Пленочные конденсаторы , конденсаторы с пластиковой пленкой , конденсаторы с пленочным диэлектриком или конденсаторы с полимерной пленкой , обычно называемые пленочными конденсаторами , а также силовые пленочные конденсаторы , представляют собой электрические конденсаторы с изолирующей пластиковой пленкой в качестве диэлектрика , иногда в сочетании с бумагой в качестве носителя электродов .
Диэлектрические пленки, в зависимости от желаемой диэлектрической прочности, специальным способом вытягиваются до чрезвычайно тонкой толщины, а затем снабжаются электродами. Электроды пленочных конденсаторов могут быть металлизированными алюминием или цинком , нанесенными непосредственно на поверхность пластиковой пленки, или отдельной металлической фольгой. Два из этих проводящих слоев намотаны в обмотку цилиндрической формы, обычно сплющенную, чтобы уменьшить требования к монтажному пространству на печатной плате , или наложены в виде нескольких одиночных слоев, сложенных вместе, чтобы сформировать корпус конденсатора. Пленочные конденсаторы, наряду с керамическими конденсаторами и электролитическими конденсаторами , являются наиболее распространенными типами конденсаторов для использования в электронном оборудовании и используются во многих микроэлектронных и электронных схемах переменного и постоянного тока . [1]
Родственным типом компонента является силовой (пленочный) конденсатор . Хотя материалы и технологии изготовления, используемые для пленочных конденсаторов большой мощности, очень похожи на те, которые используются для обычных пленочных конденсаторов, конденсаторы с номинальной мощностью от высокой до очень высокой для применения в энергетических системах и электроустановках часто классифицируются отдельно по историческим причинам. По мере того, как современное электронное оборудование приобрело способность работать с уровнями мощности, которые ранее были исключительной областью «электрических» компонентов, различие между «электронными» и «электрическими» номинальными мощностями стало менее отчетливым. В прошлом граница между этими двумя семействами проходила примерно на уровне реактивной мощности 200 вольт-ампер , но современная силовая электроника способна справиться с увеличением уровня мощности.
Пленочные конденсаторы состоят из двух кусков пластиковой пленки, покрытых металлическими электродами, намотанных в обмотку цилиндрической формы с прикрепленными клеммами, а затем герметизированных. Как правило, пленочные конденсаторы не поляризованы, поэтому две клеммы взаимозаменяемы. Существует два разных типа пленочных конденсаторов из пластика, изготовленных с двумя разными конфигурациями электродов:
Ключевым преимуществом внутренней конструкции современных пленочных конденсаторов является прямой контакт с электродами на обоих концах обмотки. Благодаря этому контакту все пути тока ко всему электроду остаются очень короткими. Установка ведет себя как большое количество отдельных конденсаторов, соединенных параллельно , тем самым уменьшая внутренние омические потери ( ESR ) и паразитную индуктивность ( ESL ). Природная геометрия структуры пленочных конденсаторов приводит к очень низким омическим потерям и очень низкой паразитной индуктивности, что делает их особенно подходящими для приложений с очень высокими импульсными токами (демпферы), а также для приложений переменного тока или для приложений на более высоких частотах.
Еще одной особенностью пленочных конденсаторов является возможность выбора различных пленочных материалов для диэлектрического слоя с целью подбора желаемых электрических характеристик, таких как стабильность, широкий температурный диапазон или способность выдерживать очень высокие напряжения. Полипропиленовые пленочные конденсаторы рекомендуются из-за их низких электрических потерь и почти линейного поведения в очень широком диапазоне частот для приложений класса 1 стабильности в резонансных цепях , сравнимых только с керамическими конденсаторами . Для простых схем высокочастотных фильтров полиэфирные конденсаторы предлагают недорогие решения с превосходной долгосрочной стабильностью, позволяя заменить более дорогие танталовые электролитические конденсаторы . Варианты пленочных/фольговых конденсаторов из пластиковой пленки особенно способны выдерживать высокие и очень сильные скачки тока.
Типичные значения емкости пленочных конденсаторов меньшего размера, используемых в электронике, начинаются примерно со 100 пикофарад и достигают микрофарад.
Уникальные механические свойства пластиковых и бумажных пленок в некоторых специальных конфигурациях позволяют использовать их в конденсаторах очень больших размеров. Пленочные конденсаторы большего размера используются в качестве силовых конденсаторов в электроэнергетических установках и установках, способных выдерживать очень большую мощность или очень высокие приложенные напряжения. Диэлектрическая прочность этих конденсаторов может достигать четырехзначного диапазона напряжений.
Формула емкости ( C ) пластинчатого конденсатора:
( ε означает диэлектрическую проницаемость ; A — площадь поверхности электрода; и d — расстояние между электродами).
Согласно уравнению, более тонкий диэлектрик или большая площадь электрода будут увеличивать значение емкости , как и диэлектрический материал с более высокой диэлектрической проницаемостью. [3]
В следующем примере описан типичный технологический процесс изготовления намотанных металлизированных пластиковых пленочных конденсаторов.
Производство пленочных/металлофольговых конденсаторов с металлической фольгой вместо металлизированных пленок осуществляется очень похожим способом.
В качестве альтернативы традиционным пленочным конденсаторам с намотанной конструкцией они также могут изготавливаться в «многослойной» конфигурации. В этом варианте две металлизированные пленки, представляющие собой электроды, намотаны на гораздо больший сердечник диаметром более 1 м. Так называемые многослойные конденсаторы (MLP, Multilayer Polymer Capacitors) могут быть изготовлены путем распиливания этой большой обмотки на множество отдельных сегментов меньшего размера. [8] [9] Распиловка приводит к появлению дефектов на боковых сторонах конденсаторов, которые впоследствии сгорают (самовосстанавливаются) в процессе производства. Таким способом производятся недорогие металлизированные пластмассовые пленочные конденсаторы общего назначения. [10] Этот метод также используется для изготовления конденсаторных «кубиков» для корпусных компонентов устройств поверхностного монтажа (SMD).
Металлизированные пленочные конденсаторы обладают свойствами «самовосстановления», которые недоступны в конфигурациях пленка/фольга. [11] При подаче достаточного напряжения точечный дефект короткого замыкания между металлизированными электродами испаряется из-за высокой температуры дуги, поскольку как диэлектрический пластик в точке пробоя, так и металлизированные электроды вокруг точки пробоя очень тонкие (около от 0,02 до 0,05 мкм). Точечный дефект, вызвавший короткое замыкание, сгорает, и возникающее давление пара также сдувает дугу. Этот процесс может завершиться менее чем за 10 мкс, часто без прерывания полезной работы поврежденного конденсатора. [12]
Это свойство самовосстановления позволяет использовать однослойную намотку из металлизированных пленок без дополнительной защиты от дефектов и тем самым приводит к уменьшению объема физического пространства, необходимого для достижения заданных характеристик. Другими словами, увеличивается так называемый «объемный КПД» конденсатора.
Способность металлизированных пленок к самовосстановлению многократно используется в процессе производства металлизированных пленочных конденсаторов. Обычно после разрезания металлизированной пленки на нужную ширину возникающие дефекты можно выжечь (залечить), подав перед намоткой подходящее напряжение. Тот же метод используется и после металлизации контактных поверхностей («шоопаж») для устранения любых дефектов конденсатора, вызванных процессом вторичной металлизации.
«Отверстия» в металлизации, вызванные дугами самовосстановления, очень незначительно уменьшают емкость конденсатора. Однако величина этого сокращения весьма невелика; даже при выгорании нескольких тысяч дефектов это уменьшение обычно намного меньше 1% от общей емкости конденсатора. [13]
Для более крупных пленочных конденсаторов с очень высокими стандартами стабильности и длительного срока службы, таких как снабберные конденсаторы, металлизация может быть выполнена с использованием специальной схемы изоляции неисправностей. На рисунке справа показана такая металлизация, сформированная в виде буквы «Т». Каждый из этих Т-образных рисунков создает намеренно суженное поперечное сечение проводящей металлизации. Эти ограничения действуют как микроскопические предохранители : в случае точечного короткого замыкания между электродами высокий ток короткого замыкания сгорает только предохранители вокруг места повреждения. Таким образом, затронутые участки отсоединяются и изолируются контролируемым образом, без каких-либо взрывов, окружающих большую дугу короткого замыкания. Таким образом, зона воздействия ограничена, а неисправность мягко контролируется, что значительно снижает внутренние повреждения конденсатора, который, таким образом, может оставаться в эксплуатации лишь с бесконечно малым уменьшением емкости. [14]
В полевых установках оборудования распределения электроэнергии отказоустойчивость конденсаторной батареи часто повышается за счет параллельного подключения нескольких конденсаторов, каждый из которых защищен внутренним или внешним предохранителем. Если в отдельном конденсаторе возникает внутреннее короткое замыкание, возникающий ток повреждения (увеличенный емкостным разрядом соседних конденсаторов) перегорает предохранитель, изолируя таким образом вышедший из строя конденсатор от остальных устройств. Этот метод аналогичен методу «Т-металлизации», описанному выше, но действует в большем физическом масштабе. Более сложное последовательное и параллельное расположение батарей конденсаторов также используется для обеспечения непрерывности работы, несмотря на отказы отдельных конденсаторов в этом более крупном масштабе. [15]
Номинальное напряжение различных пленочных материалов зависит от таких факторов, как толщина пленки, качество материала (отсутствие физических дефектов и химических примесей), температура окружающей среды и частота эксплуатации, а также запас прочности по напряжению пробоя . (диэлектрическая прочность). Но в первом приближении номинальное напряжение пленочного конденсатора зависит в первую очередь от толщины пластиковой пленки. Например, при минимально доступной толщине пленки полиэфирных пленочных конденсаторов (около 0,7 мкм) можно производить конденсаторы с номинальным напряжением 400 В постоянного тока. Если необходимы более высокие напряжения, обычно используется более толстая пластиковая пленка. Но напряжение пробоя диэлектрических пленок обычно нелинейно . Для толщин, превышающих примерно 5 мил, напряжение пробоя увеличивается только примерно пропорционально квадратному корню из толщины пленки. С другой стороны, емкость линейно уменьшается с увеличением толщины пленки. По причинам доступности, хранения и существующих возможностей обработки желательно достичь более высоких пробивных напряжений при использовании существующих доступных пленочных материалов. Этого можно добиться односторонней частичной металлизацией изолирующих пленок таким образом, чтобы обеспечить внутреннее последовательное соединение конденсаторов. Используя этот метод последовательного соединения, общее напряжение пробоя конденсатора можно умножить на произвольный коэффициент, но общая емкость также уменьшится на тот же коэффициент.
Напряжение пробоя можно увеличить, используя односторонние частично металлизированные пленки, или повысить напряжение пробоя конденсатора, используя двусторонние металлизированные пленки. Двусторонние металлизированные пленки также можно комбинировать с внутренними последовательно соединенными конденсаторами путем частичной металлизации. Эти разнообразные технологические конструкции особенно используются для высоконадежных применений с полипропиленовыми пленками.
Важным свойством пленочных конденсаторов является их способность выдерживать импульсы высокого пикового напряжения или пикового тока. Эта способность зависит от того, все внутренние соединения пленочного конденсатора выдерживают пиковые токовые нагрузки вплоть до максимальной указанной температуры. Побочные контактные слои (скопаж) с электродами могут быть потенциальным ограничением пиковой пропускной способности по току.
Слои электродов намотаны слегка со смещением друг относительно друга, так что края электродов можно контактировать методом торцевого контакта «шоопаж» на боковых торцах обмотки. Это внутреннее соединение в конечном итоге осуществляется с помощью нескольких точечных контактов на краю электрода и может быть смоделировано как большое количество отдельных конденсаторов, соединенных параллельно. Множество отдельных потерь сопротивления ( ESR ) и индуктивности ( ESL ) соединены параллельно , так что общие нежелательные паразитные потери сводятся к минимуму.
Однако нагрев сопротивления омического контакта генерируется, когда пиковый ток протекает через эти отдельные микроскопические точки контакта, которые являются критическими областями для общего внутреннего сопротивления конденсатора. Если ток станет слишком сильным, могут возникнуть «горячие точки», которые вызовут возгорание зон контакта.
Второе ограничение допустимой нагрузки по току вызвано омическим объемным сопротивлением самих электродов. Для металлизированных пленочных конденсаторов, имеющих толщину слоев от 0,02 до 0,05 мкм [2], токонесущая способность ограничивается этими тонкими слоями.
Номинальный импульсный ток пленочных конденсаторов можно повысить за счет различных внутренних конфигураций. Поскольку металлизация является самым дешевым способом производства электродов, оптимизация формы электродов является одним из способов минимизировать внутреннее сопротивление и увеличить токонесущую способность. Немного более толстый слой металлизации на контактных сторонах электродов приводит к снижению общего контактного сопротивления и увеличению выдерживания импульсного тока без потери свойств самовосстановления на протяжении всего оставшегося периода металлизации. [16]
Еще один метод увеличения номинального импульсного тока пленочных конденсаторов — двусторонняя металлизация. Это может удвоить номинальный пиковый ток. Эта конструкция также вдвое уменьшает общую самоиндукцию конденсатора, поскольку, по сути, две катушки индуктивности соединены параллельно, что обеспечивает менее беспрепятственное прохождение более быстрых импульсов (более высокий так называемый номинал «dV/dt»).
Двусторонняя металлизированная пленка не имеет электростатического поля, поскольку электроды имеют одинаковый потенциал напряжения на обеих сторонах пленки и, следовательно, не вносят вклада в общую емкость конденсатора. Поэтому эта пленка может быть изготовлена из другого и менее дорогого материала. Например, полипропиленовый пленочный конденсатор с двухсторонней металлизацией на полиэфирной пленочной основе делает конденсатор не только дешевле, но и меньше, поскольку более тонкая полиэфирная фольга улучшает объемный КПД конденсатора. Пленочные конденсаторы с двусторонней металлизированной пленкой эффективно имеют более толстые электроды для выдерживания более высоких импульсных токов, но при этом сохраняют свои свойства самовосстановления, в отличие от пленочных/фольговых конденсаторов.
Пленочные конденсаторы для использования в электронном оборудовании упаковываются обычными отраслевыми способами: осевыми, радиальными и SMD. Традиционные корпуса осевого типа сегодня используются реже, но по-прежнему предназначены для двухточечной проводки и некоторых традиционных печатных плат со сквозными отверстиями. Наиболее распространенным форм-фактором является радиальный тип (несимметричный), с обеими клеммами на одной стороне корпуса конденсатора. Чтобы облегчить автоматическую установку , радиальные пленочные конденсаторы из пластика обычно изготавливаются со стандартными расстояниями между клеммами, начиная с шага 2,5 мм и увеличиваясь с шагом 2,5 мм. Радиальные конденсаторы доступны в пластиковых корпусах или в эпоксидной смоле для защиты корпуса конденсатора от воздействия окружающей среды. Хотя переходное тепло при пайке оплавлением вызывает высокие напряжения в материалах пластиковых пленок, пленочные конденсаторы, способные выдерживать такие температуры, доступны в корпусах устройств для поверхностного монтажа ( SMD ).
До появления пластиковых пленок обычно использовались конденсаторы, изготовленные путем размещения полоски пропитанной воском бумаги между полосами металла и свертывания полученного результата в цилиндр - бумажные конденсаторы ; их производство началось в 1876 году [17] , а с начала 20 века они использовались в качестве развязывающих конденсаторов в телекоммуникациях (телефонии).
С разработкой пластиковых материалов химиками-органиками во время Второй мировой войны конденсаторная промышленность начала заменять бумагу более тонкими полимерными пленками. Одна из самых ранних разработок в области пленочных конденсаторов была описана в британском патенте № 587 953 в 1944 году. Внедрение пластмасс в пленочные конденсаторы из пластика происходило примерно в следующем историческом порядке: полистирол (ПС) в 1949 году, полиэтилентерефталат (ПЭТ / «полиэстер») и целлюлоза. ацетат (СА) в 1951 г., поликарбонат (ПК/Лексан) в 1953 г., политетрафторэтилен (ПТФЭ/тефлон) в 1954 г., полипарилен в 1954 г., полипропилен (ПП) в 1954 г., полиэтилен (ПЭ) в 1958 г. и полифениленсульфид (ППС) в 1954 г. 1967. [18] К середине 1960-х годов существовал широкий ассортимент различных пленочных конденсаторов из пластика, предлагаемых многими, в основном европейскими и американскими производителями. Немецкие производители, такие как WIMA, Roederstein , Siemens и Philips, были законодателями моды и лидерами на мировом рынке бытовой электроники. [19]
Одним из больших преимуществ пластиковых пленок для изготовления конденсаторов является то, что пластиковые пленки имеют значительно меньше дефектов, чем бумажные листы, используемые в бумажных конденсаторах. Это позволяет производить конденсаторы из пластиковой пленки только с одним слоем пластиковой пленки, тогда как для бумажных конденсаторов требуется двойной слой бумаги . Пластиковые пленочные конденсаторы были значительно меньше по физическому размеру (лучший объемный КПД ), с тем же значением емкости и той же диэлектрической прочностью, что и сопоставимые бумажные конденсаторы. Новые на тот момент пластиковые материалы также продемонстрировали дополнительные преимущества по сравнению с бумагой. Пластик гораздо менее гигроскопичен , чем бумага, что снижает вредное воздействие несовершенной герметизации. Кроме того, большинство пластмасс подвергаются меньшим химическим изменениям в течение длительного периода времени, что обеспечивает долговременную стабильность их электрических параметров. Примерно с 1980 года бумажные и металлизированные бумажные конденсаторы (конденсаторы MP) почти полностью были заменены пленочными конденсаторами из ПЭТ для большинства маломощных электронных устройств постоянного тока. В настоящее время бумага используется только в конденсаторах для подавления радиочастотных помех или в конденсаторах для работы двигателей, а также в качестве смешанного диэлектрика в сочетании с полипропиленовыми пленками в больших конденсаторах переменного и постоянного тока для мощных устройств.
Первым специальным типом пластиковых пленочных конденсаторов были пленочные конденсаторы из ацетата целлюлозы , также называемые конденсаторами MKU. Полярный изолирующий диэлектрический ацетат целлюлозы представлял собой синтетическую смолу, которую можно было производить для металлизированных конденсаторов с толщиной лакокрасочной пленки примерно до 3 мкм. Жидкий слой ацетата целлюлозы сначала наносился на бумажный носитель, затем покрывался воском, сушился и затем металлизировался. При намотке корпуса конденсатора бумага удалялась с металлизированной пленки. Оставшийся тонкий слой ацетата целлюлозы имел диэлектрический пробой 63 В, чего достаточно для многих применений общего назначения. Очень малая толщина диэлектрика уменьшила габариты этих конденсаторов по сравнению с другими пленочными конденсаторами того времени. Пленочные конденсаторы MKU больше не производятся, поскольку теперь можно производить полиэфирные пленочные конденсаторы меньших размеров, которые занимали рыночную нишу типа MKU. [20]
Пленочные конденсаторы стали намного меньше с момента появления технологии. Например, за счет разработки более тонких пластиковых пленок размеры металлизированных полиэфирных пленочных конденсаторов были уменьшены примерно в 3-4 раза. [ нужна ссылка ] [ нужны разъяснения Предположительно объем? ]
Наиболее важными преимуществами пленочных конденсаторов являются стабильность их электрических характеристик в течение длительного времени, их надежность и более низкая стоимость, чем у некоторых других типов для тех же применений. Специально для применений с высокими импульсными нагрузками тока или высокими нагрузками переменного тока в электрических системах доступны сверхпрочные пленочные конденсаторы, называемые здесь «силовыми конденсаторами», с диэлектрической проницаемостью в несколько киловольт.
Однако производство пленочных конденсаторов критически зависит от цепочки поставок материалов. Каждый из пластиковых пленочных материалов, используемых для пленочных конденсаторов во всем мире, производится только двумя или тремя крупными поставщиками. Причина этого в том, что массовые объемы, необходимые рынку пленочных крышек, довольно малы по сравнению с тиражами, производимыми типичными химическими компаниями. Это приводит к большой зависимости производителей конденсаторов от относительно небольшого числа химических компаний в качестве поставщиков сырья. Например, в 2000 году компания Bayer AG прекратила производство поликарбонатных пленок из-за нерентабельно низких объемов продаж. Большинству производителей поликарбонатных пленочных конденсаторов пришлось быстро сменить ассортимент своей продукции на конденсаторы другого типа, а также потребовалось множество дорогостоящих разрешений на испытания новых конструкций.
По состоянию на 2012 год только пять пластиковых материалов продолжали широко использоваться в конденсаторной промышленности в качестве пленок для конденсаторов: ПЭТ, ПЭН, ПП, ППС и ПТФЭ. Другие пластмассовые материалы больше не используются широко, либо потому, что они больше не производятся, либо потому, что они были заменены более качественными материалами. Даже давно выпускаемые пленочные конденсаторы из полистирола (ПС) и поликарбоната (ПК) в значительной степени были заменены ранее упомянутыми типами пленок, хотя по крайней мере один производитель конденсаторов для ПК сохраняет возможность производить свои собственные пленки из необработанного поликарбонатного сырья. [21] Здесь кратко описаны менее распространенные пластиковые пленки, поскольку они все еще встречаются в старых конструкциях и все еще доступны у некоторых поставщиков.
С самого начала пленочные конденсаторы превратились в очень широкую и узкоспециализированную линейку различных типов. К концу ХХ века массовое производство большинства пленочных конденсаторов переместилось на Дальний Восток. Несколько крупных компаний по-прежнему производят узкоспециализированные пленочные конденсаторы в Европе и США для силовых и переменного тока. [22]
В следующей таблице указаны наиболее часто используемые диэлектрические полимеры для пленочных конденсаторов.
Кроме того, можно смешивать различные пленочные материалы для получения конденсаторов с определенными свойствами.
Наиболее часто используемыми пленочными материалами являются полипропилен с долей рынка 50%, за которым следует полиэстер с долей 40%. Остальные 10% составляют другие диэлектрические материалы, в том числе полифениленсульфид и бумага, примерно по 3% на каждый. [23] [24]
Поликарбонатные пленочные конденсаторы больше не производятся, поскольку диэлектрический материал больше не доступен. [25]
Электрические характеристики, а также температурные и частотные характеристики пленочных конденсаторов по существу определяются типом материала, из которого состоит диэлектрик конденсатора. В следующей таблице перечислены наиболее важные характеристики основных материалов пластиковых пленок, используемых сегодня. Характеристики смешанных пленочных материалов здесь не приводятся.
Цифры в этой таблице взяты из спецификаций, опубликованных различными производителями пленочных конденсаторов для промышленной электроники. [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32]
Большой диапазон значений коэффициента потерь включает как типичные, так и максимальные значения из паспортов различных производителей. Типичные электрические значения силовых и больших конденсаторов переменного тока не включены в эту таблицу.
Полипропиленовые пленочные конденсаторы имеют диэлектрик, изготовленный из термопластичного, неполярного, органического и частично кристаллического полимерного материала полипропилена (ПП), торговая марка Treofan, из семейства полиолефинов . Они производятся как в металлизированной намотанной, так и в многослойной версии, а также в виде пленки/фольги. Полипропиленовая пленка является наиболее часто используемой диэлектрической пленкой в промышленных конденсаторах, а также в силовых конденсаторах. Полипропиленовый пленочный материал впитывает меньше влаги, чем полиэфирная пленка, поэтому также подходит для «голых» конструкций без какого-либо покрытия или дополнительной упаковки. Но максимальная температура 105 °С препятствует использованию ПП-пленок в SMD-упаковке.
Температурная и частотная зависимости электрических параметров полипропиленовых пленочных конденсаторов очень низкие. Полипропиленовые пленочные конденсаторы имеют линейный отрицательный температурный коэффициент емкости ±2,5 % в пределах своего температурного диапазона. Таким образом, полипропиленовые пленочные конденсаторы подходят для применения в схемах определения частоты класса 1, фильтрах, генераторных схемах, аудиосхемах и таймерах. Они также полезны для компенсации индуктивных катушек в прецизионных фильтрах и в высокочастотных приложениях.
В дополнение к классу применения пленочных конденсаторов из полипропилена в версии «пленка/фольга» стандарт IEC/EN 60384-13 определяет три «класса стабильности». Эти классы стабильности определяют допуск на температурные коэффициенты вместе с допустимым изменением емкости после определенных испытаний. Они разделены на различные классы температурного коэффициента (α) с соответствующими допусками и предпочтительными значениями допустимого изменения емкости после механических испытаний, испытаний на воздействие окружающей среды (влажность) и испытаний на срок службы.
Таблица недействительна для значений емкости менее 50 пФ.
Кроме того, пленочные конденсаторы из полипропилена имеют наименьшее диэлектрическое поглощение , что делает их пригодными для таких применений, как временные конденсаторы ГУН , приложения выборки и хранения и аудиосхемы. Для этих прецизионных применений они доступны с очень узкими допусками по емкости.
Коэффициент рассеяния пленочных конденсаторов из полипропилена меньше, чем у других пленочных конденсаторов. Благодаря низкому и очень стабильному коэффициенту рассеяния в широком диапазоне температур и частот, даже на очень высоких частотах, а также высокой диэлектрической прочности 650 В/мкм, пленочные полипропиленовые конденсаторы могут использоваться в металлизированном и пленочном/фольговом исполнениях в качестве конденсаторов. для импульсных применений, таких как схемы отклонения ЭЛТ, или в качестве так называемых « снабберных » конденсаторов, или в приложениях IGBT . Кроме того, полипропиленовые пленочные конденсаторы используются в устройствах переменного тока, например, в конденсаторах для работы двигателей или конденсаторах коррекции коэффициента мощности (PFC).
Полипропиленовые пленочные конденсаторы широко используются для подавления электромагнитных помех , в том числе при прямом подключении к сети электропитания. В последнем случае они должны соответствовать специальным требованиям испытаний и сертификации, касающимся безопасности и негорючести.
В большинстве силовых конденсаторов, самых крупных конденсаторов, в качестве диэлектрика обычно используется полипропиленовая пленка. Пленочные конденсаторы из полипропилена используются в высокочастотных приложениях большой мощности, таких как индукционный нагрев , для импульсных разрядов энергии, а также в качестве конденсаторов переменного тока для распределения электроэнергии. Номинальное напряжение переменного тока этих конденсаторов может достигать 400 кВ.
Относительно низкая диэлектрическая проницаемость 2,2 является небольшим недостатком, а пленочные конденсаторы из полипропилена имеют тенденцию быть несколько больше физически, чем другие пленочные конденсаторы.
Пленки конденсаторного качества производятся толщиной до 20 мкм при ширине рулона до 140 мм. Рулоны тщательно упаковываются попарно в вакууме в соответствии со спецификациями, необходимыми для конденсатора.
Полиэфирные пленочные конденсаторы представляют собой пленочные конденсаторы, в которых используется диэлектрик, изготовленный из термопластичного полярного полимерного материала полиэтилентерефталата (ПЭТ), торговые марки Hostaphan или Mylar , из семейства полиэфиров. Они производятся как в металлизированной намотанной, так и в многослойной версии, а также в виде пленки/фольги. Полиэфирная пленка впитывает очень мало влаги, и это свойство делает ее подходящей для «голых» конструкций без необходимости дополнительного покрытия. Это недорогие конденсаторы массового производства в современной электронике, имеющие относительно небольшие размеры и относительно высокие значения емкости. Конденсаторы ПЭТ в основном используются в качестве конденсаторов общего назначения для приложений постоянного тока или для полукритических цепей с рабочей температурой до 125 °C. Максимальная температура 125 °C также позволяет изготавливать пленочные конденсаторы SMD из ПЭТ-пленок. [33] Низкая стоимость полиэстера и относительно компактные размеры являются основными причинами высокой распространенности пленочных конденсаторов из ПЭТ в современных конструкциях.
Небольшие физические размеры пленочных конденсаторов из ПЭТ являются результатом высокой относительной диэлектрической проницаемости 3,3 в сочетании с относительно высокой диэлектрической прочностью, что приводит к относительно высокому объемному КПД . Преимущество компактности имеет и некоторые недостатки. Температурная зависимость емкости полиэфирных пленочных конденсаторов относительно высока по сравнению с другими пленочными конденсаторами и составляет ±5% во всем диапазоне температур. Частотная зависимость емкости полиэфирных пленочных конденсаторов по сравнению с другими пленочными конденсаторами составляет -3% в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц на верхнем пределе. Кроме того, температурная и частотная зависимость коэффициента рассеяния выше для полиэфирных пленочных конденсаторов по сравнению с другими типами пленочных конденсаторов.
Полиэфирные пленочные конденсаторы в основном используются в устройствах общего назначения или в полукритических цепях с рабочей температурой до 125 °C.
Полиэтиленнафталатные пленочные конденсаторы представляют собой пленочные конденсаторы, в которых используется диэлектрик из термопластичного двухосного полимерного материала полиэтиленнафталат (ПЭН), торговые марки Kaladex, Teonex. Их выпускают только металлизированные. ПЭН, как и ПЭТ, относится к семейству полиэфиров, но обладает большей стабильностью при высоких температурах. Таким образом, пленочные конденсаторы PEN больше подходят для применения при высоких температурах и для упаковки SMD.
Температурная и частотная зависимость электрических характеристик емкости и коэффициента потерь пленочных конденсаторов ПЭН аналогичны пленочным конденсаторам ПЭТ. Из-за меньшей относительной диэлектрической проницаемости и более низкой диэлектрической прочности полимера PEN пленочные конденсаторы PEN физически больше по размеру при заданной емкости и номинальном значении напряжения. Несмотря на это, пленочные конденсаторы PEN предпочтительнее PET, если температура окружающей среды во время работы конденсаторов постоянно превышает 125 °C. Специальный диэлектрик PEN «высокого напряжения» (HV) обеспечивает превосходные электрические свойства во время испытаний на долговечность при высоких напряжениях и высоких температурах (175 °C). PEN-конденсаторы в основном используются для некритической фильтрации, связи и развязки в электронных схемах, когда температурные зависимости не имеют значения.
Полифениленсульфидные пленочные конденсаторы — пленочные конденсаторы с диэлектриком из термопластичного, органического и частично кристаллического полимерного материала Поли(п-фениленсульфид) (ПФС), торговое наименование Торелина. Они производятся только как металлизированные.
Температурная зависимость емкости пленочных конденсаторов ППС во всем диапазоне температур очень мала (±1,5%) по сравнению с другими пленочными конденсаторами. Также частотная зависимость в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц емкости пленочных конденсаторов ППС составляет ±0,5%, что очень мало по сравнению с другими пленочными конденсаторами. Коэффициент рассеяния пленочных конденсаторов PPS довольно мал, а температурная и частотная зависимость коэффициента рассеяния в широком диапазоне очень стабильна. Лишь при температуре выше 100 °С коэффициент потерь возрастает до больших значений. Показатели диэлектрической абсорбции превосходны, уступая только диэлектрическим конденсаторам из ПТФЭ и PS.
Пленочные конденсаторы из полифениленсульфида хорошо подходят для применения в схемах определения частоты и для высокотемпературных применений. Благодаря своим хорошим электрическим свойствам пленочные конденсаторы PPS являются идеальной заменой пленочных конденсаторов из поликарбоната, производство которых с 2000 года в значительной степени прекращено.
В дополнение к своим превосходным электрическим свойствам пленочные конденсаторы PPS могут выдерживать температуру до 270 °C без ущерба для качества пленки, поэтому пленочные конденсаторы PPS подходят для устройств поверхностного монтажа (SMD) и могут выдерживать повышенные температуры пайки оплавлением свинца. - свободная пайка, предусмотренная директивой RoHS 2002/95/EC .
Стоимость пленочного конденсатора PPS обычно выше, чем пленочного конденсатора PP. [34]
Пленочные конденсаторы из политетрафторэтилена изготавливаются с диэлектриком из синтетического фторполимера политетрафторэтилена (ПТФЭ), гидрофобного твердого фторуглерода . Они производятся как металлизированные, так и в виде пленки/фольги, хотя плохое прилегание к пленке затрудняет металлизацию. ПТФЭ часто известен под торговой маркой DuPont Teflon .
Пленочные конденсаторы из политетрафторэтилена обладают очень высокой термостойкостью до 200 °C и даже выше до 260 °C со снижением номинальных значений напряжения. Коэффициент диссипации 2 • 10 −4 весьма мал. Изменение емкости во всем диапазоне температур от +1% до -3% немного выше, чем у полипропиленовых пленочных конденсаторов. Однако, поскольку наименьшая доступная толщина пленки из ПТФЭ составляет 5,5 мкм [35] , что примерно в два раза превышает толщину полипропиленовых пленок, пленочные конденсаторы из ПТФЭ физически больше, чем пленочные конденсаторы из ПП. Он добавил, что толщина пленки на поверхности непостоянна, поэтому производство тефлоновых пленок затруднено. [36] [37] Таким образом, количество производителей пленочных конденсаторов из ПТФЭ ограничено.
Пленочные конденсаторы из ПТФЭ доступны с номинальным напряжением от 100 В до 630 В постоянного тока. Они используются в военной технике, в аэрокосмической отрасли, в геологических зондах, в схемах прожига и в высококачественных аудиосхемах. Основные производители пленочных конденсаторов из ПТФЭ расположены в США. [35] [38] [39] [40] [41] [42]
Полистироловые пленочные конденсаторы, иногда называемые «стирофлексными конденсаторами», в течение многих лет были хорошо известны как недорогие пленочные конденсаторы общего назначения, в которых требовались высокая стабильность емкости, низкий коэффициент рассеяния и низкие токи утечки. Но поскольку толщину пленки нельзя было сделать тоньше 10 мкм, а максимальный температурный диапазон достигал всего 85 ° C, с 2012 года пленочные конденсаторы PS в основном были заменены пленочными конденсаторами из полиэстера. Однако некоторые производители все еще могут предлагать пленку PS. конденсаторы в своей производственной программе, а также большое количество полистироловой пленки, хранящейся на их складе. Конденсаторы из полистирола имеют важное преимущество — они имеют температурный коэффициент, близкий к нулю, и поэтому полезны в настроенных цепях, где необходимо избегать температурного дрейфа.
Поликарбонатные пленочные конденсаторы представляют собой пленочные конденсаторы с диэлектриком, изготовленным из полимеризованных сложных эфиров угольной кислоты и двухатомных спиртов поликарбоната (ПК), иногда называемого торговым знаком Макрофол. Они производятся как металлизированные, так и в виде пленки/фольги.
Эти конденсаторы имеют низкий коэффициент рассеяния, и из-за их относительно независимых от температуры электрических свойств (около ±80 ppm во всем температурном диапазоне) они нашли множество применений для приложений с низкими потерями и температурной стабильностью, таких как схемы синхронизации, прецизионные аналоговые схемы и т. д. и фильтры сигналов в приложениях с жесткими условиями окружающей среды. Пленочные конденсаторы для ПК производились с середины 1950-х годов, но основной поставщик поликарбонатной пленки для конденсаторов прекратил производство этого полимера в пленочной форме с 2000 года. В результате большинство производителей поликарбонатных пленочных конденсаторов во всем мире были вынуждены прекратить производство пленочных конденсаторов для ПК и вместо этого перейти на полипропиленовые пленочные конденсаторы. [43] Большинству бывших применений конденсаторов для ПК нашли удовлетворительную замену пленочные конденсаторы из полипропилена.
Однако есть исключения. Производитель Electronic Concepts Inc. (Нью-Джерси, США) утверждает, что является собственным производителем поликарбонатной пленки [44] и продолжает производить пленочные конденсаторы для ПК. Помимо этого производителя поликарбонатных пленочных конденсаторов, существуют и другие специализированные производители, в основном базирующиеся в США. [45] [46] [47] [48]
Исторически первыми конденсаторами «пленочного» типа были бумажные конденсаторы конфигурации «пленка/фольга». Они были довольно громоздкими и не особенно надежными. С 2012 года бумага используется в виде металлизированной бумаги для конденсаторов MP со свойствами самовосстановления, используемых для подавления электромагнитных помех. Бумага также используется в качестве изолирующего механического носителя электродов с металлизированным слоем и в сочетании с полипропиленовым диэлектриком, в основном в силовых конденсаторах, рассчитанных на сильный ток переменного тока и высокое напряжение постоянного тока.
Бумага в качестве носителя электродов имеет преимущества более низкой стоимости и несколько лучшего сцепления металлизации с бумагой, чем с полимерными пленками. Но сама по себе бумага в качестве диэлектрика в конденсаторах недостаточно надежна для удовлетворения растущих требований к качеству современных приложений. Сочетание бумаги с диэлектриком из полипропиленовой пленки является экономически эффективным способом повышения качества и производительности. Лучшее прилипание металлизации к бумаге выгодно, особенно при больших токовых импульсных нагрузках, а диэлектрик из полипропиленовой пленки увеличивает номинальное напряжение.
Однако шероховатость металлизированной поверхности бумаги может привести к появлению множества мелких пузырьков, наполненных воздухом, между диэлектриком и металлизацией, что снижает напряжение пробоя конденсатора. По этой причине пленочные конденсаторы большего размера или силовые конденсаторы, в которых в качестве носителя электродов используется бумага, обычно заполняются изолирующим маслом или газом, чтобы вытеснить пузырьки воздуха и обеспечить более высокое напряжение пробоя. [49]
Однако, поскольку почти каждый крупный производитель предлагает свои собственные пленочные конденсаторы со смешанными пленочными материалами, трудно дать универсальный и общий обзор конкретных свойств смешанных пленочных конденсаторов.
В качестве диэлектрика в пленочных конденсаторах можно использовать и другие пластмассовые материалы, кроме описанных выше. [50] Термопластичные полимеры, такие как полиимид (PI), полиамид (PA, более известный как нейлон или перлон), поливинилиденфторид (PVDF), силоксан , полисульфон (PEx) и ароматический полиэфир (FPE), описаны в технической литературе как возможные. диэлектрические пленки для конденсаторов. Основной причиной рассмотрения новых пленочных материалов для конденсаторов является относительно низкая диэлектрическая проницаемость обычно используемых материалов. При более высокой диэлектрической проницаемости пленочные конденсаторы можно было бы сделать еще меньше, что является преимуществом на рынке более компактных портативных электронных устройств.
В 1984 году в прессе было объявлено о патенте на новую технологию пленочных конденсаторов, в которой в качестве диэлектрика в пленочных конденсаторах используются сшитые электронным лучом акрилатные материалы. [51] [52] Но по состоянию на 2012 год только один производитель продает конкретный акрилатный пленочный конденсатор SMD в качестве замены X7R MLCC. [53]
Полиимид (ПИ), термопластичный полимер имидных мономеров, предлагается для пленочных конденсаторов, называемых полиимидными, ПИ- или каптоновыми конденсаторами. [50] [54] Каптон — торговое название полиимида компании DuPont . Этот материал интересен своей устойчивостью к высоким температурам до 400 °С. Но по состоянию на 2012 год о конкретных пленочных конденсаторах серии PI не сообщалось. Предлагаемый пленочный конденсатор Kapton CapacitorCL11, анонсированный компанией «dhgate», относится к типу: полипропиленовый пленочный конденсатор. [55] Еще один очень странный каптоновый конденсатор можно найти у YEC, китайского производителя конденсаторов. Вот заявленные «каптоновые конденсаторы» на самом деле являются суперконденсаторами , совершенно другой технологии. [56] Возможно, каптоновая пленка в этих суперконденсаторах используется в качестве сепаратора между электродами этого двухслойного конденсатора . Каптоновые пленки часто предлагаются в качестве клейкой пленки для внешней изоляции корпусов конденсаторов.
Поливинилиденфторид (ПВДФ) имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость от 18 до 20, что позволяет хранить большое количество энергии в небольшом пространстве ( объемный КПД ). Однако его температура Кюри составляет всего 60 °C, что ограничивает его удобство использования. Пленочные конденсаторы с ПВДФ описаны для одного особого применения — в портативных дефибрилляторах . [57] [58]
По состоянию на 2012 год для всех других упомянутых материалов, таких как PA, PVDF, силоксан, PEx или FPE, конкретные серии пленочных конденсаторов с этими пластиковыми пленками, как известно, не производятся в коммерческих количествах. [ нужна цитата ]
Стандартизация всех электрических , электронных компонентов и связанных с ними технологий осуществляется в соответствии с правилами Международной электротехнической комиссии (МЭК), [59] некоммерческой неправительственной международной организации по стандартизации . [60] [61] Стандарты МЭК гармонизированы с европейскими стандартами EN.
Определение характеристик и порядок проведения методов испытаний конденсаторов, применяемых в электронной аппаратуре, изложены в типовой спецификации:
Испытания и требования, которым должны соответствовать пленочные конденсаторы, используемые в электронном оборудовании для утверждения в качестве стандартизированных типов, изложены в следующих разделах технических характеристик:
Стандартизация силовых конденсаторов в значительной степени ориентирована на правила безопасности персонала и оборудования, установленные местным регулирующим органом. Концепции и определения, гарантирующие безопасное применение силовых конденсаторов, опубликованы в следующих стандартах:
Приведенный выше текст непосредственно взят из соответствующих стандартов IEC, в которых используются сокращения «dc» для постоянного тока (DC) и «ac» для переменного тока (AC).
На заре разработки пленочных конденсаторов некоторые крупные производители пытались стандартизировать названия различных пленочных материалов. В результате был создан бывший немецкий стандарт (DIN 41 379), который впоследствии был отменен, в котором для каждого материала и типа конфигурации предписывался сокращенный код. Многие производители продолжают использовать эти де-факто стандартные сокращения.
Однако с перемещением бизнеса массового рынка в индустрию пассивных компонентов, в том числе пленочных конденсаторов, многие новые производители на Дальнем Востоке используют свои собственные сокращения, которые отличаются от ранее установленных сокращений.
Производители Wima, Vishay и TDK Epcos указывают электрические параметры своих пленочных конденсаторов в общей технической информации. [26] [27] [28]
Электрические характеристики конденсаторов согласованы с международной общей спецификацией IEC/EN 60384–1. В этом стандарте электрические характеристики конденсаторов описываются идеализированной последовательно-эквивалентной схемой с электрическими компонентами, моделирующими все омические потери, емкостные и индуктивные параметры пленочного конденсатора:
Два реактивных сопротивления имеют следующие отношения с угловой частотой «ω»:
Номинальная емкость — это значение, на которое рассчитан конденсатор. Фактическая емкость пленочных конденсаторов зависит от частоты измерения и температуры окружающей среды. Стандартизированными условиями для пленочных конденсаторов являются частота измерения 1 кГц и температура 20 °C. Процент допустимого отклонения емкости от номинального значения называется допуском емкости. Фактическое значение емкости конденсатора должно находиться в пределах допуска, иначе конденсатор не соответствует техническим характеристикам.
Пленочные конденсаторы доступны в различных сериях допусков, значения которых указаны в стандартах серии E , указанных в IEC/EN 60063. Для сокращенной маркировки в ограниченном пространстве буквенный код для каждого допуска указан в IEC/EN 60062.
Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Узкие допуски от E24 до E96 будут использоваться для высококачественных схем, таких как прецизионные генераторы и таймеры. С другой стороны, для общих применений, таких как некритическая фильтрация или схемы связи, достаточно серий допусков E12 или E6.
Различные пленочные материалы имеют различия в своих характеристиках, зависящие от температуры и частоты. На графиках ниже показано типичное температурное и частотное поведение емкости для различных материалов пленки.
Номинальное напряжение постоянного тока V R представляет собой максимальное напряжение постоянного тока или пиковое значение импульсного напряжения, или сумму приложенного напряжения постоянного тока и пикового значения наложенного напряжения переменного тока, которое может непрерывно прикладываться к конденсатору при любой температуре между Категория температуры и номинальная температура. [63]
Напряжение пробоя пленочных конденсаторов уменьшается с повышением температуры. При использовании пленочных конденсаторов при температурах между верхней номинальной температурой и температурой высшей категории допускается только пониженное по температуре напряжение категории V C. Коэффициенты снижения мощности применяются как к постоянному, так и к переменному напряжению. Некоторые производители могут иметь совершенно другие кривые снижения номинальных характеристик своих конденсаторов по сравнению с общими кривыми, приведенными на рисунке справа.
Допустимое пиковое значение наложенного переменного напряжения, называемое «номинальным пульсирующим напряжением», зависит от частоты. Действующие стандарты определяют следующие условия независимо от типа диэлектрической пленки. [64]
Пленочные конденсаторы не поляризованы и подходят для работы с переменным напряжением. Поскольку номинальное напряжение переменного тока указывается как среднеквадратичное значение, номинальное напряжение переменного тока должно быть меньше номинального напряжения постоянного тока. Типичные значения напряжений постоянного тока и номинально соответствующих напряжений переменного тока приведены в таблице ниже:
Переменное напряжение вызывает переменный ток (при приложенном постоянном смещении это также называется «пульсирующим током»), при этом циклическая зарядка и разрядка конденсатора вызывает колебательное движение электрических диполей в диэлектрике. Это приводит к диэлектрическим потерям , которые являются основной составляющей ESR пленочных конденсаторов и выделяют тепло от переменного тока. Максимальное среднеквадратичное переменное напряжение заданной частоты, которое может непрерывно прикладываться к конденсатору (вплоть до номинальной температуры), определяется как номинальное переменное напряжение U R AC . Номинальные напряжения переменного тока обычно указываются для частоты сети данного региона (50 или 60 Гц).
Номинальное переменное напряжение обычно рассчитывается так, что повышение внутренней температуры от 8 до 10 К устанавливает допустимый предел для пленочных конденсаторов. Эти потери увеличиваются с увеличением частоты, и производители указывают кривые снижения максимального напряжения переменного тока, допустимого на более высоких частотах.
Конденсаторы, в том числе пленочные, предназначенные для непрерывной работы при низкочастотном (50 или 60 Гц) сетевом напряжении, обычно между линией и нейтралью или между линией и землей для подавления помех, должны соответствовать стандартным классам безопасности; например, X2 предназначен для работы между линией и нейтралью при напряжении 200–240 В переменного тока, а Y2 — между линией и землей. Эти типы рассчитаны на надежность и в случае отказа обеспечивают безопасный выход из строя (обрыв, а не короткое замыкание). [65] Некатастрофический режим отказа в этом применении обусловлен эффектом короны : воздух, заключенный в элементе обмотки, становится ионизированным и, следовательно, более проводящим, что приводит к возникновению частичных разрядов на металлизированной поверхности пленки, что вызывает локальное испарение металлизация. Это происходит неоднократно и может привести к значительной потере емкости (C-распад) в течение одного или двух лет. Международный стандарт IEC60384-14 определяет предел 10% распада C на 1000 часов испытаний (41 день постоянного подключения). [66] Некоторые конденсаторы сконструированы таким образом, чтобы минимизировать этот эффект. Один из методов, за счет увеличения размера и стоимости, заключается в том, что конденсатор, работающий при 200–240 В переменного тока, состоит внутри из двух последовательно соединенных частей, каждая из которых находится на напряжении 100–120 В переменного тока, что недостаточно для того, чтобы вызвать ионизацию. Производители также используют более дешевые и меньшие по размеру конструкции, предназначенные для предотвращения эффекта коронного разряда без последовательно соединенных секций, например, для минимизации закрытого воздуха. [66]
Для металлизированных пленочных конденсаторов максимально возможное импульсное напряжение ограничено из-за ограниченной пропускной способности по току между контактом электродов и самими электродами. Номинальное импульсное напряжение Vp представляет собой пиковое значение импульсного напряжения, которое может непрерывно прикладываться к конденсатору при номинальной температуре и заданной частоте. Допустимая мощность импульсного напряжения выражается как время нарастания импульсного напряжения dV/dT в В/мкс, а также подразумевает максимальную допустимую мощность импульсного тока. Значения времени нарастания импульса относятся к номинальному напряжению. При более низких рабочих напряжениях допустимое время нарастания импульса может уменьшиться. Допустимая импульсная нагрузочная способность пленочного конденсатора обычно рассчитывается таким образом, чтобы допустимым было повышение внутренней температуры от 8 до 10 К.
Максимально допустимое время нарастания импульса пленочных конденсаторов, которые можно применять в номинальном диапазоне температур, указано в соответствующих технических паспортах. Превышение максимальной указанной импульсной нагрузки может привести к разрушению конденсатора.
Для каждого отдельного применения необходимо рассчитывать импульсную нагрузку. Общее правило расчета мощности пленочных конденсаторов недоступно из-за различий, связанных с производителями, обусловленных внутренними деталями конструкции разных конденсаторов. Поэтому процедура расчета производителя WIMA приводится как пример общеприменимых принципов. [67]
Импеданс — это комплексное отношение напряжения к току в цепи переменного тока (AC) при заданной частоте.
В паспортах пленочных конденсаторов указана только величина импеданса |Z| будет указан и записан просто как «Z». Фаза импеданса определяется как коэффициент рассеяния .
Если известны последовательные эквивалентные значения конденсатора и и , а также частота, то полное сопротивление можно рассчитать с помощью этих значений. В этом случае импеданс представляет собой сумму геометрической (комплексной) суммы реального и реактивного сопротивлений.
В частном случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления и имеют одинаковое значение ( ), тогда импеданс будет определяться только .
Импеданс является мерой способности конденсатора пропускать переменный ток. Чем ниже импеданс, тем легче переменный ток может проходить через конденсатор. Пленочные конденсаторы характеризуются очень малыми значениями импеданса и очень высокими резонансными частотами, особенно по сравнению с электролитическими конденсаторами .
Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) суммирует все резистивные потери конденсатора. Это сопротивления питающей линии, контактное сопротивление контакта электродов, линейное сопротивление электродов и диэлектрические потери в диэлектрической пленке. Наибольшую долю этих потерь обычно составляют диссипативные потери в диэлектрике.
Для пленочных конденсаторов в соответствующих технических паспортах будет указан коэффициент рассеяния tan δ вместо ESR. Коэффициент рассеяния определяется тангенсом фазового угла между емкостным реактивным сопротивлением X C минус индуктивное реактивное сопротивление X L и ESR .
Если индуктивность ESL мала, коэффициент рассеяния можно аппроксимировать как:
Причина использования коэффициента рассеяния вместо ESR заключается в том, что пленочные конденсаторы изначально использовались в основном в частотно-определяющих резонансных цепях. Обратная величина коэффициента рассеяния определяется как добротность «Q» . Высокое значение добротности является для резонансных контуров показателем качества резонанса.
Коэффициент рассеяния пленочных/фольговых конденсаторов ниже, чем у металлизированных пленочных конденсаторов, из-за более низкого контактного сопротивления с фольговым электродом по сравнению с металлизированным пленочным электродом.
Коэффициент рассеяния пленочных конденсаторов зависит от частоты, температуры и времени. В то время как частотные и температурные зависимости возникают непосредственно из физических законов, временная зависимость связана с процессами старения и адсорбции влаги.
Заряженный конденсатор со временем разряжается за счет собственного внутреннего сопротивления изоляции R isol . Умножение сопротивления изоляции на емкость конденсатора дает постоянную времени , которая называется «постоянной времени саморазряда»: (τ isol = R isol •C). Это мера качества диэлектрика в отношении его изолирующих свойств, измеряемая в секундах. Обычные значения для пленочных конденсаторов находятся в диапазоне от 1000 до 1 000 000 с. Эти постоянные времени всегда актуальны, если конденсаторы используются в качестве элементов, определяющих время (например, временная задержка) или для хранения значения напряжения, как в схемах выборки и хранения или интеграторах.
Диэлектрическая абсорбция — это название эффекта, при котором конденсатор, заряжавшийся в течение длительного времени, разряжается лишь частично при кратковременной разрядке. Это форма гистерезиса напряжения конденсатора. Хотя идеальный конденсатор после разрядки будет оставаться под напряжением 0 В, в реальных конденсаторах образуется небольшое остаточное напряжение — явление, которое также называется «пропитыванием».
В следующей таблице приведены типичные значения диэлектрической абсорбции для обычных пленочных материалов [26] [27] [29] [30]
Полипропиленовые пленочные конденсаторы имеют самые низкие значения напряжения, создаваемого диэлектрической абсорбцией. Поэтому они идеально подходят для прецизионных аналоговых схем или для интеграторов и схем выборки и хранения .
Пленочные конденсаторы подвержены определенным, очень небольшим, но измеримым процессам старения. Первичный процесс деградации представляет собой небольшую усадку пластиковой пленки, которая происходит в основном в процессе пайки, а также во время эксплуатации при высоких температурах окружающей среды или при большой токовой нагрузке. Кроме того, в условиях эксплуатации во влажном климате может иметь место некоторое поглощение влаги обмотками конденсатора.
Термическое напряжение во время процесса пайки может изменить значение емкости пленочных конденсаторов с выводами, например, на 1–5% от первоначального значения. Для устройств поверхностного монтажа процесс пайки может изменить значение емкости на целых 10%. Коэффициент рассеяния и сопротивление изоляции пленочных конденсаторов также могут быть изменены вышеописанными внешними факторами, в частности, поглощением влаги в климатических условиях с высокой влажностью.
Производители пленочных конденсаторов могут замедлить процесс старения, вызванный поглощением влаги, используя лучшую герметизацию. Эта более дорогая обработка изготовления может объяснить тот факт, что пленочные конденсаторы с одинаковой базовой конструкцией корпуса могут поставляться с разными показателями стабильности в течение всего срока службы, называемыми классами производительности . Конденсаторы класса 1 являются «долговечными», конденсаторы класса 2 — конденсаторами «общего назначения». Характеристики этих классов определены в соответствующем стандарте IEC/EN 60384-x (см. стандарты).
Допустимые изменения емкости, коэффициента потерь и сопротивления изоляции различаются в зависимости от материала пленки и указаны в соответствующем техническом паспорте. Изменения с течением времени, превышающие указанные значения, рассматриваются как отказ из-за деградации.
Пленочные конденсаторы, как правило, являются очень надежными компонентами с очень низкой интенсивностью отказов и прогнозируемым сроком службы в несколько десятилетий при нормальных условиях. Ожидаемый срок службы пленочных конденсаторов обычно определяется с точки зрения приложенного напряжения, токовой нагрузки и температуры. [68]
Пленочные конденсаторы производятся с цветовой маркировкой, но более подробную информацию обычно наносят на корпус. Согласно стандарту МЭК 60384.1, конденсаторы должны быть маркированы отпечатками следующей информации:
Конденсаторы подавления радиопомех сетевого напряжения также должны быть маркированы соответствующими разрешениями органов безопасности.
Емкость, допуск и дата изготовления могут быть отмечены короткими кодами. Емкость часто обозначается индикатором дробного числа, заменяющим легко стираемую десятичную точку, например: n47 = 0,47 нФ, 4n7 = 4,7 нФ, 47n = 47 нФ.
По сравнению с двумя другими основными технологиями изготовления конденсаторов, керамическими и электролитическими конденсаторами , пленочные конденсаторы обладают свойствами, которые делают их особенно подходящими для многих универсальных и промышленных применений в электронном оборудовании. [69] [70] [71]
Двумя основными преимуществами пленочных конденсаторов являются очень низкие значения ESR и ESL. Пленочные конденсаторы физически больше и дороже, чем алюминиевые электролитические конденсаторы (электронные конденсаторы), но имеют гораздо более высокую устойчивость к импульсным нагрузкам. Поскольку пленочные конденсаторы не поляризованы, их можно использовать в приложениях переменного напряжения без смещения постоянного тока, и они имеют гораздо более стабильные электрические параметры. Полипропиленовые пленочные конденсаторы имеют относительно небольшую температурную зависимость емкости и коэффициента рассеяния, поэтому их можно применять в стабильных по частоте приложениях класса 1, заменяя керамические конденсаторы класса 1.
Полипропиленовые пленочные конденсаторы соответствуют критериям стабильности конденсаторов класса 1, имеют низкие электрические потери и почти линейное поведение в очень широком диапазоне температур и частот. Они используются для генераторов и резонансных цепей ; для электронных фильтров с высокой добротностью (Q), таких как фильтры верхних частот , фильтры нижних частот и полосовые фильтры, а также для схем настройки; для аудиокроссоверов в громкоговорителях ; в аналого -цифровых преобразователях выборки и хранения и в детекторах пикового напряжения. Жесткие допуски по емкости необходимы для таймеров в сигнальных лампах или генераторах ширины импульса для управления скоростью двигателей. Пленочные конденсаторы из полипропилена также хорошо подходят из-за их очень низкого тока утечки.
Пленочные конденсаторы из полипропилена класса 1 способны выдерживать более высокий ток, чем керамические конденсаторы класса стабильности 1. Точные отрицательные температурные характеристики полипропилена делают полипропиленовые конденсаторы полезными для компенсации температурных изменений в других компонентах.
Быстрое время нарастания импульса, высокая диэлектрическая прочность ( напряжение пробоя ) и низкий коэффициент рассеяния (высокая добротность) являются причинами использования полипропиленовых пленочных конденсаторов в обратноходовой настройке и S-коррекции в старых ЭЛТ-ламповых телевизионных и дисплейных устройствах. . По тем же причинам полипропиленовые пленочные конденсаторы, часто в версиях со специальными клеммами для высоких пиковых токов, хорошо работают в качестве демпферов в силовых электронных схемах. Из-за своей способности к высоким импульсным перенапряжениям ПП-конденсаторы подходят для использования в приложениях, где необходимы сильноточные импульсы, например, в рефлектометрах во временной области (TDR), в сварочных аппаратах, дефибрилляторах , в мощных импульсных лазерах . , или для генерации высокоэнергетического света или рентгеновских вспышек.
Кроме того, полипропиленовые пленочные конденсаторы используются во многих приложениях переменного тока, таких как фазовращатели для PFC [72] в люминесцентных лампах или в качестве конденсаторов для двигателей.
В простых схемах высокочастотных фильтров , а также в схемах стабилизаторов или удвоителей напряжения недорогие металлизированные полиэфирные пленочные конденсаторы обеспечивают долговременную стабильность и могут заменить более дорогие танталовые конденсаторы . Поскольку конденсаторы пропускают сигналы переменного тока, но блокируют постоянный ток, пленочные конденсаторы с их высоким сопротивлением изоляции и низкой самоиндукцией хорошо подходят в качестве конденсаторов связи для более высоких частот. По тем же причинам пленочные конденсаторы широко используются в качестве развязывающих конденсаторов для подавления шума или переходных процессов.
Пленочные конденсаторы, изготовленные из более дешевого пластика, используются в некритических приложениях, которые не требуют сверхстабильных характеристик в широком диапазоне температур, например, для сглаживания или передачи сигналов переменного тока. Вместо полистирольных конденсаторов (КС), ставших менее доступными, сейчас часто используются полиэфирные пленочные (КТ) конденсаторы «стопочного» типа.
Металлизированные пленочные конденсаторы обладают свойствами самовосстановления, а небольшие дефекты не приводят к разрушению компонента, что делает эти конденсаторы пригодными для подавления радиочастотных и электромагнитных помех с защитой от поражения электрическим током и распространения пламени, хотя повторяющиеся коронные разряды самовосстанавливаются. заживление может привести к значительной потере емкости. [66]
Пленочные конденсаторы из ПТФЭ используются в приложениях, которые должны выдерживать чрезвычайно высокие температуры. например, в военной технике, в аэрокосмической отрасли, в геологических зондах или в схемах сгорания.
Пленочные конденсаторы для подавления электромагнитных помех (EMI) или радиочастотных помех (RFI), также известные как «защитные конденсаторы сетевого фильтра переменного тока » или «защитные конденсаторы», используются в качестве важнейших компонентов для уменьшения или подавления электрических помех , вызванных работой электрических устройств. или электронное оборудование, обеспечивая при этом ограниченную защиту от поражения электрическим током . [73] [74] [75] [76]
Подавляющий конденсатор является эффективным компонентом снижения помех, поскольку его электрический импеданс уменьшается с увеличением частоты, поэтому на более высоких частотах они замыкают электрические помехи и переходные процессы между линиями или на землю. Таким образом, они предотвращают отправку и прием электромагнитных и радиочастотных помех, а также переходных процессов в сети (конденсаторы X). ) и соединения «фаза-земля» (Y-конденсаторы). Конденсаторы X эффективно поглощают симметричные, сбалансированные или дифференциальные помехи. С другой стороны, конденсаторы Y подключаются в обход линии между фазой линии и точкой нулевого потенциала для поглощения асимметричных, несбалансированных или синфазных помех.
Конденсаторы подавления электромагнитных и радиочастотных помех спроектированы и установлены таким образом, чтобы остающиеся помехи или электрический шум не превышали пределов, установленных директивой по электромагнитной совместимости EN 50081 [77] . Компоненты подавления подключаются непосредственно к сетевому напряжению полупостоянно в течение 10–20 лет и более и поэтому они подвергаются перенапряжению и переходным процессам, которые могут повредить конденсаторы. По этой причине подавляющие конденсаторы должны соответствовать требованиям безопасности и воспламеняемости международных стандартов безопасности, таких как следующие:
Конденсаторы радиочастотных помех, отвечающие всем указанным требованиям, имеют сертификационный знак различных национальных агентств по стандартизации безопасности. Для линий электропередачи особые требования предъявляются к воспламеняемости покрытия и эпоксидной смолы, пропитывающей или покрывающей корпус конденсатора. Чтобы получить сертификаты безопасности, конденсаторы с номиналами X и Y подвергаются разрушающим испытаниям до отказа. Даже при воздействии сильных скачков перенапряжения эти конденсаторы с номинальной безопасностью должны выходить из строя безопасным образом, не подвергая опасности персонал или имущество.
Большинство пленочных конденсаторов для подавления электромагнитных и радиопомех представляют собой пленочные конденсаторы из полиэстера (ПЭТ) или металлизированного полипропилена (ПП). Однако некоторые типы металлизированных бумажных конденсаторов (МП) все еще используются для этого применения, поскольку они все же имеют некоторые преимущества по огнестойкости . [78]
Некоторые защитные конденсаторы имеют встроенные разрядные резисторы .
Осветительный балласт — это устройство, обеспечивающее надлежащие электрические условия запуска и эксплуатации для освещения одной или нескольких люминесцентных ламп , а также ограничивающее силу тока. Известным и широко используемым примером является традиционный индуктивный балласт, используемый в люминесцентных лампах для ограничения тока через трубку, который в противном случае увеличился бы до разрушительного уровня из-за характеристики отрицательного сопротивления трубки . Недостатком использования дросселя является то, что ток смещается в противофазе с напряжением, что приводит к низкому коэффициенту мощности .
Современные электронные балласты обычно изменяют частоту питания от стандартной частоты сети 50 или 60 Гц до 40 кГц или выше, часто используя топологию схемы импульсного источника питания (SMPS) с PFC. Сначала входная мощность переменного тока выпрямляется в постоянный ток, а затем прерывается на высокой частоте для улучшения коэффициента мощности. В более дорогих балластах пленочный конденсатор часто сочетается с дросселем для коррекции коэффициента мощности. На рисунке справа плоский серый прямоугольный компонент в середине балластной цепи представляет собой полиэфирный пленочный конденсатор, используемый для коррекции коэффициента мощности. [79] [80]
Демпферные конденсаторы предназначены для работы при высоких пиковых токах, необходимых для защиты от переходных напряжений. Такие напряжения вызваны высокой скоростью нарастания тока «di/dt» , возникающей в приложениях силовой электроники.
Демпферы — это энергопоглощающие схемы, используемые для устранения скачков напряжения, вызванных индуктивностью цепи при размыкании ключа. Целью демпфера является улучшение электромагнитной совместимости (ЭМС) за счет устранения переходных процессов напряжения, возникающих при резком размыкании переключателя, или путем подавления искрения в контактах переключателя (например, автомобильной катушки зажигания с механическим прерывателем), или путем ограничения напряжения . скорость нарастания полупроводниковых переключателей, таких как тиристоры , тиристоры GTO , IGBT и биполярные транзисторы . Демпферные конденсаторы (или «демпфирующие конденсаторы» большей мощности) требуют конструкции конденсаторов с очень низкой самоиндукцией и очень низким ESR. Также ожидается, что эти устройства будут очень надежными, поскольку в случае выхода из строя снабберной RC-схемы в большинстве случаев силовой полупроводник будет разрушен.
В снабберных схемах обычно используются пленочные конденсаторы, чаще всего конденсаторы из полипропиленовой пленки. Наиболее важными критериями для этого применения являются низкая самоиндукция, низкое ESR и очень высокий пиковый ток. Так называемые «снабберные» конденсаторы иногда имеют некоторые дополнительные особенности конструкции. Самоиндукция снижается за счет более тонких конструкций с меньшей шириной электродов. За счет двусторонней металлизации или конструкции электродов из пленки/фольги ESR также можно снизить, увеличив пиковый ток. Специально расширенные клеммы, которые можно устанавливать непосредственно под полупроводниковыми корпусами, могут помочь увеличить ток и уменьшить индуктивность.
Самая популярная простая снабберная схема состоит из последовательно соединенных пленочного конденсатора и резистора, соединенных параллельно с полупроводниковым компонентом для подавления или гашения нежелательных скачков напряжения. [81] Конденсатор временно поглощает индуктивный пиковый ток выключения, так что результирующий всплеск напряжения ограничивается. Но тенденция в современной полупроводниковой технологии направлена на применение в приложениях с более высокой мощностью, что увеличивает пиковые токи и скорости переключения. В этом случае граница между стандартным электронным пленочным конденсатором и силовым конденсатором размывается, поэтому снабберные конденсаторы большего размера больше подходят для энергетических систем, электроустановок и установок.
Перекрывающиеся категории пленочных и силовых конденсаторов заметны, когда они применяются в качестве снабберных конденсаторов на растущем рынке мощной электроники с IGBT и тиристорами. Хотя в силовых конденсаторах используется полипропиленовая пленка, как и в меньших снабберных пленочных конденсаторах, они принадлежат к семейству силовых конденсаторов и называются «демпфирующими» конденсаторами.
Относительно простая технология изготовления намотки дает пленочным конденсаторам возможность достигать даже очень больших размеров для применений в диапазоне высоких мощностей, в качестве так называемых «силовых конденсаторов». Хотя материалы и конструкция силовых конденсаторов в основном аналогичны пленочным конденсаторам меньшего размера, по историческим причинам они определяются и продаются по-другому.
«Пленочные конденсаторы» были разработаны вместе с растущим рынком технологий вещания и электронного оборудования в середине 20 века. Эти конденсаторы стандартизированы в соответствии с правилами IEC/EN 60384-1 «Конденсаторы для использования в электронном оборудовании», а различные «пленочные материалы» имеют свои собственные подстандарты серии IEC/EN 60384- n . «Силовые конденсаторы» начинаются с допустимой мощности примерно 200 вольт-ампер, например, балластные конденсаторы в люминесцентных лампах. Стандартизация силовых конденсаторов соответствует правилам IEC/EN 61071 и IEC/EN 60143–1 и имеет свои собственные подстандарты для различных применений, например, для железнодорожных применений.
Силовые конденсаторы можно использовать для самых разных применений, даже там, где присутствуют крайне несинусоидальные напряжения и импульсные токи. Доступны конденсаторы как переменного, так и постоянного тока. Конденсаторы переменного тока служат демпфирующими или демпфирующими конденсаторами при последовательном соединении с резистором, а также предназначены для гашения нежелательных скачков напряжения, вызванных так называемым эффектом накопления носителей заряда во время переключения силовых полупроводников. Кроме того, конденсаторы переменного тока используются в схемах фильтров с низкой или близкой настройкой для фильтрации или поглощения гармоник. В качестве конденсаторов импульсного разряда они полезны в устройствах с реверсивным напряжением, например, в намагничивающем оборудовании.
Столь же разнообразна и сфера применения конденсаторов постоянного тока. Сглаживающие конденсаторы используются для уменьшения переменной составляющей переменного напряжения постоянного тока (например, в источниках питания радио- и телевизионных передатчиков), а также в высоковольтном испытательном оборудовании, контроллерах постоянного тока, технике измерения и управления и каскадных схемах для генерации высокого напряжения постоянного тока. Опорные конденсаторы, конденсаторы фильтров постоянного тока или конденсаторы буферных цепей используются для накопления энергии в промежуточных цепях постоянного тока, например, в преобразователях частоты для многофазных приводов, а также в транзисторных и тиристорных преобразователях мощности. Они должны быть способны поглощать и отпускать очень большие токи в течение коротких периодов времени, причем пиковые значения токов существенно превышают среднеквадратические значения .
Конденсаторы импульсного разряда также способны подавать или поглощать экстремальные кратковременные скачки тока. Обычно они используются в разрядных приложениях с нереверсивным напряжением и с низкой частотой повторения, например, в лазерной технике и генераторах освещения.
Силовые конденсаторы могут достигать довольно больших физических размеров. Прямоугольные корпуса с внутренне соединенными между собой отдельными конденсаторами могут достигать размеров Д×Ш×В = (350×200×1000) мм и выше.
Эта статья во многом основана на соответствующей статье Kunststoff-Folienkondensator в немецкоязычной Википедии, доступной в версии от 12 марта 2012 года.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )