторам (MLCC).

Автор: Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Производители: Panasonic

Разделы: Конденсаторы электролитические танталовые, Конденсаторы электролитические алюминиевые

Опубликовано: 06.11.2018

конденсаторов

ПОСЛЕДНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ:

ВЫ ЗДЕСЬ: ГЛАВНАЯ > БАЗОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА > ЕМКОСТЬ > СОВРЕМЕННЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

Что такое современные конденсаторы?

За последние 100 лет (я беру здесь лицензию, потому что в 1900 году действительно существовали какие-то конденсаторы) в конструкции конденсаторов произошло много замечательных изменений.

Шрифты, которые были в моде, скажем, 25 лет назад, больше не подходят для требуемой цели. Одним из таких типов была бы серебряная слюда, которая была в моде для компонентов, определяющих частоту в радио. Сегодня я бы ни на секунду не стал об этом задумываться, потому что современные типы керамики намного, намного более стабильны с четко определенными температурными коэффициентами и допусками. Точно так же современные типы полистирола значительно улучшены.

Вот список некоторых наиболее распространенных типов и их свойств.

Воздушные переменные

Показатели качества воздуха в настоящее время редко используются в основном из-за связанных с этим затрат. Новые радиопеременные почти непомерно дороги для любительского радио или электронного хобби. Существует большой рынок избыточных или бывших в употреблении типов, но даже они относительно дороги и обычно требуют дополнительного дорогостоящего редукционного привода и циферблатного механизма.

На сегодняшний день они в значительной степени вытеснены диодами с регулируемым напряжением, синтезаторами частоты и цифровыми считывающими устройствами.

Воздушные переменные триммера были заменены более экономичными и миниатюрными типами керамических или пластиковых пленок с различными диапазонами.

Миниатюрные подстроечные конденсаторы

Керамические конденсаторы

обычно выбирают для приложений с меньшей емкостью, где рабочая частота может быть очень высокой. Керамика предлагает более низкое ESR, чем, скажем, танталы. Кроме того, керамика имеет то преимущество, что она менее чувствительна к переходным напряжениям и нечувствительна к полярности. http://www.kemet.com/

Конденсаторы монолитные Blue Chip

Высоковольтные керамические конденсаторы

Разделительные конденсаторы из металлизированного полипропилена

Неполяризованные разделительные конденсаторы

Тег Танталовые конденсаторы

обычно выбирают для приложений, где рабочая частота не превышает 10 МГц и где требуется очень высокая емкость. http://www. kemet.com/

Электролитические конденсаторы

Суперконденсаторы

Конденсаторы из металлизированного полиэстера или майлара

MKT миниатюрные полиэфирные конденсаторы

MKT миниатюрные полиэфирные конденсаторы

Конденсаторы сети 250 В переменного тока

Конденсаторы для коррекции коэффициента мощности

Ссылка на эту страницу

НОВИНКА! – Как напрямую перейти на эту страницу

Хотите создать ссылку на мою страницу с вашего сайта? Это не может быть проще. Знание HTML не требуется; даже технофобы могут это сделать. Все, что вам нужно сделать, это скопировать и вставить следующий код. Все ссылки приветствуются; Я искренне благодарю вас за вашу поддержку.

Скопируйте и вставьте следующий код для текстовой ссылки :

<а href="https://www.electronics-tutorials.com/basics/modern-capacitors.htm" target="_top">посетите страницу Ian Purdie VK2TIP «Современные конденсаторы»

и должно выглядеть так:
посетите страницу Ian Purdie VK2TIP “Современные конденсаторы”

ВЫ ЗДЕСЬ: ГЛАВНАЯ > БАЗОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА > ЕМКОСТЬ > СОВРЕМЕННЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

автор Ян С. Пурди, VK2TIP сайта www.electronics-tutorials.com заявляет о моральном праве на быть идентифицированным как автор этого веб-сайта и всего его содержимого. Copyright © 2000, все права защищены. Смотрите копирование и ссылки. Эти электронные учебные пособия предназначены для индивидуального частного использования, и автор не несет никакой ответственности за применение, использование, неправильное использование любого из этих проектов или учебных пособий по электронике, которые могут привести к прямому или косвенному ущербу или потерям, связанным с этими проектами или учебными пособиями. . Все материалы предоставляются для бесплатного частного и публичного использования.
Коммерческое использование запрещено без предварительного письменного разрешения www.electronics-tutorials.com.

Copyright © 2000 – 2001, все права защищены. URL – https://www.electronics-tutorials.com/basics/modern-capacitors.htm

Обновлено 5 мая 2001 г.

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 двуокись 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, заполненный 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 усовершенствования, такие как придание шероховатости поверхности анода 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. Усовершенствования 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 усовершенствовала 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 улучшил 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. К 1970 году электроэнергетика использовала пленочные конденсаторы без бумаги.

Двухслойные (суперконденсаторы)

Supercapacitors, Maxwell Technologies, Inc. [CC BY-SA 3.0], через Wikimedia Commons фарады. В начале 19Исследователи 50-х годов в General Electric использовали свой опыт работы с топливными элементами и перезаряжаемыми батареями для экспериментов с конденсаторами с пористыми углеродными электродами. Это привело к тому, что Х. Беккер запатентовал конденсатор как «Низковольтный электролитический конденсатор с пористыми углеродными электродами», не понимая лежащего в его основе принципа, который привел к чрезвычайно высокой емкости. 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 нашу статью «История конденсатора — первые годы», нет недостатка в использовании термина «конденсатор», а не «конденсатор».