Пленочные конденсаторы , пластиковые пленочные конденсаторы , пленочные диэлектрические конденсаторы или полимерные пленочные конденсаторы , обычно называемые пленочными конденсаторами , а также силовыми пленочными конденсаторами , 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, вытягиваются в специальном процессе до чрезвычайно тонкой толщины, а затем снабжаются электродами. Электроды пленочных конденсаторов могут быть металлизированным алюминием или цинком, нанесенными непосредственно на поверхность пластиковой пленки, или отдельной металлической фольгой. Два из этих проводящих слоев намотаны в цилиндрическую обмотку, обычно сплющенную для уменьшения требований к пространству для монтажа на печатной плате , или наложены слоями в виде нескольких отдельных слоев, сложенных вместе, для формирования корпуса конденсатора. Пленочные конденсаторы, вместе 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]
Связанный тип компонента — силовой (пленочный) конденсатор . Хотя материалы и методы изготовления, используемые для больших силовых пленочных конденсаторов, очень похожи на те, которые используются для обычных пленочных конденсаторов, конденсаторы с высокими и очень высокими номинальными мощностями для применения в энергосистемах и электроустановках часто классифицируются отдельно по историческим причинам. Поскольку современное электронное оборудование получило возможность обрабатывать уровни мощности, которые ранее были исключительной прерогативой компонентов «электрической мощности», различие между «электронными» и «электрическими» номинальными мощностями стало менее четким. В прошлом граница между этими двумя семействами проходила примерно по реактивной мощности 200 вольт-ампер , но современная силовая электроника может обрабатывать возрастающие уровни мощности.
Пленочные конденсаторы изготавливаются из двух кусков пластиковой пленки , покрытых металлическими электродами, скрученных в цилиндрическую обмотку с присоединенными клеммами, а затем инкапсулированных. В общем, пленочные конденсаторы не поляризованы, поэтому две клеммы взаимозаменяемы. Существует два различных типа пластиковых пленочных конденсаторов, изготовленных с двумя различными конфигурациями электродов:
Ключевым преимуществом внутренней конструкции современных пленочных конденсаторов является прямой контакт с электродами на обоих концах обмотки. Этот контакт делает все пути тока ко всему электроду очень короткими. Установка ведет себя как большое количество отдельных конденсаторов, соединенных параллельно , тем самым уменьшая внутренние омические потери ( ESR ) и паразитную индуктивность ( ESL ). Внутренняя 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 (снабберы) и 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 для выбора желаемых электрических характеристик, таких как стабильность, широкий температурный диапазон или способность выдерживать очень высокие напряжения. Полипропиленовые пленочные конденсаторы указаны из-за их низких электрических потерь и их почти линейного поведения в очень широком диапазоне частот, для приложений класса стабильности 1 в резонансных контурах , сравнимых только с керамическими конденсаторами . Для простых схем высокочастотных фильтров полиэфирные конденсаторы предлагают недорогие решения с превосходной долговременной стабильностью, что позволяет заменять более дорогие танталовые электролитические конденсаторы . Варианты пленочных конденсаторов из пленки/фольги особенно способны выдерживать высокие и очень высокие скачки тока.
Типичные значения емкости небольших пленочных конденсаторов, используемых в электронике, начинаются примерно от 100 пикофарад и достигают микрофарад.
Уникальные механические свойства пластиковых и бумажных пленок в некоторых специальных конфигурациях позволяют использовать их в конденсаторах очень больших размеров. Более крупные пленочные конденсаторы используются в качестве силовых конденсаторов в электроустановках и заводах, способных выдерживать очень большую мощность или очень высокое приложенное напряжение. Диэлектрическая прочность этих конденсаторов может достигать четырехзначного диапазона напряжений.
Формула для емкости ( C ) плоского конденсатора выглядит следующим образом:
( ε обозначает диэлектрическую проницаемость ; A — площадь поверхности электродов; d — расстояние между электродами).
Согласно уравнению, более тонкий диэлектрик или большая площадь электрода увеличат значение емкости , как и диэлектрический материал с более высокой диэлектрической проницаемостью. [3]
В следующем примере описывается типичный технологический процесс производства намотанных металлизированных пластиковых пленочных конденсаторов.
Производство пленочных/металлофольгированных конденсаторов с металлической фольгой вместо металлизированных пленок осуществляется очень похожим образом.
В качестве альтернативы традиционной конструкции намотанной пленочной конденсаторы, они также могут быть изготовлены в «сложенной» конфигурации. Для этой версии две металлизированные пленки, представляющие 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 более мелких отдельных сегментов. [8] [9] Распиливание вызывает дефекты на боковых сторонах конденсаторов, которые позже выгорают (самовосстановление) в процессе производства. Недорогие металлизированные пластиковые пленочные конденсаторы для общего назначения производятся таким образом. [10] Эта технология также используется для производства «кристаллов» конденсаторов для корпусированных компонентов поверхностного монтажа (SMD).
Металлизированные пленочные конденсаторы обладают свойствами «самовосстановления», которые недоступны в конфигурациях пленка/фольга. [11] При подаче достаточного напряжения точечное короткое замыкание между металлизированными электродами испаряется из-за высокой температуры дуги, поскольку как диэлектрический пластиковый материал в точке пробоя, так и металлизированные электроды вокруг точки пробоя очень тонкие (около 0,02–0,05 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 пораженного конденсатора. [12]
Это свойство самовосстановления позволяет использовать однослойную намотку металлизированных пленок без какой-либо дополнительной защиты от дефектов, и тем самым приводит к уменьшению объема физического пространства, необходимого для достижения заданных эксплуатационных характеристик. Другими словами, увеличивается так называемая «объемная эффективность» конденсатора.
Способность металлизированных пленок к самовосстановлению используется многократно в процессе изготовления металлизированных пленочных конденсаторов. Обычно после разрезания металлизированной пленки до нужной ширины любые образовавшиеся дефекты можно выжечь (исцелить) путем подачи соответствующего напряжения перед намоткой. Тот же метод используется и после металлизации контактных поверхностей («schoopage») для удаления любых дефектов в конденсаторе, вызванных процессом вторичной металлизации.
«Пинхолы» в металлизации, вызванные самовосстанавливающимися дугами, уменьшают емкость конденсатора очень незначительно. Однако величина этого уменьшения довольно мала; даже при выжигании 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 помощью специального шаблона изоляции неисправностей. На рисунке справа показана такая металлизация, сформированная в виде «Т»-образной структуры. Каждая из этих «Т»-образных структур создает намеренно суженное поперечное сечение в проводящей металлизации. Эти ограничения работают как микроскопические предохранители , так что если происходит короткое замыкание с точечным дефектом между электродами, высокий ток короткого замыкания сжигает только предохранители вокруг неисправности. Таким образом, затронутые секции отключаются и изолируются контролируемым образом, без каких-либо взрывов, окружающих большую дугу короткого замыкания. Таким образом, пораженная область ограничена, а неисправность мягко контролируется, что значительно снижает внутренние повреждения конденсатора, который, таким образом, может оставаться в эксплуатации только с бесконечно малым уменьшением емкости. [14]
В полевых установках электрораспределительного оборудования отказоустойчивость конденсаторных батарей часто повышается за счет параллельного соединения нескольких конденсаторов, каждый из которых защищен внутренним или внешним предохранителем. Если в отдельном конденсаторе происходит внутреннее короткое замыкание, результирующий ток короткого замыкания (усиленный емкостным разрядом соседних конденсаторов) взрывает предохранитель, тем самым изолируя неисправный конденсатор от остальных устройств. Эта технология аналогична описанной выше технологии «T-металлизации», но работает в большем физическом масштабе. Более сложные последовательные и параллельные конфигурации конденсаторных батарей также используются для обеспечения непрерывности работы, несмотря на отказы отдельных конденсаторов в этом большем 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 работы, 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 изготовить конденсаторы с номинальным напряжением 400 В постоянного тока. Если требуются более высокие напряжения, обычно используется более толстая пластиковая пленка. Но напряжение пробоя для диэлектрических пленок обычно нелинейно . Для толщин более 5 мил напряжение пробоя увеличивается только приблизительно 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 напряжений пробоя при использовании существующих доступных пленочных материалов. Это может быть достигнуто путем односторонней частичной металлизации изолирующих пленок таким образом, что создается внутреннее последовательное соединение конденсаторов. Используя этот метод последовательного соединения, можно увеличить общее напряжение пробоя конденсатора в произвольный коэффициент, но при этом общая емкость также уменьшится в тот же коэффициент.
Напряжение пробоя может быть увеличено с помощью односторонних частично металлизированных пленок, или напряжение пробоя конденсатора может быть увеличено с помощью двухсторонних металлизированных пленок. Двухсторонние металлизированные пленки также могут быть объединены с внутренними последовательно соединенными конденсаторами с помощью частичной металлизации. Эти многофункциональные технические решения особенно используются для высоконадежных приложений с полипропиленовыми пленками.
Важным свойством пленочных конденсаторов является их способность выдерживать высокие пиковые напряжения или пиковые импульсы тока. Эта способность зависит от всех внутренних соединений пленочного конденсатора, выдерживающих пиковые токовые нагрузки вплоть до максимальной заданной температуры. Слои коллатерального контакта (schoopage) с электродами могут быть потенциальным ограничением пиковой токовой нагрузки.
Слои электродов намотаны со смещением относительно друг друга, так что края электродов могут быть соприкасаться с помощью метода контактирования лицевой стороной "schoopage" на боковых торцевых поверхностях обмотки. Это внутреннее соединение в конечном итоге осуществляется несколькими точечными контактами на краю электрода и может быть смоделировано как большое количество отдельных конденсаторов, соединенных параллельно. Многочисленные индивидуальные потери сопротивления ( ESR ) и индуктивности ( ESL ) соединены параллельно , так что эти общие нежелательные паразитные потери сведены к минимуму.
Однако нагрев омического сопротивления контакта возникает, когда пиковый ток протекает через эти отдельные микроскопические контактные точки, которые являются критическими областями для общего внутреннего сопротивления конденсатора. Если ток становится слишком высоким, могут возникнуть «горячие точки», которые приведут к выгоранию контактных зон.
Второе ограничение токопроводящей способности обусловлено омическим сопротивлением объема самих электродов. Для металлизированных пленочных конденсаторов, имеющих толщину слоев от 0,02 до 0,05 мкм [2], токопроводящая способность ограничена этими тонкими слоями.
Номинальный ток импульса пленочных конденсаторов может быть повышен 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 Schoopage приводит к снижению общего контактного сопротивления и повышению обработки импульсного тока, не теряя при этом свойств самовосстановления на протяжении всей остальной части металлизации. [16]
Другой метод увеличения номинального тока импульса для пленочных конденсаторов — это двухсторонняя металлизация. Это может удвоить номинальный пиковый ток. Такая конструкция также вдвое уменьшает общую самоиндукцию конденсатора, поскольку по сути два индуктора соединены параллельно, что обеспечивает менее беспрепятственное прохождение более быстрых импульсов (более высокий так называемый рейтинг «dV/dt»).
Двусторонняя металлизированная пленка не имеет электростатического поля, поскольку электроды имеют одинаковый потенциал напряжения с обеих сторон пленки, и, следовательно, не вносит вклад в общую емкость конденсатора. Поэтому эта пленка может быть изготовлена из другого и менее дорогого материала. Например, полипропиленовый пленочный конденсатор с двухсторонней металлизацией на полиэфирном пленочном носителе делает конденсатор не только более дешевым, но и более компактным, поскольку более тонкая полиэфирная фольга улучшает объемную эффективность конденсатора. Пленочные конденсаторы с двухсторонней металлизированной пленкой фактически имеют более толстые электроды для более высокой обработки импульсного тока, но при этом сохраняют свои свойства самовосстановления, в отличие от пленочных/фольговых конденсаторов.
Пленочные конденсаторы для использования в электронном оборудовании упаковываются в общепринятые и обычные промышленные стили: аксиальные, радиальные и SMD. Традиционные аксиальные типы корпусов сегодня используются реже, но по-прежнему предназначены для проводки точка-точка и некоторых традиционных печатных плат со сквозным отверстием . Наиболее распространенным форм-фактором является радиальный тип (несимметричный), с обоими выводами на одной стороне корпуса конденсатора. Для облегчения автоматизированной вставки радиальные пластиковые пленочные конденсаторы обычно изготавливаются с расстоянием между выводами на стандартизированных расстояниях, начиная с шага 2,5 мм и увеличиваясь с шагом 2,5 мм. Радиальные конденсаторы доступны в пластиковых корпусах или погруженными в эпоксидную смолу для защиты корпуса конденсатора от воздействия окружающей среды. Хотя переходное тепло пайки оплавлением вызывает высокое напряжение в материалах пластиковой пленки, пленочные конденсаторы, способные выдерживать такие температуры, доступны в корпусах для поверхностного монтажа ( SMD ).
До появления пластиковых пленок широко использовались конденсаторы, изготовленные путем помещения полоски пропитанной воском бумаги между полосками металла и сворачивания полученного результата в цилиндр – бумажные конденсаторы ; их производство началось в 1876 году [17] , и с начала 20 века они использовались в качестве развязывающих конденсаторов в телекоммуникациях (телефонии).
С разработкой пластиковых материалов химиками-органиками во время Второй мировой войны в конденсаторной промышленности начали 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 пластиковые пленочные конденсаторы происходило примерно в следующем историческом порядке: полистирол (PS) в 1949 году, полиэтилентерефталат (PET/"полиэстер") и ацетат целлюлозы (CA) в 1951 году, поликарбонат (PC/Lexan) в 1953 году, политетрафторэтилен (PTFE/Teflon) в 1954 году, полипарилен в 1954 году, полипропилен (PP) в 1954 году, полиэтилен (PE) в 1958 году и полифениленсульфид (PPS) в 1967 году. [18] К середине 1960-х годов существовал широкий ассортимент различных пластиковых пленочных конденсаторов, 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, движимом потребительской электроникой. [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 изготавливать пластиковые пленочные конденсаторы только с одним слоем пластиковой пленки, тогда как для бумажных конденсаторов требуется двойной слой бумаги [ требуется ссылка ] . Пластиковые пленочные конденсаторы были значительно меньше по физическим размерам (лучшая объемная эффективность ), с тем же значением емкости и той же диэлектрической прочностью, что и сопоставимые бумажные конденсаторы. Новые на тот момент пластиковые материалы также показали дополнительные преимущества по сравнению с бумагой. Пластик гораздо менее гигроскопичен , чем бумага, что снижает пагубное воздействие несовершенной герметизации. Кроме того, большинство пластиков подвергаются меньшим химическим изменениям в течение длительного времени, что обеспечивает долгосрочную стабильность их электрических параметров. Примерно с 1980 года бумажные и металлизированные бумажные конденсаторы (MP-конденсаторы) были почти полностью заменены конденсаторами из ПЭТ-пленки для большинства маломощных электронных устройств постоянного тока. В настоящее время бумага используется только в конденсаторах для подавления радиопомех или в качестве конденсаторов для работы двигателей, а также в качестве смешанного диэлектрика в сочетании с полипропиленовыми пленками в больших конденсаторах переменного и постоянного тока для высокомощных применений.
Ранним специальным типом пластиковых пленочных конденсаторов были пленочные конденсаторы из ацетата целлюлозы , также называемые конденсаторами MKU. Полярный изолирующий диэлектрик ацетат целлюлозы был синтетической смолой, которая могла быть изготовлена для металлизированных конденсаторов с толщиной пленки краски до 3 мкм. Жидкий слой ацетата целлюлозы сначала наносился на бумажный носитель, затем покрывался воском, высушивался и затем металлизировался. Во время намотки корпуса конденсатора бумага удалялась с металлизированной пленки. Оставшийся тонкий слой ацетата целлюлозы имел диэлектрический пробой 63 В, что было достаточно для многих приложений общего назначения. Очень малая толщина диэлектрика уменьшала общие размеры 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 были рыночной нишей типа MKU. [20]
Пленочные конденсаторы стали намного меньше с момента появления технологии. Например, благодаря разработке более тонких пластиковых пленок размеры металлизированных полиэфирных пленочных конденсаторов были уменьшены примерно в 3-4 раза. [ необходима цитата ] [ необходима уточнение Предположительно объем? ]
Наиболее важными преимуществами пленочных конденсаторов являются стабильность их электрических значений в течение длительного времени, их надежность и более низкая стоимость, чем у некоторых других типов для тех же приложений. Особенно для приложений с высокими импульсными нагрузками тока или высокими нагрузками переменного тока в электрических системах, сверхпрочные пленочные конденсаторы, здесь называемые «силовыми конденсаторами», доступны с диэлектрическими характеристиками в несколько киловольт.
Но производство пленочных конденсаторов имеет критическую зависимость от цепочки поставок материалов. Каждый из пластиковых пленочных материалов, используемых для пленочных конденсаторов во всем мире, производится всего двумя или тремя крупными поставщиками. Причина этого в том, что массовые количества, требуемые рынком для пленочных колпачков, довольно малы по сравнению с типичными производственными циклами химических компаний. Это приводит к большой зависимости производителей конденсаторов от относительно небольшого числа химических компаний как поставщиков сырья. Например, в 2000 году Bayer AG прекратил производство поликарбонатных пленок из-за нерентабельно низких объемов продаж. Большинству производителей поликарбонатных пленочных конденсаторов пришлось быстро изменить свое предложение продукции на другой тип конденсаторов, и для новых конструкций потребовалось много дорогостоящих разрешений на испытания.
По состоянию на 2012 год только пять пластиковых материалов продолжали широко использоваться в конденсаторной промышленности в качестве пленок для конденсаторов: PET, PEN, PP, PPS и PTFE. Другие пластиковые материалы больше не используются, либо потому что они больше не производятся, либо они были заменены лучшими материалами. Даже давно производимые полистирольные (PS) и поликарбонатные (PC) пленочные конденсаторы были в значительной степени заменены ранее упомянутыми типами пленок, хотя по крайней мере один производитель PC-конденсаторов сохраняет возможность изготавливать собственные пленки из исходного поликарбонатного сырья. [21] Менее распространенные пластиковые пленки кратко описаны здесь, поскольку они все еще встречаются в старых конструкциях и все еще доступны у некоторых поставщиков.
Из простых начинаний пленочные конденсаторы развились в очень широкий и узкоспециализированный ряд различных типов. К концу 20-го века массовое производство большинства пленочных конденсаторов переместилось на Дальний Восток. Несколько крупных компаний по-прежнему производят узкоспециализированные пленочные конденсаторы в Европе и США для применения в силовых и переменных токах. [22]
В следующей таблице указаны наиболее часто используемые диэлектрические полимеры для пленочных конденсаторов.
Кроме того, различные пленочные материалы можно смешивать для производства конденсаторов с определенными свойствами.
Наиболее используемыми пленочными материалами являются полипропилен с долей рынка 50%, за ним следует полиэстер с долей 40%. Оставшиеся 10% приходятся на другие диэлектрические материалы, включая полифениленсульфид и бумагу, примерно по 3% каждый. [23] [24]
Поликарбонатные пленочные конденсаторы больше не производятся, поскольку диэлектрический материал больше недоступен. [25]
Электрические характеристики, а также температурное и частотное поведение пленочных конденсаторов в основном определяются типом материала, который образует диэлектрик конденсатора. В следующей таблице перечислены наиболее важные характеристики основных пластиковых пленочных материалов, используемых сегодня. Характеристики смешанных пленочных материалов здесь не перечислены.
Цифры в этой таблице взяты из спецификаций, опубликованных различными производителями пленочных конденсаторов для промышленного электронного применения. [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32]
Большой диапазон значений для коэффициента рассеяния включает как типичные, так и максимальные характеристики из паспортов различных производителей. Типичные электрические значения для силовых и больших конденсаторов переменного тока не были включены в эту таблицу.
Полипропиленовые пленочные конденсаторы имеют диэлектрик из термопластичного, неполярного, органического и частично кристаллического полимерного материала полипропилен (ПП), торговое название Treofan, из семейства полиолефинов . Они производятся как в металлизированном намотанном и штабелированном вариантах, так и в виде пленки/фольги. Полипропиленовая пленка является наиболее используемой диэлектрической пленкой в промышленных конденсаторах, а также в силовых типах конденсаторов. Материал полипропиленовой пленки впитывает меньше влаги, чем полиэфирная пленка, и поэтому также подходит для «голых» конструкций без какого-либо покрытия или дополнительной упаковки. Однако максимальная температура 105 °C затрудняет использование полипропиленовых пленок в корпусе SMD.
Зависимости электрических параметров полипропиленовых пленочных конденсаторов от температуры и частоты очень слабые. Полипропиленовые пленочные конденсаторы имеют линейный отрицательный температурный коэффициент емкости ±2,5 % в пределах своего температурного диапазона. Поэтому полипропиленовые пленочные конденсаторы подходят для применения в цепях определения частоты класса 1, фильтрах, цепях генераторов, аудиоцепях и таймерах. Они также полезны для компенсации индуктивных катушек в прецизионных фильтрах и для высокочастотных применений.
В дополнение к квалификации класса применения для пленочной/фольгированной версии пленочных конденсаторов PP, стандарт IEC/EN 60384-13 определяет три «класса стабильности». Эти классы стабильности определяют допуски по температурным коэффициентам вместе с допустимым изменением емкости после определенных испытаний. Они делятся на различные классы температурных коэффициентов (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 PP имеют самую низкую диэлектрическую абсорбцию , что делает их пригодными для таких приложений, как конденсаторы синхронизации VCO , приложения выборки и хранения и аудиосхемы. Они доступны для этих прецизионных приложений с очень узкими допусками емкости.
Коэффициент рассеяния пленочных конденсаторов PP меньше, чем у других пленочных конденсаторов. Благодаря низкому и очень стабильному коэффициенту рассеяния в широком диапазоне температур и частот, даже на очень высоких частотах, и их высокой диэлектрической прочности 650 В/мкм пленочные конденсаторы PP могут использоваться в металлизированном и пленочно/фольгированном исполнении в качестве конденсаторов для импульсных приложений, таких как схемы отклонения сканирования ЭЛТ, или в качестве так называемых « снабберных » конденсаторов, или в приложениях IGBT . Кроме того, пленочные конденсаторы полипропилена используются в приложениях переменного тока, таких как конденсаторы для запуска двигателей или конденсаторы коррекции коэффициента мощности (PFC).
Полипропиленовые пленочные конденсаторы широко используются для подавления электромагнитных помех , включая прямое подключение к сети электропитания. В этом последнем случае они должны соответствовать специальным требованиям испытаний и сертификации, касающимся безопасности и негорючести.
Большинство силовых конденсаторов, самые большие из производимых конденсаторов, обычно используют полипропиленовую пленку в качестве диэлектрика. Конденсаторы из полипропиленовой пленки используются для высокочастотных мощных приложений, таких как индукционный нагрев , для приложений разряда импульсной энергии мощности и в качестве конденсаторов переменного тока для распределения электроэнергии. Номинальные значения переменного напряжения этих конденсаторов могут достигать 400 кВ.
Относительно низкая диэлектрическая проницаемость 2,2 является небольшим недостатком, и конденсаторы из полипропиленовой пленки, как правило, несколько больше по размеру, чем другие пленочные конденсаторы.
Пленки конденсаторного класса производятся толщиной до 20 мкм с шириной рулона до 140 мм. Рулоны тщательно упаковываются в вакууме попарно в соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к конденсатору.
Полиэфирные пленочные конденсаторы — это пленочные конденсаторы, в которых диэлектриком служит термопластичный полярный полимерный материал полиэтилентерефталат (ПЭТ), торговые наименования Hostaphan или Mylar , из семейства полиэфирных. Они производятся как в виде металлизированной намотанной и штабелированной версии, так и в виде пленки/фольги. Полиэфирная пленка адсорбирует очень мало влаги, и эта особенность делает ее пригодной для «голых» конструкций без необходимости в каком-либо дополнительном покрытии. Это недорогие серийно выпускаемые конденсаторы в современной электронике, характеризующиеся относительно небольшими размерами с относительно высокими значениями емкости. ПЭТ-конденсаторы в основном используются как конденсаторы общего назначения для постоянного тока или для полукритических цепей с рабочими температурами до 125 °C. Максимальный температурный диапазон 125 °C также позволяет изготавливать пленочные конденсаторы SMD с ПЭТ-пленками. [33] Низкая стоимость полиэстера и относительно компактные размеры являются основными причинами высокой распространенности ПЭТ-пленочных конденсаторов в современных конструкциях.
Малые физические размеры пленочных конденсаторов ПЭТ являются результатом высокой относительной диэлектрической проницаемости 3,3 в сочетании с относительно высокой диэлектрической прочностью приводят к относительно высокой объемной эффективности . Это преимущество компактности сопряжено с некоторыми недостатками. Температурная зависимость емкости пленочных конденсаторов из полиэстера относительно высока по сравнению с другими пленочными конденсаторами, ±5% во всем диапазоне температур. Частотная зависимость емкости пленочных конденсаторов из полиэстера 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 пленочных конденсаторов из полиэстера по сравнению с другими типами пленочных конденсаторов.
Полиэфирные пленочные конденсаторы в основном используются в устройствах общего назначения или полукритических цепях с рабочими температурами до 125 °C.
Пленочные конденсаторы на основе полиэтиленнафталата — это пленочные конденсаторы, в которых диэлектриком служит термопластичный биаксиальный полимерный материал полиэтиленнафталат (PEN), торговые наименования Kaladex, Teonex. Они производятся только в металлизированном исполнении. PEN, как и PET, относится к семейству полиэфиров, но обладает лучшей стабильностью при высоких температурах. Поэтому пленочные конденсаторы PEN больше подходят для высокотемпературных применений и для корпусирования SMD.
Температурная и частотная зависимость электрических характеристик емкости и коэффициента рассеяния пленочных конденсаторов PEN аналогична пленочным конденсаторам PET. Из-за меньшей относительной диэлектрической проницаемости и меньшей диэлектрической прочности полимера PEN пленочные конденсаторы PEN физически больше для заданной емкости и номинального значения напряжения. Несмотря на это, пленочные конденсаторы PEN предпочтительнее, чем PET, когда температура окружающей среды во время работы конденсаторов постоянно выше 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). Конденсаторы PEN в основном используются для некритической фильтрации, связи и развязки в электронных цепях, когда температурные зависимости не имеют значения.
Полифениленсульфидные пленочные конденсаторы — это пленочные конденсаторы с диэлектриком из термопластичного, органического и частично кристаллического полимерного материала Поли(п-фениленсульфид) (ПФС), торговое название Torelina. Они производятся только в металлизированном исполнении.
Температурная зависимость емкости пленочных конденсаторов PPS во всем диапазоне температур очень мала (± 1,5%) по сравнению с другими пленочными конденсаторами. Также частотная зависимость емкости пленочных конденсаторов PPS в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц 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. Только при температурах выше 100 °C коэффициент рассеяния увеличивается до больших значений. Характеристики диэлектрического поглощения превосходны, уступая только диэлектрическим конденсаторам PTFE и PS.
Полифениленсульфидные пленочные конденсаторы хорошо подходят для применения в частотно-определяющих цепях и для высокотемпературных применений. Благодаря своим хорошим электрическим свойствам пленочные конденсаторы PPS являются идеальной заменой поликарбонатным пленочным конденсаторам, производство которых с 2000 года было в значительной степени прекращено.
Помимо своих превосходных электрических свойств, пленочные конденсаторы PPS выдерживают температуру до 270 °C без повреждения качества пленки, поэтому пленочные конденсаторы PPS подходят для устройств поверхностного монтажа (SMD) и могут выдерживать повышенные температуры пайки оплавлением для бессвинцовой пайки, предписанные директивой RoHS 2002/95/EC .
Стоимость пленочного конденсатора PPS обычно выше по сравнению с пленочным конденсатором PP. [34]
Конденсаторы из политетрафторэтиленовой пленки изготавливаются с диэлектриком из синтетического фторполимера политетрафторэтилена (ПТФЭ), гидрофобного твердого фторуглерода . Они производятся как металлизированные, так и пленочные/фольгированные, хотя плохое сцепление с пленкой затрудняет металлизацию. ПТФЭ часто известен под торговой маркой DuPont Teflon .
Конденсаторы из политетрафторэтиленовой пленки обладают очень высокой термостойкостью до 200 °C и даже до 260 °C со снижением напряжения. Коэффициент рассеяния 2 • 10 −4 довольно мал. Изменение емкости во всем диапазоне температур от +1% до -3% немного выше, чем у конденсаторов из полипропиленовой пленки. Однако, поскольку наименьшая доступная толщина пленки для пленок ПТФЭ составляет 5,5 мкм [35] , что примерно вдвое больше толщины полипропиленовых пленок, конденсаторы из ПТФЭ пленки физически более громоздкие, чем конденсаторы из ПП пленки. Он добавил, что толщина пленки на поверхности не постоянна, поэтому тефлоновые пленки трудно производить. [36] [37] Поэтому количество производителей конденсаторов из ПТФЭ пленки ограничено.
Пленочные конденсаторы PTFE выпускаются с номинальным напряжением от 100 В до 630 В постоянного тока. Они используются в военной технике, в космонавтике, в геологических зондах, в схемах обкатки и в высококачественных аудиосхемах. Основные производители пленочных конденсаторов PTFE находятся в США. [35] [38] [39] [40] [41] [42]
Полистирольные пленочные конденсаторы, иногда называемые «конденсаторами Styroflex», были хорошо известны в течение многих лет как недорогие пленочные конденсаторы для общего назначения, в которых требовались высокая стабильность емкости, низкий коэффициент рассеяния и низкие токи утечки. Но поскольку толщина пленки не могла быть сделана тоньше 10 мкм, а максимальные температурные характеристики достигали только 85 °C, пленочные конденсаторы PS в основном были заменены полиэфирными пленочными конденсаторами с 2012 года. Тем не менее, некоторые производители все еще могут предлагать пленочные конденсаторы PS в своей производственной программе, подкрепленные большими объемами полистирольной пленки, хранящейся на их складах. Полистирольные конденсаторы имеют важное преимущество — они имеют температурный коэффициент, близкий к нулю, и поэтому полезны в настроенных схемах, где необходимо избегать дрейфа с температурой.
Поликарбонатные пленочные конденсаторы — это пленочные конденсаторы с диэлектриком из полимеризованных эфиров угольной кислоты и двухатомных спиртов поликарбоната (ПК), иногда называемые торговым наименованием Makrofol. Они производятся как намотанные металлизированные, так и пленочные/фольгированные.
Эти конденсаторы имеют низкий коэффициент рассеяния и из-за их относительно температурно-независимых электрических свойств около ±80 ppm во всем температурном диапазоне, они нашли множество применений для приложений с малыми потерями и температурной стабильностью, таких как схемы синхронизации, прецизионные аналоговые схемы и фильтры сигналов в приложениях с жесткими условиями окружающей среды. Пленочные конденсаторы ПК производились с середины 1950-х годов, но основной поставщик поликарбонатной пленки для конденсаторов прекратил производство этого полимера в виде пленки с 2000 года. В результате большинство производителей поликарбонатных пленочных конденсаторов во всем мире были вынуждены прекратить производство пленочных конденсаторов ПК и перейти на полипропиленовые пленочные конденсаторы. [43] Большинство прежних применений конденсаторов ПК нашли удовлетворительную замену в виде пленочных конденсаторов ПП.
Однако есть исключения. Производитель Electronic Concepts Inc (Нью-Джерси, США) утверждает, что является внутренним производителем собственной поликарбонатной пленки, [44] и продолжает производить пленочные конденсаторы для ПК. Помимо этого производителя пленочных конденсаторов для поликарбоната, существуют и другие, в основном американские, специализированные производители. [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 сильноточный переменный ток и высоковольтный постоянный ток.
Бумага как носитель электродов имеет преимущества более низкой стоимости и несколько лучшего сцепления металлизации с бумагой, чем с полимерными пленками. Но бумага сама по себе как диэлектрик в конденсаторах недостаточно надежна для растущих требований к качеству современных приложений. Сочетание бумаги с диэлектриком из полипропиленовой пленки является экономически эффективным способом улучшения качества и производительности. Лучшее сцепление металлизации с бумагой особенно выгодно при высоких импульсных нагрузках тока, а диэлектрик из полипропиленовой пленки увеличивает номинальное напряжение.
Однако шероховатость металлизированной бумажной поверхности может привести к появлению множества мелких пузырьков воздуха между диэлектриком и металлизацией, что снижает пробивное напряжение конденсатора. По этой причине более крупные пленочные конденсаторы или силовые конденсаторы, использующие бумагу в качестве носителя электродов, обычно заполняются изолирующим маслом или газом, чтобы вытеснить пузырьки воздуха для более высокого пробивного напряжения. [49]
Однако, поскольку практически каждый крупный производитель предлагает свои собственные фирменные пленочные конденсаторы со смешанными пленочными материалами, сложно дать универсальный и общий обзор специфических свойств смешанных пленочных конденсаторов.
В качестве диэлектрика в пленочных конденсаторах могут использоваться и другие пластиковые материалы, нежели те, что описаны выше. [50] Термопластичные полимеры, такие как полиимид (PI), полиамид (PA, более известный как нейлон или перлон), поливинилиденфторид (PVDF), силоксан , полисульфон (PEx) и ароматический полиэстер (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 сделать еще меньше, что является преимуществом на рынке для 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 использовались сшитые в вакууме акрилатные материалы, нанесенные электронным лучом. [51] [52] Однако по состоянию на 2012 год только один производитель выпускал на рынок специальный пленочный конденсатор SMD из акрилата в качестве замены X7R MLCC. [53]
Полиимид (PI), термопластичный полимер имидных мономеров, предлагается для пленочных конденсаторов, называемых конденсаторами Polyimide-, PI- или Kapton. [50] [54] Kapton — это торговое название полиимида от DuPont . Этот материал представляет интерес из-за его высокой термостойкости до 400 °C. Но по состоянию на 2012 год не было объявлено ни об одном конкретном серии пленочных конденсаторов PI. Предлагаемый пленочный конденсатор Kapton CapacitorCL11, анонсированный на "dhgate", — это "Тип: полипропиленовый пленочный конденсатор". [55] Еще один очень странный конденсатор Kapton можно найти у YEC, китайского производителя конденсаторов. Здесь анонсированные "конденсаторы Kapton" на самом деле являются суперконденсаторами , совершенно другой технологией. [56] Возможно, пленка Kapton в этих суперконденсаторах используется в качестве сепаратора между электродами этого двухслойного конденсатора . Каптоновые пленки часто предлагаются в качестве клеевой пленки для внешней изоляции корпусов конденсаторов.
Поливинилиденфторид (ПВДФ) имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость от 18 до 20, что позволяет хранить большие объемы энергии в небольшом пространстве ( объемная эффективность ). Однако его температура Кюри составляет всего 60 °C, что ограничивает его применимость. Пленочные конденсаторы с ПВДФ описаны для одного очень специального применения — в портативных дефибрилляторах . [57] [58]
По состоянию на 2012 год для всех других упомянутых материалов, таких как PA, PVDF, силоксан, PEx или FPE, не известно о производстве в коммерческих количествах конкретных серий пленочных конденсаторов с этими пластиковыми пленками. [ необходима ссылка ]
Стандартизация всех электрических , электронных компонентов и связанных с ними технологий следует правилам, установленным Международной электротехнической комиссией (МЭК), [59] некоммерческой , неправительственной международной организацией по стандартизации . [60] [61] Стандарты МЭК гармонизированы с европейскими стандартами EN.
Определение характеристик и порядок проведения методов испытаний конденсаторов для использования в электронном оборудовании изложены в общей спецификации:
Испытания и требования, которым должны соответствовать пленочные конденсаторы для использования в электронном оборудовании с целью утверждения в качестве стандартизированных типов, изложены в следующих разделах технических условий:
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 взят непосредственно из соответствующих стандартов МЭК, в которых используются сокращения «dc» для постоянного тока (DC) и «ac» для переменного тока (AC).
На раннем этапе разработки пленочных конденсаторов некоторые крупные производители пытались стандартизировать названия различных пленочных материалов. Это привело к появлению бывшего немецкого стандарта (DIN 41 379), который с тех пор отменен, в котором для каждого материала и типа конфигурации был прописан сокращенный код. Многие производители продолжают использовать эти фактически стандартные сокращения.
Однако с перемещением массового рынка в отрасль пассивных компонентов, включающую пленочные конденсаторы, многие новые производители на Дальнем Востоке используют собственные аббревиатуры, которые отличаются от ранее принятых аббревиатур.
Производители Wima, Vishay и TDK Epcos указывают электрические параметры своих пленочных конденсаторов в общем техническом информационном листе. [26] [27] [28]
Электрические характеристики конденсаторов гармонизированы международной общей спецификацией IEC/EN 60384–1. В этом стандарте электрические характеристики конденсаторов описываются идеализированной последовательно-эквивалентной схемой с электрическими компонентами, которые моделируют все омические потери, емкостные и индуктивные параметры пленочного конденсатора:
Два реактивных сопротивления имеют следующие соотношения 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, в противном случае конденсатор не соответствует спецификации.
Пленочные конденсаторы выпускаются в различных сериях допусков, значения которых указаны в стандартах серии E , указанных в IEC/EN 60063. Для сокращенной маркировки в условиях ограниченного пространства в IEC/EN 60062 указан буквенный код для каждого допуска.
Требуемый допуск емкости определяется конкретным применением. Узкие допуски E24 - E96 будут использоваться для высококачественных схем, таких как прецизионные генераторы и таймеры. С другой стороны, для общих применений, таких как некритические фильтрующие или соединительные схемы, достаточно серий допусков E12 или E6.
Различные материалы пленки имеют температурно- и частотно-зависимые различия в своих характеристиках. На графиках ниже показано типичное поведение емкости в зависимости от температуры и частоты для различных материалов пленки.
Номинальное постоянное напряжение V R представляет собой максимальное постоянное напряжение или пиковое значение импульсного напряжения, или сумму приложенного постоянного напряжения и пикового значения наложенного переменного напряжения, которое может непрерывно подаваться на конденсатор при любой температуре между температурой категории и номинальной температурой. [63]
Напряжение пробоя пленочных конденсаторов уменьшается с ростом температуры. При использовании пленочных конденсаторов при температурах между верхней номинальной температурой и верхней температурой категории допускается только напряжение категории с понижением температуры V C. Коэффициенты понижения применяются как к постоянному, так и к переменному напряжению. Некоторые производители могут иметь совершенно другие кривые понижения номинальных характеристик для своих конденсаторов по сравнению с общими кривыми, приведенными на рисунке справа.
Допустимое пиковое значение наложенного переменного напряжения, называемое «номинальное пульсирующее напряжение», зависит от частоты. Применимые 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 для напряжений постоянного тока и номинально связанных с ними напряжений переменного тока приведены в таблице ниже:
Переменное напряжение вызовет переменный ток (при приложенном постоянном смещении это также называется «пульсирующим током»), при этом циклическая зарядка и разрядка конденсатора вызывают колебательное движение электрических диполей в диэлектрике. Это приводит к диэлектрическим потерям , которые являются основным компонентом ESR пленочных конденсаторов и которые производят тепло от переменного тока. Максимальное среднеквадратичное переменное напряжение на заданной частоте, которое может быть непрерывно приложено к конденсатору (до номинальной температуры), определяется как номинальное переменное напряжение U R AC . Номинальные переменные напряжения обычно указываются на частоте сети региона (50 или 60 Гц).
Номинальное напряжение переменного тока обычно рассчитывается таким образом, что внутреннее повышение температуры на 8–10 К устанавливает допустимый предел для пленочных конденсаторов. Эти потери увеличиваются с ростом частоты, и производители указывают кривые снижения максимально допустимых напряжений переменного тока на более высоких частотах.
Конденсаторы, включая пленочные типы, предназначенные для непрерывной работы при низкочастотном (50 или 60 Гц) напряжении сети, обычно между линией и нейтралью или линией и землей для подавления помех, должны соответствовать стандартным показателям безопасности; например, X2 предназначен для работы между линией и нейтралью при 200-240 В переменного тока, а Y2 между линией и землей. Эти типы предназначены для обеспечения надежности и, в случае отказа, для безопасного отказа (размыкание, а не короткое замыкание). [65] Некатастрофический режим отказа в этом приложении обусловлен эффектом короны : воздух, заключенный в элементе обмотки, становится ионизированным и, следовательно, более проводящим, допуская частичные разряды на металлизированной поверхности пленки, что вызывает локальное испарение металлизации. Это происходит неоднократно и может привести к значительной потере емкости (C-распад) в течение одного или двух лет. Международный стандарт IEC60384-14 устанавливает предел 10% распада углерода на 1000 часов испытаний (41 день постоянного соединения). [66] Некоторые конденсаторы разработаны для минимизации этого эффекта. 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 частей, соединенных последовательно, каждая при напряжении 100-120 В переменного тока, недостаточном для ионизации. Производители также используют более дешевые и меньшие конструкции, предназначенные для предотвращения эффекта короны без последовательно соединенных секций, например, минимизируя замкнутый воздух. [66]
Для металлизированных пленочных конденсаторов максимально возможное импульсное напряжение ограничено из-за ограниченной токопроводящей способности между контактом электродов и самими электродами. Номинальное импульсное напряжение V p представляет собой пиковое значение импульсного напряжения, которое может быть непрерывно приложено к конденсатору при номинальной температуре и на заданной частоте. Мощность импульсного напряжения указывается как время нарастания импульсного напряжения dV/dT в В/мкс и также подразумевает максимальную мощность импульсного тока. Значения времени нарастания импульса относятся к номинальному напряжению. Для более низких рабочих напряжений допустимое время нарастания импульса может уменьшаться. Допустимая импульсная нагрузочная способность пленочного конденсатора обычно рассчитывается таким образом, чтобы внутреннее повышение температуры на 8–10 К было приемлемым.
Максимально допустимое время нарастания импульса пленочных конденсаторов, которые могут применяться в номинальном диапазоне температур, указано в соответствующих паспортах. Превышение максимально допустимой импульсной нагрузки может привести к разрушению конденсатора.
Для каждого отдельного применения необходимо рассчитать импульсную нагрузку. Общее правило расчета мощности, передаваемой пленочным конденсаторам, недоступно из-за различий, связанных с поставщиками, вытекающих из внутренних деталей конструкции различных конденсаторов. Поэтому в качестве примера общеприменимых принципов приводится процедура расчета производителя WIMA. [67]
Импеданс — это комплексное отношение напряжения к силе тока в цепи переменного тока на заданной частоте.
В технических характеристиках пленочных конденсаторов указывается только величина импеданса |Z|, которая записывается просто как «Z». Фаза импеданса указывается как коэффициент рассеяния .
Если известны последовательно эквивалентные значения конденсатора и и , а также частота, то с этими значениями можно рассчитать импеданс. Тогда импеданс представляет собой сумму геометрического (комплексного) сложения действительного и реактивного сопротивлений.
В частном случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления и имеют одинаковое значение ( ), то полное сопротивление будет определяться только .
Импеданс — это мера способности конденсатора пропускать переменные токи. Чем ниже импеданс, тем легче переменные токи могут 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 линии питания, 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 характеристиках вместо ESR будет указан коэффициент рассеяния tan δ . Коэффициент рассеяния определяется тангенсом фазового угла между емкостным сопротивлением X C минус индуктивное сопротивление X L и ESR .
Если индуктивность ESL мала, коэффициент рассеяния можно приблизительно рассчитать следующим образом:
Причина использования коэффициента рассеяния вместо ESR заключается в том, что пленочные конденсаторы изначально использовались в основном в резонансных контурах, определяющих частоту. Обратное значение коэффициента рассеяния определяется как добротность "Q" . Высокое значение Q является для резонансных контуров признаком качества резонанса.
Коэффициент рассеяния для пленочных/фольговых конденсаторов ниже, чем для металлизированных пленочных конденсаторов, из-за более низкого контактного сопротивления фольгового электрода по сравнению с металлизированным пленочным электродом.
Коэффициент рассеяния пленочных конденсаторов зависит от частоты, температуры и времени. В то время как зависимости от частоты и температуры возникают непосредственно из физических законов, зависимость от времени связана со старением и процессами адсорбции влаги.
Заряженный конденсатор со временем разряжается через собственное внутреннее сопротивление 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 с точки зрения его изолирующих свойств, и измеряется в секундах. Обычные значения для пленочных конденсаторов находятся в диапазоне от 1000 с 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, который был заряжен в течение длительного времени, разряжается только не полностью при кратковременной разрядке. Это форма гистерезиса в напряжениях конденсатора. Хотя идеальный конденсатор останется на уровне нуля вольт после разрядки, реальные конденсаторы будут развивать небольшое остаточное напряжение, явление, которое также называется «насыщением».
В следующей таблице приведены типичные значения диэлектрического поглощения для обычных пленочных материалов [26] [27] [29] [30]
Полипропиленовые пленочные конденсаторы имеют самые низкие значения напряжения, генерируемые диэлектрической абсорбцией. Поэтому они идеально подходят для прецизионных аналоговых схем или для интеграторов и схем выборки и хранения .
Пленочные конденсаторы подвержены некоторым очень небольшим, но измеримым процессам старения. Первичный процесс деградации — это небольшая усадка пластиковой пленки, которая происходит в основном во время процесса пайки, но также и во время работы при высоких температурах окружающей среды или при высокой токовой нагрузке. Кроме того, некоторое поглощение влаги в обмотках конденсатора может иметь место при условиях эксплуатации во влажном климате.
Тепловое напряжение во время процесса пайки может изменить значение емкости свинцовых пленочных конденсаторов на 1% - 5% от начального значения, например. 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 климате с высокой влажностью.
Производители пленочных конденсаторов могут замедлить процесс старения, вызванный поглощением влаги, используя лучшую инкапсуляцию. Эта более дорогая обработка изготовления может объяснить тот факт, что пленочные конденсаторы с той же базовой конструкцией корпуса могут поставляться с различными рейтингами стабильности срока службы, называемыми классами производительности . Конденсаторы класса производительности 1 являются «долгосрочными», конденсаторы класса производительности 2 являются «универсальными» конденсаторами. Технические характеристики, лежащие в основе этих классов, определены в соответствующем стандарте IEC/EN 60384-x (см. стандарты).
Допустимые изменения емкости, коэффициента рассеяния и сопротивления изоляции зависят от материала пленки и указаны в соответствующем техническом паспорте. Изменения с течением времени, превышающие указанные значения, считаются отказом из-за деградации.
Пленочные конденсаторы обычно являются очень надежными компонентами с очень низкими показателями отказов, с прогнозируемым сроком службы в десятилетия при нормальных условиях. Ожидаемый срок службы пленочных конденсаторов обычно указывается в терминах приложенного напряжения, токовой нагрузки и температуры. [68]
Выпускаются пленочные конденсаторы с цветовой кодировкой, но обычно более подробную информацию печатают на корпусе. Согласно стандарту IEC 60384.1, конденсаторы должны быть маркированы отпечатками следующей информации:
Конденсаторы для подавления радиопомех сетевого напряжения также должны иметь маркировку с одобрениями соответствующих органов безопасности.
Емкость, допуск и дата изготовления могут быть обозначены короткими кодами. Емкость часто указывается с помощью дольного индикатора, заменяющего легко стираемую десятичную точку, например: n47 = 0,47 нФ, 4n7 = 4,7 нФ, 47n = 47 нФ
По сравнению с двумя другими основными технологиями конденсаторов, керамическими и электролитическими конденсаторами , пленочные конденсаторы обладают свойствами, которые делают их особенно подходящими для многих общецелевых и промышленных применений в электронном оборудовании. [69] [70] [71]
Два основных преимущества пленочных конденсаторов — очень низкие значения ESR и ESL. Пленочные конденсаторы физически больше и дороже алюминиевых электролитических конденсаторов (e-caps), но имеют гораздо более высокие возможности по скачкам и 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 приложениях класса 1 со стабильной частотой, заменяя керамические конденсаторы класса 1.
Полипропиленовые пленочные конденсаторы соответствуют критериям конденсаторов класса стабильности 1 и имеют низкие электрические потери и почти линейное поведение в очень широком диапазоне температур и частот. Они используются для генераторов и резонансных схем ; для электронных фильтров с высоким коэффициентом качества (Q), таких как фильтры верхних частот , фильтры нижних частот и полосовые фильтры, а также для схем настройки; для аудиокроссоверов в громкоговорителях ; в АЦП выборки и хранения и в детекторах пикового напряжения. Жесткие допуски емкости требуются для временных приложений в сигнальных лампах или генераторах ширины импульса для управления скоростью двигателей, пленочные конденсаторы PP также хорошо подходят из-за их очень низкого тока утечки.
Пленочные конденсаторы класса 1 PP способны выдерживать более высокий ток, чем керамические конденсаторы класса стабильности 1. Точные отрицательные температурные характеристики полипропилена делают конденсаторы PP полезными для компенсации изменений, вызванных температурой в других компонентах.
Быстрое время нарастания импульса, высокая диэлектрическая прочность ( напряжение пробоя ) и низкий коэффициент рассеяния (высокий Q) являются причинами использования полипропиленовых пленочных конденсаторов в настройках обратного хода и S-коррекции в старых телевизорах с ЭЛТ-трубками и дисплейном оборудовании. По аналогичным причинам пленочные конденсаторы PP, часто в версиях со специальными клеммами для высоких пиковых токов, хорошо работают в качестве демпферов для силовых электронных схем. Благодаря своим высоким возможностям импульсного перенапряжения конденсаторы PP подходят для использования в приложениях, где требуются импульсы высокого тока, например, в локаторах неисправностей кабеля с временным рефлектометром (TDR), в сварочных аппаратах, дефибрилляторах , в мощных импульсных лазерах или для генерации высокоэнергетических световых или рентгеновских вспышек.
Кроме того, полипропиленовые пленочные конденсаторы используются во многих устройствах переменного тока, таких как фазовращатели для коррекции коэффициента мощности [72] в люминесцентных лампах или в качестве конденсаторов для запуска двигателей.
Для простых схем высокочастотных фильтров или в схемах регуляторов напряжения 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 сигналов для более высоких частот. По аналогичным причинам пленочные конденсаторы широко используются в качестве развязывающих конденсаторов для подавления шума или переходных процессов.
Пленочные конденсаторы, изготовленные из более дешевых пластиков, используются для некритических применений, не требующих сверхстабильных характеристик в широком диапазоне температур, например, для сглаживания или связи по переменному току. Полиэфирные пленочные (KT) конденсаторы "сложенного" типа теперь часто используются вместо полистирольных конденсаторов (KS), которые стали менее доступными.
Металлизированные пленочные конденсаторы обладают свойствами самовосстановления, и небольшие дефекты не приводят к разрушению компонента, что делает эти конденсаторы подходящими для конденсаторов подавления радиочастотных и электромагнитных помех с защитой от неисправностей, поражения электрическим током и распространения пламени, хотя повторяющиеся коронные разряды, которые самовосстанавливаются, могут привести к значительной потере емкости. [66]
Пленочные конденсаторы ПТФЭ используются в устройствах, которые должны выдерживать чрезвычайно высокие температуры, например, в военной технике, в аэрокосмической отрасли, в геологических зондах или в цепях испытаний на отказ.
Пленочные конденсаторы для подавления электромагнитных помех (ЭМП) или радиочастотных помех (РЧП), также известные как « конденсаторы безопасности сетевого фильтра переменного тока » или «конденсаторы безопасности», используются в качестве важнейших компонентов для снижения или подавления электрических помех, возникающих при работе электрического или электронного оборудования, а также обеспечивают ограниченную защиту от поражения электрическим током . [73] [74] [75] [76]
Подавляющий конденсатор является эффективным компонентом снижения помех, поскольку его электрическое сопротивление уменьшается с ростом частоты, так что на более высоких частотах они замыкают электрический шум и переходные процессы между линиями или на землю. Поэтому они не позволяют оборудованию и машинам (включая двигатели, инверторы и электронные балласты, а также твердотельные реле-снабберы и искрогасители) посылать и получать электромагнитные и радиочастотные помехи, а также переходные процессы в соединениях через линию (конденсаторы X) и линия-земля (конденсаторы Y). 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/радиопомех спроектированы и установлены таким образом, чтобы остаточные помехи или электрические шумы не превышали пределы директивы по электромагнитной совместимости EN 50081 [77] Компоненты подавления подключаются непосредственно к сетевому напряжению полупостоянно в течение 10–20 лет или более и, следовательно, подвергаются воздействию перенапряжений и переходных процессов, которые могут повредить конденсаторы. По этой причине конденсаторы подавления должны соответствовать требованиям безопасности и воспламеняемости международных стандартов безопасности, таких как следующие:
Конденсаторы RFI, которые соответствуют всем указанным требованиям, имеют отметку о сертификации различных национальных агентств по стандартам безопасности. Для применения в линиях электропередач особые требования предъявляются к воспламеняемости покрытия и эпоксидной смолы, пропитывающей или покрывающей корпус конденсатора. Для получения сертификатов безопасности конденсаторы X и Y, рассчитанные на линии электропередач, подвергаются разрушающим испытаниям до отказа. Даже при воздействии больших скачков перенапряжения эти конденсаторы с рейтингом безопасности должны выходить из строя безотказным образом, не подвергая опасности персонал или имущество.
Большинство пленочных конденсаторов подавления EMI/RFI представляют собой полиэфирные (PET) или металлизированные полипропиленовые (PP) пленочные конденсаторы. Однако некоторые типы металлизированных бумажных конденсаторов (MP) все еще используются для этого применения, поскольку они все еще имеют некоторые преимущества в огнестойкости . [78]
Некоторые предохранительные конденсаторы имеют встроенные разрядные резисторы .
Осветительный балласт — это устройство, обеспечивающее надлежащие условия запуска и работы электрических цепей для освещения одной или нескольких люминесцентных ламп , а также ограничивающее величину тока. Знакомым и широко используемым примером является традиционный индуктивный балласт, используемый в люминесцентных лампах , для ограничения тока через трубку, который в противном случае мог бы достичь разрушительных уровней из-за отрицательной характеристики сопротивления трубки . Недостатком использования индуктора является то, что ток смещается в противофазе с напряжением, создавая плохой коэффициент 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 она прерывается на высокой частоте для улучшения коэффициента мощности. В более дорогих балластах пленочный конденсатор часто используется в паре с индуктором для коррекции коэффициента мощности. На рисунке справа плоский серый прямоугольный компонент в середине схемы балласта представляет собой полиэфирный пленочный конденсатор, используемый для PFC. [79] [80]
Снабберные конденсаторы предназначены для работы при высоком пиковом токе, необходимом для защиты от переходных напряжений. Такие напряжения вызваны высокой скоростью нарастания тока "di/dt" , генерируемой в приложениях силовой электроники переключения.
Снабберы — это поглощающие энергию цепи, используемые для устранения скачков напряжения, вызванных индуктивностью цепи при размыкании переключателя. Целью снаббера является улучшение электромагнитной совместимости (ЭМС) путем устранения переходного напряжения, возникающего при резком размыкании переключателя, или путем подавления искрения контактов переключателя (например, автомобильной катушки зажигания с механическим прерывателем), или путем ограничения скорости нарастания напряжения полупроводниковых переключателей, таких как тиристоры , тиристоры GTO , IGBT и биполярные транзисторы . Снабберные конденсаторы (или более мощные «демпфирующие конденсаторы») требуют очень низкой собственной индуктивности и очень низкого ESR-конструкции конденсатора. Эти устройства также должны быть очень надежными, поскольку, если снабберная RC-цепь выйдет из строя, в большинстве случаев будет разрушен силовой полупроводник.
Снабберные схемы обычно включают пленочные конденсаторы, в основном полипропиленовые пленочные. Наиболее важными критериями для этого применения являются низкая самоиндукция, низкое ESR и очень высокая пиковая токовая способность. Так называемые «снабберные» конденсаторы иногда имеют некоторые дополнительные специальные конструктивные особенности. Самоиндукция уменьшается за счет более тонкой конструкции с меньшей шириной электродов. За счет двухсторонней металлизации или пленочной/фольговой конструкции электродов ESR также может быть уменьшено, что увеличивает пиковую токовую способность. Специально расширенные клеммы, которые могут быть установлены непосредственно под корпусами полупроводников, могут помочь увеличить токовую обработку и уменьшить индуктивность.
Самая популярная простая схема снаббера состоит из пленочного конденсатора и резистора последовательно, соединенных параллельно с полупроводниковым компонентом для подавления или гашения нежелательных скачков напряжения. [81] Конденсатор временно поглощает индуктивный пиковый ток выключения, так что результирующий скачок напряжения ограничен. Но тенденция в современной полупроводниковой технологии направлена на более мощные приложения, что увеличивает пиковые токи и скорости переключения. В этом случае граница между стандартным электронным пленочным конденсатором и силовым конденсатором размывается, так что более крупные снабберные конденсаторы больше подходят для области энергосистем, электроустановок и заводов.
Перекрывающиеся категории пленочных и силовых конденсаторов видны, когда они применяются в качестве снабберных конденсаторов на растущем рынке для мощной электроники с IGBT и тиристорами. Хотя силовые конденсаторы используют полипропиленовую пленку, как и меньшие снабберные пленочные конденсаторы, они относятся к семейству силовых конденсаторов и называются «демпфирующими» конденсаторами.
Относительно простая технология изготовления намотки дает возможность пленочным конденсаторам достигать даже очень больших размеров для применения в диапазоне высокой мощности, как так называемые «силовые конденсаторы». Хотя материалы и конструкция силовых конденсаторов в основном аналогичны меньшим пленочным конденсаторам, они специфицируются и продаются по-разному по историческим причинам.
«Пленочные конденсаторы» были разработаны вместе с растущим рынком технологий вещательного и электронного оборудования в середине 20-го 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 мощности, составляющей приблизительно 200 вольт-ампер, например, для балластных конденсаторов в люминесцентных лампах. Стандартизация силовых конденсаторов следует правилам IEC/EN 61071 и IEC/EN 60143–1, и имеют для различных различных применений свои собственные подстандарты, например, для железнодорожных применений.
Силовые конденсаторы могут использоваться для самых разных целей, даже там, где присутствуют крайне несинусоидальные напряжения и импульсные токи. Доступны как конденсаторы переменного тока, так и постоянного тока. Конденсаторы переменного тока служат в качестве демпфирующих или снаббирующих конденсаторов при последовательном подключении с резистором, а также предназначены для демпфирования нежелательных скачков напряжения, вызванных так называемым эффектом накопления носителей заряда во время переключения силовых полупроводников. Кроме того, конденсаторы переменного тока используются в низкорасстроенных или близко настроенных фильтрах для фильтрации или поглощения гармоник. Как импульсные разрядные конденсаторы они полезны в приложениях с реверсивными напряжениями, например, в намагничивающем оборудовании.
Область применения конденсаторов постоянного тока также разнообразна. Сглаживающие конденсаторы используются для снижения переменного компонента флуктуирующего постоянного напряжения (например, в источниках питания радио- и телевизионных передатчиков), а также для высоковольтного испытательного оборудования, контроллеров постоянного тока, измерительной и управляющей техники и каскадных схем для генерации высокого постоянного напряжения. Поддерживающие конденсаторы, конденсаторы постоянного тока-фильтра или буферных цепей используются для накопления энергии в промежуточных цепях постоянного тока, например, в преобразователях частоты для многофазных приводов, а также транзисторных и тиристорных преобразователях мощности. Они должны быть способны поглощать и отдавать очень высокие токи в течение коротких периодов времени, причем пиковые значения токов существенно превышают среднеквадратичные значения .
Конденсаторы импульсного разряда также способны поставлять или поглощать экстремальные кратковременные скачки тока. Они обычно работают в разрядных приложениях с необратимыми напряжениями и на низких частотах повторения, например, в лазерной технике и генераторах освещения.
Силовые конденсаторы могут достигать довольно больших физических размеров. Прямоугольные корпуса с внутренними соединениями отдельных конденсаторов могут достигать размеров Д×Ш×В = (350×200×1000) мм и более.
Эта статья в значительной степени основана на соответствующей статье Kunststoff-Folienkondensator в немецкоязычной Википедии, доступной в версии от 12 марта 2012 года.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )