Конденсаторы для «чайников». Для чего нужен электролитический конденсатор

Конденсаторы для «чайников» / Хабр

Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.

Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.

Начнём с простого

Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.

Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт. Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости εr использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.

Паразитные индуктивность и сопротивление реального конденсатора

С использованием диэлектриков в конденсаторах есть одна проблемка, наряду с тем, что диэлектрик с нужными характеристиками обладает неприятными побочными эффектами. У всех конденсаторов есть небольшие паразитные сопротивление и индуктивность, которые иногда могут влиять на его работу. Электрические постоянные меняются от температуры и напряжения, пьезоэлектричества или шума. Некоторые конденсаторы стоят слишком дорого, у некоторых существуют состояния отказа. И вот мы подошли к основной части статьи, в которой расскажем о разных типах конденсаторов, и об их свойствах, полезных и вредных. Мы не будем освещать все возможные технологии, хотя большинство обычных мы опишем.

Алюминиевые электролитические

Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.

На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.

У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.

Танталовые электролитические

Танталовый конденсатор поверхностного размещения

Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.

Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.

В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за состоянием отказа, бывает, что они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.

Полимерные плёнки

Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ. У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.

Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.

Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.

Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.

Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.

В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.

Керамика

История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.

Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства. Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.

C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.

X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.

Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.

Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.

Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.

Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через личные сообщения сайта. Спасибо.

habr.com

Рабочий электролит для конденсатора, способ его приготовления и алюминиевый электролитический конденсатор с таким электролитом

Изобретение относится к электротехнике, в частности к рабочему электролиту для конденсатора, способу его приготовления и алюминиевому электролитическому конденсатору с таким электролитом, работающему при напряжениях 16-63 В в интервале рабочих температур от минус 60 до 105°С. В состав электролита входит растворитель, состоящий из гамма-бутиролактона и N-метилпирролидона в соотношении 50-100 и 50-0 мас.% соответственно и занимающий в составе рабочего электролита 77-90 мас.%, дикарбоновая кислота или ее аммонийная соль в качестве основного ионогена, а также третичный алифатический амин, занимающие в составе рабочего электролита 5-12 и 5-11 мас.% соответственно. Способ приготовления рабочего электролита, согласно которому сначала нагревают смешанный органический растворитель до температуры 40°С и вводят основной ионоген и третичный алифатический амин, а затем при интенсивном перемешивании доводят рабочий электролит до конечной температуры нагрева, которая составляет 50°С. Технический результат от использования изобретения - хорошие и стабильные характеристики рабочего электролита и конденсатора во всем интервале указанных рабочих температур, особенно при низкой температуре. 3 н.п. и 3 з. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

Изобретение относится к производству изделий электронной техники, конкретно к производству конденсаторов, более конкретно к производству алюминиевых электролитических конденсаторов, преимущественно - к производству алюминиевых электролитических конденсаторов, работающих при рабочих напряжениях от 16 до 63 В в интервале рабочих температур от минус 60 до 105°С.

Рабочий электролит (далее - электролит), в котором прохождение электрического тока осуществляется за счет движения ионов и сопровождается электролизом, обеспечивает работоспособность конденсатора при определенных рабочих напряжениях в определенном интервале рабочих температур. Важно, чтобы электролит был химически совместим с прокладочными материалами, например конденсаторной бумагой, и с остальными материалами, из которых выполнены элементы конденсатора, обладал высокой проводимостью и проявлял химическую и температурную стабильность в течение всего срока службы конденсатора. Для сохранения постоянства электрических характеристик конденсатора во всем интервале рабочих температур необходимо, чтобы параметры электролита, особенно проводимость, как можно меньше зависели от температуры.

Состав электролита должен обеспечивать в интервале рабочих температур и в интервале рабочих напряжений как быстрое образование слоя оксида алюминия на аноде конденсатора, служащего в конденсаторе диэлектриком, при прохождении через него электрического тока (подформовка алюминиевого фольгового анода по кромкам и микротрещинам, образовавшимся при порезке фольги и намотке секций), так и отсутствие искрения, выражающего начинающийся процесс анодного пробоя электролита, а в последующем и конденсатора. В силу этого напряжение анодного пробоя должно быть всегда заведомо больше напряжения формовки и тем более больше рабочего напряжения конденсатора.

Основными компонентами электролита являются ионообразующие вещества (ионогены), органические и неорганические кислоты и их соли, но они редко применяются непосредственно в том виде, как они есть - как правило, требуют растворения в подходящем растворителе, чтобы произошла электролитическая диссоциация с образованием ионов и получился нужный по консистенции электролит. Компоненты электролита не должны создавать ионы, вызывающие коррозию или способствующие коррозии алюминия, оксида алюминия, а также материала других элементов конденсатора.

Электролит не должен проявлять повышенное газообразование (выделение водорода) на катоде конденсатора при повышенной температуре, в том числе на верхней границе интервала рабочих температур, а это зависит как от состава электролита, так и от качественных изменений в нем в связи с процессом электролиза, происходящего при работе электролитического конденсатора.

Удельная проводимость, а также температура кипения электролита зависят от остаточного содержания воды в приготовленном электролите, в том числе образованной в процессе химического взаимодействия его компонентов, и следовательно, от состава электролита и от конечной температуры нагрева электролита и времени его приготовления. Конечная температура нагрева электролита, которая соответствует конечному моменту его приготовления, является и наибольшей температурой, до которой нагревают электролит.

Напряжение анодного пробоя в значительной степени зависит от конечной температуры нагрева электролита, при этом дикарбоновые кислоты повышают его величину, способствуя улучшению этого параметра.

Как правило, электролит должен иметь величину логарифма концентрации водородных ионов (рН) около 7, чтобы не проявлялись сколько-нибудь заметно нежелательные процессы, ухудшающие работоспособность и срок службы конденсатора, например растворение алюминия и оксида алюминия в электролите или гидратация оксида алюминия. Величина рН зависит как от состава электролита, так и от температуры его приготовления.

Вязкость характеризует консистенцию электролита и зависит от содержания в нем воды и летучих веществ, а также от температуры и времени его приготовления.

В конечном итоге на параметры электролита влияют как его состав, так и технология его приготовления.

Электрические характеристики конденсатора, в свою очередь, в значительной степени зависят от параметров использованного в нем электролита.

Известен электролит, описанный в патенте US 4509094, кл. Н01G 4/22, Н01G 9/02, опубл. 02.04.1985, который работоспособен при напряжении 150 В и выше, а также при повышенной температуре 105°С и низкой температуре минус 40°С и состоит, например, из комплексной однозамещенной соли азелаиновой кислоты с триэтиламином, которая является ионогеном, и смешанного растворителя, содержащего небольшое количество воды и, например, смесь бутиролактона и N-метилпирролидона; электролит обеспечивает в указанном интервале температур малые изменения проводимости, а газообразование электролита при повышенной температуре может быть снижено за счет применения нитросоединения, например нитропропана, в качестве катодного деполяризатора.

Однако этот электролит не работает при температуре минус 60°С и имеет повышенную токсичность, когда в его состав включено в качестве катодного деполяризатора нитросоединение, например нитропропан, который обладает наркотическим действием.

Также известен электролит для электролитического конденсатора, описанный в патенте DE 10142100, кл. Н01G 9/022, опубл. 03.04.2003, где в составе электролита используются соли циклических дикарбоновых кислот с несимметричной структурой, благодаря чему создается повышенная проводимость электролита при повышенном напряжении искрения и электролит хорошо работает при повышенной температуре.

Этот электролит не обеспечивает работу конденсатора при низкой температуре.

А также известен электролит для алюминиевого электролитического конденсатора, описанный в патенте US 5175674, кл. Н01G 9/02, опубл. 29.12.1992, который содержит монокарбоновую кислоту, сопряженную с алифатическим диеном, неметаллические соли этой кислоты, амиды и сложные эфиры этой кислоты, а также амин или аммиак для приведения рН электролита к величине 7-8,5 и нетоксичный деполяризатор, в качестве которого применяется ди-2-этилгексилазелат.

В этом электролите снижены газообразование и токсичность, но он имеет сложный состав, так как главным образом предназначен для конденсаторов с рабочими температурами в обычном интервале температур, от минус 40 до 105°С, и рабочими напряжениями в широком интервале напряжений, от низких до высоких величин.

Известен способ приготовления электролита, описанный в указанном выше патенте US 5175674, где все ингредиенты нагревают до 65-75°С с перемешиванием и доведением рН до величины 7,5-8,5, при этом величина удельного сопротивления составляет 330 Ом·см при 30°С.

Недостатки - температура нагрева не оптимизирована, растворимость - тоже, что приводит к более высокому удельному сопротивлению и менее высокой проводимости электролита.

Известен алюминиевый электролитический конденсатор, описанный в указанном выше патенте US 4509094, который работает при напряжении 150 В и выше, а также при повышенной температуре 105°С и пониженной температуре минус 40°С, где электролит состоит, например, из комплексной однозамещенной соли азелаиновой кислоты с триэтиламином, которая является ионогеном, и смешанного растворителя, содержащего небольшое количество воды и смесь бутиролактона и N-метилпирролидона. Конденсатор имеет небольшие изменения емкости в указанном интервале температур, а также пониженное выделение водорода на катоде за счет применения нитросоединения, например нитропропана, в качестве катодного деполяризатора.

Однако этот конденсатор не работает при температуре минус 60°С и имеет повышенную токсичность, когда в состав его электролита включено в качестве катодного деполяризатора нитросоединение, например нитропропан, который обладает наркотическим действием.

Известен также алюминиевый электролитический конденсатор, описанный в указанном выше патенте DE 10142100, где в составе электролита используются соли циклических дикарбоновых кислот с несимметричной структурой, благодаря чему создается повышенная проводимость электролита при повышенном напряжении искрения и конденсатор с таким электролитом хорошо работает при повышенной температуре.

Недостаток - конденсатор не может работать при низкой температуре, тем более при температуре минус 60°С.

А также известен алюминиевый электролитический конденсатор, описанный в указанном выше патенте US 5175674, где электролит содержит монокарбоновую кислоту, сопряженную с алифатическим диеном, неметаллические соли этой кислоты, амиды и сложные эфиры этой кислоты, а также амин или аммиак для приведения рН электролита к величине 7-8,5 и нетоксичный деполяризатор, в качестве которого применяется ди-2-этилгексилазелат.

В этом конденсаторе снижены токсичность и газообразование, но он главным образом предназначен для работы в обычном интервале рабочих напряжений, преимущественно при высоких напряжениях, то есть не способен работать при температуре минус 60°С.

Задачи изобретений образуют комплексную задачу создания электролита такого состава и такого способа приготовления, чтобы получить с этим электролитом алюминиевый электролитический конденсатор на рабочие напряжения от 16 до 63 В, хорошо работающий при температурах от минус 60 до 105°С, особенно при низкой температуре.

Эта комплексная задача решается за счет разработки электролита, способа его приготовления и конденсатора с таким электролитом, позволяющих получить следующие технические результаты: очень хорошую температурную стабильность параметров электролита, особенно проводимости, и электрических характеристик конденсатора во всем интервале рабочих температур, особенно при низких температурах; высокое напряжение анодного пробоя в электролите и в конденсаторе; высокую коррозионную стойкость конденсатора, пониженное газообразование электролита с пониженным выделением водорода на катоде конденсатора; пониженную токсичность электролита.

Предлагается электролит следующего состава (см. таблицу 1):

- гамма-бутиролактон или его смесь с N-метилпирролидоном, причем гамма-бутиролактон и N-метилпирролидон берутся в соотношении 50-100 и 50-0 мас.% соответственно - в качестве смешанного органического растворителя;

- дикарбоновая кислота (малеиновая, адипиновая, себациновая, азелаиновая, итаконовая кислота) или ее аммонийная соль - в качестве основного ионогена, который обеспечивает хорошую проводимость электролита;

- амин, предпочтительно третичный алифатический амин, например триэтиламин, - для нейтрализации кислой среды электролита и отчасти в качестве ионогена, что еще больше улучшает проводимость электролита.

Таблица 1.
Состав электролита
№ п/п	Наименование компонентов	Содержание, в пределах, мас. %
1	Смешанный органический растворитель: гамма-бутиролактон и N-метилпирролидон в соотношении 50-100 и 50-0 мас.%	77-90
2	Малеиновая кислота	5-12
3	Триэтиламин	5-11

Указанные в таблице 1 количественные соотношения (концентрации) компонентов оптимизированы и позволяют получить оптимальные параметры электролита для заданного интервала рабочих температур и рабочих напряжений (см. таблицу 2).

Таблица 2.
Параметры электролита
№ п/п	Наименование параметра	Единица измерения	Величина
1	Удельная проводимость:
1	- при 20°С,	мСм/см	не менее 3,57
- при минус 60°С		не менее 0,2
2	Удельное сопротивление:
2	- при 20°С,	Ом·см	не более 280
- при минус 60°С		не более 5000
3	Температура замерзания электролита	°С	Минус 70и ниже
4	рН		5-7
5	Вязкость	с	не более 10
6	Напряжение искрения	В	не менее 180
7	Формующая способность:
	- напряжение формовки,	В	не менее 100
	время его достижения;	мин	не более 5
	- остаточный ток	мА	не более 4

Оптимизированные концентрации компонентов выбраны по результатам исследований, в том числе исследования зависимости параметров электролита от концентрации его компонентов и соотношения растворителей в составе смешанного органического растворителя (5 вариантов - см. таблицу 3).

Таблица 3.
Параметры электролита (удельная проводимости, рН, напряжение анодного пробоя) в зависимости от концентрации компонентов и соотношения растворителей в составе смешанного растворителя
Компоненты и параметры электролита	Единица измерения	Варианты электролита
1	2	3	4	5
Смешанныйорганическийрастворитель (гамма-бутиролактон: N-метилпирролидон)	мас.%	70 (10:90)	70 (30:70)	70 (50:50)	80 (70:30)	90 (90:10)
Малеиновая кислота	мас.%	15	15	15	10	5
Триэтиламин	мас.%	15	15	15	10	5
Удельная проводимость:
- при 20°С,	мСм/см	2,94	3,21	4,03	3,7	2,8
- при минус 60°С		0,143	0,134	0,164	0,208	0,084
рН		6,5	6,9	6,8	7,0	6,6
Напряжение искрения	В	125	175	200	180	118

Из таблицы 3 видно, что варианты электролита 1, 2, 3 и 5 не дают удовлетворительных параметров, тогда как вариант электролита 4 вполне приемлем и может применяться в производстве.

Предлагается способ приготовления электролита, который отличается тем, что смешанный органический растворитель сначала нагревают до температуры 40°С, не выше, затем вводят основной ионоген и амин, который отчасти также является ионогеном, предпочтительно третичный алифатический амин, а затем при интенсивном перемешивании доводят раствор электролита до конечной температуры нагрева, которая составляет 50°С, не выше.

Эти отличительные особенности способа приготовления и оптимизированный состав электролита дают синергический эффект, позволяющий наилучшим образом реализовать данный электролит в конденсаторах с невысокими рабочими напряжениями, способных хорошо работать при низких температурах. К синергическому эффекту приводят следующие факторы: во-первых, введение ионогенов в заранее подогретый до оптимальной температуры, величина которой по результатам исследований составляет 40°С, смешанный органический растворитель, во-вторых, оптимизация концентраций компонентов в составе электролита, что в результате позволяет получить низкую температуру замерзания электролита и хорошую растворимость ионогенов, а следовательно, хорошую степень их диссоциации, что значительно улучшает проводимость электролита, повышая ее величину и температурную стабильность.

Исследования позволили также оптимизировать величину конечной температуры нагрева электролита на возможно меньшем уровне, который составляет 50°С (см. график, представленный на чертеже).

Алюминиевый электролитический конденсатор с рабочими напряжениями от 16 до 63 В для рабочих температур от минус 60 до 105°С представляет собой конденсаторный элемент, полученный путем намотки из катодной и анодной алюминиевой фольги с проложенной между ними конденсаторной бумагой, пропитанный электролитом и помещенный в алюминиевый корпус, выходное отверстие в котором закрывается крышкой, несущей на себе выводы конденсатора и содержащей уплотняющую резиновую прокладку, причем электролит имеет состав в соответствии с заявляемым электролитом и приготовлен способом в соответствии с заявляемым способом приготовления электролита.

В предлагаемых изобретениях поставленная комплексная задача решена и достигнуты указанные выше технические результаты - благодаря следующим факторам.

Очень хорошая температурная стабильность параметров электролита во всем интервале температур от минус 60 до 105°С, особенно проводимости, так что проводимость от 20 до минус 60°С изменяется в сторону уменьшения незначительно (см. таблицы 2, 3), достигается за счет описанного выше синергического эффекта.

Высокая относительно рабочих напряжений, величина напряжения анодного пробоя получена благодаря указанному составу электролита, который позволяет иметь повышенное напряжение искрения (см. таблицу 2).

Высокая коррозионная стойкость конденсатора достигается посредством выбора смешанного органического растворителя такого состава (указан выше), который проявляет достаточную инертность в отношении оксида алюминия, самого алюминия и материала других элементов конденсатора.

Пониженное газообразование, в том числе и при повышенной температуре, достигается за счет выбора смешанного органического растворителя указанного выше состава, который при невысоких рабочих напряжениях ведет себя как катодный деполяризатор, в достаточной степени обеспечивая поглощение выделяющегося газообразного водорода.

Пониженная токсичность электролита обеспечивается за счет отсутствия в его составе токсичных соединений в качестве деполяризаторов, а также за счет уменьшенного в некоторой степени испарения электролита в рабочей зоне его приготовления в силу невысокой конечной температуры нагрева электролита.

Предлагаемый конденсатор отличается хорошими электрическими характеристиками во всем интервале рабочих температур, особенно при низкой температуре, высоким напряжением анодного пробоя для заданных невысоких рабочих напряжений, пониженным выделением водорода на катоде и высокой коррозионной стойкостью - вследствие хороших параметров электролита, достигнутых благодаря оптимизированному составу электролита, и особенностям способа приготовления электролита, дающим описанный выше синергический эффект.

На чертеже графически представлена зависимость отношения удельной проводимости электролита, измеренной при температуре минус 60°С, к удельной проводимости, измеренной при температуре 20°С, от конечной температуры нагрева электролита.

Предлагаемые изобретения реализованы на ОАО «Элеконд», г.Сарапул, где в серийном производстве выпускаются алюминиевые электролитические конденсаторы К50-80, К50-81 с использованием предлагаемого электролита, приготовленного предлагаемым способом.

Технология приготовления предлагаемого электролита (состав описан выше и указан в таблице 1) включает следующие технологические переходы:

1. Залить смешанный органический растворитель в котел установки и включить нагреватель.

2. Загрузить основной ионоген и триэтиламин, когда температура в котле установки достигнет 40°С, не выше;

3. Включить мешалку и продолжить нагрев до достижения в котле установки конечной температуры нагрева электролита 50°С, не выше;

4. Отключить нагреватель, а также мешалку при достижении в котле установки указанной конечной температуры нагрева электролита и слить готовый электролит в емкость для хранения электролита.

Время нагрева до температуры 40°С, а также до температуры 50°С не является существенным технологическим параметром, поскольку здесь перепад между температурами начала и завершения нагрева невелик и сами температуры невысокие, так что достигаются они довольно быстро, что определяется мощностью нагревательного устройства.

Параметры электролита (см. таблицу 2) имеют очень хорошую стабильность во всем заданном интервале температур, особенно при низких температурах, что позволяет реализовать хорошие, стабильные электрические характеристики в алюминиевых электролитических конденсаторах с таким электролитом.

В таблице 4 представлены электрические характеристики конденсаторов К50-80, номинал, и К50-81, номинал 16 В×6800 мкФ, которые получены при измерениях на климатических испытаниях, приемосдаточных испытаниях и испытаниях на безотказность.

Таблица 4.
Электрические характеристики конденсаторов
№ п/п	Наименование характеристики	Единица измерения	Величина
№ п/п	Наименование характеристики	Единица измерения	Конденсатор
К50-80, 40В×10000 мкф	К50-81, 16В×6800 мкф
1	Механические повреждения конденсаторов вследствие их отказов по причине:	%
	- коррозии,		0	0
	- повышенного выделения водорода на катоде,		0	0
	- анодного пробоя		0	0
2	Тангенс угла диэлектрических		20	25
	потерь при температуре:		и менее	и менее
	- 25°С,	%	200	200
	- минус 60°С		и менее	и менее
3	Импеданс при 25°С на частоте20 кГц	Ом	0,017 и менее	0,039 и менее
4	Эквивалентное последовательное сопротивление при 25°С на частоте 100 Гц	Ом	0,027 и менее	0,051 и менее
5	Отношение импеданса при минус 60°С к импедансу при 25°С на частоте 50 Гц		3 и менее	4 и менее
6	Относительное изменение емкости при температуре:
	- минус 60°С,	%	Минус 50 и менее	Минус 50 и менее
	- 105°С		25 и менее	30 и менее
7	Ток утечки при температуре:
	- 25±1°С,	мкА	2087 и менее	660 и менее
	- 105°С		4174 и менее	1980 и менее

1. Рабочий электролит для конденсатора, преимущественно для алюминиевого электролитического конденсатора, с рабочими напряжениями 16-63 В для рабочих температур от минус 60°С до 105°С, в состав которого входят смешанный органический растворитель, основной ионоген и амин в качестве нейтрализатора кислой среды рабочего электролита и дополнительного ионогена, отличающийся тем, что смешанный органический растворитель содержит гамма-бутиролактон и N-метилпирролидон в соотношении 50-100 мас.% и 50-0 мас.% соответственно и занимает в составе рабочего электролита 77-90 мас.%, основной ионоген представляет собой дикарбоновую кислоту или ее аммонийную соль и занимает 5-12 мас.%, а амин - третичный алифатический амин и занимает 5-11 мас.%.

2. Рабочий электролит по п.1, отличающийся тем, что дикарбоновую кислоту выбирают из ряда: малеиновая кислота, адипиновая кислота, себациновая кислота, азелаиновая кислота, итаконовая кислота.

3. Рабочий электролит по п.1, отличающийся тем, что в качестве третичного алифатического амина применяется триэтиламин.

4. Рабочий электролит по п.1, отличающийся тем, что величина рН рабочего электролита составляет 5-7.

5. Способ приготовления рабочего электролита для конденсатора, преимущественно для алюминиевого электролитического конденсатора, с рабочими напряжениями 16-63 В для рабочих температур от минус 60°С до 105°С, заключающийся в том, что сначала смешанный органический растворитель, состоящий из гамма-бутиролактона и N-метилпирролидона, нагревают, затем вводят дикарбоновую кислоту или ее аммонийную соль, а также третичный алифатический амин и при интенсивном перемешивании доводят рабочий электролит до конечной температуры нагрева, отличающийся тем, что введение дикарбоновой кислоты или ее аммонийной соли, а также третичного алифатического амина производится в момент достижения рабочим электролитом температуры 40°С, не выше, а конечная температура нагрева рабочего электролита составляет 50°С, не выше.

6. Алюминиевый электролитический конденсатор с рабочими напряжениями 16-63 В, работающий при температурах от минус 60°С до 105°С, представляющий собой конденсаторный элемент, полученный путем намотки из катодной и анодной алюминиевой фольги с проложенной между ними конденсаторной бумагой, пропитанный рабочим электролитом и помещенный в алюминиевый корпус, выходное отверстие которого закрывается крышкой, несущей на себе выводы конденсатора и содержащей уплотняющую резиновую прокладку, отличающийся тем, что конденсаторный элемент пропитывают рабочим электролитом, который соответствует п.1 и приготовлен по способу в соответствии с п.5.

www.findpatent.ru

Реферат Электролитический конденсатор

скачать

Реферат на тему:

План:

1 История
2 Свойства конденсатора
3 Обозначение конденсаторов на схемах
4 Характеристики конденсаторов
- 4.1 Основные параметры
  - 4.1.1 Ёмкость
  - 4.1.2 Удельная ёмкость
  - 4.1.3 Плотность энергии
  - 4.1.4 Номинальное напряжение
  - 4.1.5 Полярность
  - 4.1.6 Опасность разрушения (взрыва)
- 4.2 Паразитные параметры
  - 4.2.1 Электрическое сопротивление изоляции конденсатора — r
  - 4.2.2 Эквивалентное последовательное сопротивление — R
  - 4.2.3 Эквивалентная последовательная индуктивность — L
  - 4.2.4 Саморазряд
  - 4.2.5 Тангенс угла диэлектрических потерь
  - 4.2.6 Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)
  - 4.2.7 Диэлектрическое поглощение
5 Классификация конденсаторов
6 Сравнение конденсаторов постоянной ёмкости
7 Применение конденсаторов

Введение

Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Слева — конденсаторы для поверхностного монтажа; справа — конденсаторы для объёмного монтажа; сверху — керамические; снизу — электролитические. На полярных SMD конденсаторах + обозначен полоской.

Различные конденсаторы для объёмного монтажа

Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

1. История

В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук случайно создали конструкцию-прототип электролитического конденсатора — «лейденскую банку». Первые конденсаторы, состоящие из двух проводников разделенных непроводником, упоминаемые обычно как конденсатор Эпинуса или электрический лист, были созданы ещё раньше.[1]

2. Свойства конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения.

С точки зрения метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

где — мнимая единица, — частота[2] протекающего синусоидального тока, — ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: . Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью , собственной индуктивностью и сопротивлением потерь .

Резонансная частота конденсатора равна

При конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах , на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной.

Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия заряженного конденсатора:

где — напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор.

3. Обозначение конденсаторов на схемах

В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74[3] либо международному стандарту IEEE 315—1975:

Обозначениепо ГОСТ 2.728-74 Описание

	Конденсатор постоянной ёмкости
	Поляризованный конденсатор
	Подстроечный конденсатор переменной ёмкости
	Варикап

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 106 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, то есть постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения. Для электролитических конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 — 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24, то есть на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

4. Характеристики конденсаторов

4.1. Основные параметры

4.1.1. Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единице), — электрическая постоянная, численно равная Ф/м (эта формула справедлива, лишь когда много меньше линейных размеров пластин).

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

или

Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счёт разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна

или

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

4.1.2. Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

4.1.3. Плотность энергии

Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS B4345 ёмкостью 12000 мкФ x 450 В и массой 1.9 кг плотность энергии составляет 639Дж/кг или 845Дж/л. Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её высвобождением, например, в пушке Гаусса

4.1.4. Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.

4.1.5. Полярность

Современные конденсаторы, разрушившиеся без взрыва из-за специально разрывающейся конструкции верхней крышки. Разрушение возможно из-за действия температуры и напряжения, не соответствовавших рабочим, или старения. Конденсаторы с разорванной крышкой практически неработоспособны и требуют замены, а если она просто вспучена но еще не разорвана — скорее всего скоро он выйдет из строя или сильно изменятся параметры, что сделает его использование невозможным.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

4.1.6. Опасность разрушения (взрыва)

Взрывы электролитических конденсаторов — довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). В современных компьютерах перегрев конденсаторов — также очень частая причина выхода их из строя, когда они стоят рядом с источниками повышенного тепловыделения (радиаторы охлаждения).

Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце, иногда на больших конденсаторах она прикрыта пластиком). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа и иногда даже жидкости, и давление спадает без взрыва и осколков.

В старых электролитических конденсаторах никаких защит от взрыва не было. Взрывная сила частей корпуса может быть достаточно большой и травмировать человека.

4.2. Паразитные параметры

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:

4.2.1. Электрическое сопротивление изоляции конденсатора — r

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U / Iут , где U — напряжение, приложенное к конденсатору, Iут — ток утечки.

4.2.2. Эквивалентное последовательное сопротивление — R

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague (англ.)).

Существуют специальные приборы (ESR-метры) для измерения этого достаточно важного параметра конденсатора, по которому можно часто определить пригодность его дальнейшего использования в определённых целях. Этот параметр, кроме собственно ёмкости (ёмкость — это основной параметр) — часто имеет решающее значение в исследовании состояния старого конденсатора, стоит ли использовать его в определённой схеме, или он прогнозируемо выйдет за пределы допустимых отклонений.

4.2.3. Эквивалентная последовательная индуктивность — L

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.

4.2.4. Саморазряд

С течением времени конденсатор теряет энергию за счёт саморазряда.

4.2.5. Тангенс угла диэлектрических потерь

Тангенс угла диэлектрических потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол где δ — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Pа к реактивной Pр при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

4.2.6. Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом, значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:

где ΔT — увеличение температуры в °C или °К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость ёмкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами ёмкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение ёмкости в рабочем диапазоне температур.

4.2.7. Диэлектрическое поглощение

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда. Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с органическими диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полиэтилентерефталат, поликарбонат.

5. Классификация конденсаторов

Слюдяной плёночный конденсатор типа «СГМ» для навесного монтажа

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).
Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
Конденсаторы с жидким диэлектриком.
Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка.

Керамический подстроечный конденсатор

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках для перестройки частоты резонансного контура.
Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Также различают конденсаторы по форме обкладок: плоские, цилиндрические, сферические и другие.

6. Сравнение конденсаторов постоянной ёмкости

Тип конденсатора Используемый диэлектрик Особенности/применения Недостатки Бумажные конденсаторы Металлизированные бумажные конденсаторы Полиэтилентерефталатные конденсаторы Каптоновые конденсаторы Полистирольные конденсаторы Поликарбонатные плёночные конденсаторы Полипропиленовые конденсаторы Полисульфоновые плёночные конденсаторы Тефлоновые конденсаторы Полиамидные плёночные конденсаторы Металлизированные плёночные конденсаторы Многоуровневые пластинчатые слюдяные конденсаторы Металлизированные или серебряные слюдяные конденсаторы Стеклянные конденсаторы Температурно-компенсированные керамические конденсаторы Керамические конденсаторы с высокой диэлектрической постоянной Алюминиевые электролитические конденсаторы Литий-ионные конденсаторы Танталовые конденсаторы Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы) Масляные конденсаторы переменного тока Масляные конденсаторы постоянного тока Энергонакопительные конденсаторы Вакуумные конденсаторы

Бумага/пропитанная бумага	Пропитанная бумага широко использовалась в старых конденсаторах. В качестве пропитки использовался воск, масло или эпоксидная смола. Некоторые подобные конденсаторы до сих пор применяются для работы при высоком напряжении, но в большинстве случаев теперь вместо них используют плёночные конденсаторы.	Большой размер. Большая гигроскопичность, из-за чего они поглощают влагу из воздуха даже при наличии пластикового корпуса и пропитки. Поглощённая влага ухудшает их характеристики, повышая диэлектрические потери и понижая сопротивление изоляции.
Бумага	Меньший размер, чем у бумажно-фольговых конденсаторов	Подходят только для слаботочных применений. Вместо них стали широко применяться металлизированные плёночные конденсаторы.
Полиэтилентерефталатная плёнка	Меньше чем бумажные или полипропиленовые конденсаторы со схожими характеристиками. Могут использовать полоски фольги, металлизированную плёнку или их комбинации. ПЭТ конденсаторы почти полностью заменили бумажные для задач, где требуется работа с прямым током. Имеют рабочие напряжения вплоть до 60000 вольт при постоянном токе, а рабочую температуру до 125 °C. Обладают невысокой гигроскопичностью.	Температурная стабильность ниже чем у бумажных. Могут применяться при низкочастотном переменном токе, но непригодны при высокочастотном из-за чрезмерного нагрева диэлектрика.
Полиамидная плёнка марки Каптон	Аналогичны ПЭТ, но обладают значительно более высокой рабочей температурой (вплоть до 250 °C).	Дороже ПЭТ. Температурная стабильность ниже чем у бумажных конденсаторов. Также могут применяться только при низкочастотном переменном токе, так как при высоких частотах происходит сильный нагрев диэлектрика.
Полистирол	Отличные плёночные конденсаторы общего применения. Имеют отличную стабильность, высокую влагостойкость и малый отрицательный температурный коэффициент, позволяющий использовать их для компенсации позитивного температурного коэффициента других компонентов. Идеальны для маломощных высокочастотных и прецизионных аналоговых задач.	Максимальная рабочая температура ограничена +85 °C. Сравнительно большие по размеру.
Поликарбонат	Имеют лучшее сопротивление изоляции, тангенс угла потерь и диэлектрическую адсорбцию в сравнении с полистирольными конденсаторами. Обладают лучшей влагостойкостью. Температурный коэффициент примерно ±80 ppm. Выдерживают полное рабочее напряжение на всём температурном диапазоне (от −55 °C до 125 °C)	Максимальная рабочая температура ограничена на уровне 125 °C.
Полипропилен	Чрезвычайно низкий тангенс угла потерь, более высокая диэлектрическая прочность, чем у поликарбонатных и ПЭТ конденсаторов. Низкая гигроскопичность и высокое сопротивление изоляции. Могут использовать полоски фольги, металлизированную плёнку или их комбинации. Плёнка совместима с технологией самолечения, повышающей надёжность. Могут работать на высоких частотах, в том числе при большой мощности, например, для индукционного нагрева (часто вместе с водяным охлаждением), благодаря очень низким диэлектрическим потерям. При более высоких ёмкостях и рабочем напряжении, например от 1 до 100 мкФ и напряжением до 440 вольт переменного тока, могут применяться как пусковые для работы с некоторыми типами однофазных электрических моторов.	Более чувствительны к повреждениям от кратковременных перенапряжений или переполюсовке чем пропитанные маслом бумажные конденсаторы.
Полисульфон	Аналогичны поликарбонатным. Могут выдерживать полное номинальное напряжение на сравнительно высоких температурах. Поглощение влаги около 0,2 %, что ограничивает их стабильность.	Малая доступность и высокая стоимость.
Тефлон	Очень низкие диэлектрические потери. Рабочая температура до 250 °C, огромное сопротивление изоляции, хорошая стабильность. Используются в критичных задачах.	Большой размер из-за низкой диэлектрической постоянной, более высокая цена в сравнении с другими конденсаторами.
Полиамид	Рабочая температура до 200 °C. Высокое сопротивление изоляции, хорошая стабильность, малый тангенс угла потерь.	Большие размеры и высокая цена.
ПЭТ или Поликарбонат	Надёжные и значительно меньшие по размеру. Тонкая металлизация может использоваться для придания им свойства самолечения.	Тонкая металлизация ограничивает максимальный ток.
Слюда (англ. Mica)	Преимущества данных конденсаторов основаны на том, что их диэлектрик инертен. Он не изменяется со временем ни физически, ни химически, а также имеет хорошую температурную стабильность. Обладают очень высокой стойкостью к коронным разрядам.	Без правильной герметизации подвержены влиянию влажности, что ухудшает их параметры. Высокая цена из-за редкости и высокого качества диэлектрика, а также ручной сборки.
Слюда	Те же преимущества, в дополнение обладают большей устойчивостью к влаге.	Более высокая цена.
Стекло	Аналогичны Mica. Стабильность и частотные характеристики лучше, чем у Mica. Очень надёжные, очень стабильные, стойкие к радиации.	Высокая цена.
Смесь сложных соединений титанатов	Дешёвые, миниатюрные, обладают превосходными высокочастотными характеристиками и хорошей надёжностью. Предсказуемое линейное изменение ёмкости относительно температуры. Имеются изделия, выдерживающие до 15000 вольт	Изменение ёмкости при различном приложенном напряжении, частоте, подвержены старению.
Диэлектрики, основанные на титанате бария	Миниатюрнее температурно-компенсированных конденсаторов из-за большей диэлектрической постоянной. Доступны для напряжений вплоть до 50000 вольт.	Обладают меньшей температурной стабильностью, ёмкость значительно изменяется при различном приложенном напряжении.
Оксид алюминия	Огромное отношение ёмкости к объёму, недорогие, полярные. В основном применяются как сглаживающие и питающие конденсаторы в источниках питания.	Высокие токи утечки, большое внутреннее сопротивление и индуктивность ограничивают возможность использования их на высоких частотах. Имеют низкую температурную стабильность и плохие отклонения параметров. Могут взорваться при превышении допустимых параметров и/или перегреве, при приложении обратного напряжения. Максимальное напряжение около 500 вольт.
Lithium ion	Литий-ионные конденсаторы обладают большей энергоёмкостью, сравнимой с батареями, безопаснее в сравнении с литий-ионными батареями, в которых начинается бурная химическая реакция при высокой температуре. По сравнению с ионисторами они имеют большее выходное напряжение.	Новая технология.
Оксид тантала	Большое отношение ёмкости к объёму, малый размер, хорошая стабильность, большой диапазон рабочих температур. Широко используются в миниатюрном оборудовании и компьютерах. Доступны как в полярном, так и неполярном исполнении. Твёрдотельные танталовые конденсаторы имеют намного лучшие характеристики по сравнению с имеющими жидкий электролит.	Дороже алюминиевых электролитических конденсаторов. Максимальное напряжение ограничено планкой около 50 вольт. Взрываются при превышении допустимого тока, напряжения или скорости нарастания напряжения, а также при подаче напряжения неправильной полярности.
Тонкий слой электролита и активированный уголь	Огромная ёмкость относительно объёма, маленький размер, низкое эквивалентное последовательное сопротивление. Доступны номиналы в сотни и даже тысячи фарад. Это сравнительно новая технология. Обычно используются для временного питания оборудования при замене батарей. Могут быстро заряжаться и разряжаться бо́льшими токами, чем батареи, что делает их ценными для гибридных автомобилей. Полярные, имеют низкое номинальное напряжение (вольт на конденсаторную ячейку). Группы ячеек соединяются последовательно для повышения общего рабочего напряжения.	Относительно высокая стоимость.
Промасленная бумага	В основном разрабатывались для обеспечения очень больших ёмкостей для промышленного применения в цепях переменного тока, выдерживая при этом большие токи и высокие пиковые напряжения частотой силовой питающей сети. В их задачи входит пуск и работа электрических моторов переменного тока, разделение фаз, коррекция коэффициента мощности, стабилизация напряжения, работа с контрольным оборудованием и т. д.	Ограничены низкой рабочей частотой, поскольку на высоких частотах имеют высокие диэлектрические потери.
Бумага или её комбинация с ПЭТ	Разработаны для работы при постоянном токе для фильтрации, удвоения напряжения, предотвращения образования дуги, как проходные и разделительные конденсаторы	При наличии пульсаций требуют уменьшения рабочего напряжения согласно предоставленным производителем графикам. Обладают бо́льшими размерами в сравнении с аналогами с полимерными диэлектриками.
Конденсаторная крафт-бумага, пропитанная касторовым маслом или схожей жидкостью с высокой диэлектрической постоянной, и пластинки из фольги	Разработаны для работы в импульсном режиме с высоким током разряда. Лучше переносят изменение полярности напряжения чем многие полимерные диэлектрики. Обычно применяются в импульсных лазерах, генераторах Маркса, для импульсной сварки, при электромагнитной формовке и иных задачах, требующих использования импульсов большой мощности.	Имеют большой размер и вес. Их энергоёмкость значительно меньше чем у конденсаторов использующих полимерные диэлектрики. . Не способны к самолечению. Отказ подобного конденсатора может быть катастрофичным из-за большого объёма накопленной энергии.
Вакуумные конденсаторы используют стеклянные или керамические колбы с концентрическими цилиндрическими электродами.	Чрезвычайно малые потери. Используются для мощных высоковольтных радиочастотных задач, таких как индукционный нагрев, где даже малые потери приводят чрезмерному нагреву самого конденсатора. При ограниченном токе искры могут обладать самолечением.	Очень высокая цена, хрупкость, большой размер, низкая ёмкость.

12 пФ, 20 кВ вакуумный конденсатор постоянной ёмкости.

Два 8 мкФ, 525 В бумажных электролитических конденсатора в радио 1930х годов.[4]

7. Применение конденсаторов

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.

При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, электромагнитных ускорителях, импульсных лазерах с оптической накачкой, генераторах Маркса, (ГИН; ГИТ), генераторах Кокрофта-Уолтона и т. п.

Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.

В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.

Конденсаторы способны накапливать большой заряд и создавать большую напряжённость на обкладках, которая используется для различных целей, например, для ускорения заряженных частиц или для создания кратковременных мощных электрических разрядов (см. генератор Ван де Граафа).

Измерительный преобразователь (ИП) малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора.
ИП влажности воздуха, древесины (изменение состава диэлектрика приводит к изменению ёмкости).

В схемах РЗиА конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы АПВ использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.

Измерителя уровня жидкости. Непроводящая жидкость, заполняет пространство между обкладками конденсатора, и ёмкость конденсатора меняется в зависимости от уровня

Фазосдвигающего конденсатора. Такой конденсатор необходим для пуска, а в некоторых случаях и работы однофазных асинхронных двигателей. Так же он может применяться для пуска и работы трехфазных асинхронных двигателей при питании от однофазного напряжения.

Аккумуляторов электрической энергии. В этом случае на обкладках конденсатора должно быть достаточно постоянное значения напряжения и тока разряда. При этом сам разряд должен быть значительным по времени. В настоящее время идут опытные разработки электромобилей и гибридов с применением конденсаторов. Так же существуют некоторые модели трамваев в которых конденсаторы применяются для питания тяговых электродвигателей при движении по обесточенным участкам.

Примечания

«Курс Физики» профессора физико-математических наук А.Гано, перевод Ф.Павленко В.Черкасова, 1882 год.
Частота в радианах в секунду.
ГОСТ 2.728-74 (2002) - protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=165312.
Аббревиатура «MF» использовалась в то время для обозначения микрофарад; «MMF» употреблялась для микро-микрофрад = 10−12 Ф или пикофарад.

Литература

Учебник физики для средних специальных учебных заведений. Авторы: Л. С. Жданов, Г. Л. Жданов.

wreferat.baza-referat.ru