Типы конденсаторов

Manufacturing styles of an electronic device

Некоторые различные конденсаторы для электронного оборудования

Конденсаторы производятся во многих стилях, формах, размерах и из большого разнообразия материалов. Все они содержат по крайней мере два электрических проводника , называемых пластинами , разделенных изолирующим слоем ( диэлектриком ). Конденсаторы широко используются в качестве частей электрических цепей во многих обычных электрических устройствах.

Конденсаторы, вместе с резисторами и индукторами , относятся к группе пассивных компонентов электронного оборудования . Небольшие конденсаторы используются в электронных устройствах для связи сигналов между каскадами усилителей, как компоненты электрических фильтров и настроенных схем или как части систем электропитания для сглаживания выпрямленного тока. Более крупные конденсаторы используются для хранения энергии в таких приложениях, как стробоскопы, как части некоторых типов электродвигателей или для коррекции коэффициента мощности в системах распределения переменного тока. Стандартные конденсаторы имеют фиксированное значение емкости , но регулируемые конденсаторы часто используются в настроенных схемах. Различные типы используются в зависимости от требуемой емкости, рабочего напряжения, пропускной способности по току и других свойств.

Хотя в абсолютных цифрах наиболее часто производимые конденсаторы интегрируются в динамическую оперативную память , флэш-память и другие микросхемы устройств, в данной статье рассматриваются дискретные компоненты.

Общая характеристика

Традиционное строительство

Диэлектрический материал помещен между двумя проводящими пластинами (электродами), каждая площадью А и с расстоянием между ними d .

Обычный конденсатор хранит электрическую энергию в виде статического электричества путем разделения зарядов в электрическом поле между двумя пластинами- электродами . Носителями заряда обычно являются электроны . Количество заряда, хранящегося на единицу напряжения, по сути, зависит от размера пластин, свойств материала пластин, свойств диэлектрического материала , размещенного между пластинами, и расстояния разделения (т. е. толщины диэлектрика). Потенциал между пластинами ограничен свойствами диэлектрического материала и расстоянием разделения.

Почти все обычные промышленные конденсаторы, за исключением некоторых специальных типов, таких как «проходные конденсаторы», сконструированы как «плоские конденсаторы», даже если их электроды и диэлектрик между ними намотаны или свернуты. Емкость, C , плоского конденсатора составляет:

${\displaystyle C={\frac {\varepsilon A}{d}}}$.

Емкость увеличивается с площадью пластин A и диэлектрической проницаемостью ε диэлектрического материала и уменьшается с расстоянием между пластинами d . Поэтому емкость наибольшая в устройствах, изготовленных из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, большой площадью пластин и малым расстоянием между пластинами.

Электрохимическое строительство

Схема двухслойного конденсатора.

1. Внутренний слой Гельмгольца IHP
2. Внешний слой Гельмгольца OHP
3. Диффузный слой
4. Сольватированные ионы
5. Специфически адсорбционные ионы (псевдоемкость)
6. Молекула растворителя

Другой тип – электрохимический конденсатор – использует два других принципа хранения для хранения электроэнергии. В отличие от керамических, пленочных и электролитических конденсаторов , суперконденсаторы (также известные как электрические двухслойные конденсаторы (EDLC) или ультраконденсаторы) не имеют обычного диэлектрика. Значение емкости электрохимического конденсатора определяется двумя принципами хранения большой емкости. Эти принципы таковы:

• электростатическое хранение в двойных слоях Гельмгольца, достигаемое на границе раздела фаз между поверхностью электродов и электролитом ( емкость двойного слоя) ; и
• электрохимическое хранение, достигаемое путем фарадеевского переноса заряда электронов специфически поглощенными ионами с окислительно-восстановительными реакциями (псевдоемкость) . В отличие от батарей, в этих реакциях ионы просто цепляются за атомную структуру электрода, не создавая и не разрывая химических связей, и никакие или пренебрежимо малые химические изменения не происходят в процессе заряда/разряда.

Коэффициент накопления, полученный в результате каждого принципа, может значительно варьироваться в зависимости от конструкции электрода и состава электролита. Псевдоемкость может увеличить значение емкости на порядок по сравнению с двойным слоем как таковым. ^[1]

Классификация

Конденсаторы делятся на две механические группы: устройства с постоянной емкостью и переменные конденсаторы. Переменные конденсаторы изготавливаются в виде подстроечных резисторов , которые обычно настраиваются только во время калибровки схемы, и в виде устройства, настраиваемого во время работы электронного прибора.

Наиболее распространенная группа — постоянные конденсаторы. Многие из них названы по типу диэлектрика. Для систематической классификации эти характеристики не могут быть использованы, поскольку один из старейших, электролитический конденсатор, назван по конструкции катода. Поэтому наиболее используемые названия просто исторические.

Наиболее распространенные типы конденсаторов:

• Керамические конденсаторы имеют керамический диэлектрик.
• Пленочные и бумажные конденсаторы получили свое название по диэлектрикам, из которых они изготовлены.
• Алюминиевые, танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы названы по материалу, используемому в качестве анода , и конструкции катода ( электролита ) .
• Полимерные конденсаторы — это алюминиевые, танталовые или ниобиевые электролитические конденсаторы с проводящим полимером в качестве электролита.
• Суперконденсатор — это общее название для:
  • Двухслойные конденсаторы получили свое название в честь физического явления двойного слоя Гельмгольца.
  • Псевдоконденсаторы получили свое название за свою способность хранить электрическую энергию электрохимическим путем с обратимым фарадеевским переносом заряда.
  • Гибридные конденсаторы сочетают в себе двухслойные и псевдоконденсаторы для увеличения плотности мощности.
• Серебряно-слюдяные, стеклянные, кремниевые, с воздушным зазором и вакуумные конденсаторы названы по их диэлектрику.

Обзор наиболее часто используемых постоянных конденсаторов в электронном оборудовании

В дополнение к вышеприведенным типам конденсаторов, которые получили свое название в результате исторического развития, существует множество отдельных конденсаторов, которые были названы в зависимости от их применения. Они включают в себя:

• Силовые конденсаторы , конденсаторы для двигателей , конденсаторы звена постоянного тока , подавляющие конденсаторы , конденсаторы кроссовера аудиосигнала , конденсаторы балласта освещения , демпфирующие конденсаторы , соединительные , развязывающие или шунтирующие конденсаторы .

Часто для этих целей используется более одного семейства конденсаторов, например, для подавления помех могут использоваться керамические или пленочные конденсаторы .

Другие виды конденсаторов обсуждаются в разделе #Специальные конденсаторы.

Диэлектрики

Принципы хранения заряда различных типов конденсаторов и их собственная прогрессия напряжения

Наиболее распространенными диэлектриками являются:

• Керамика
• Пластиковые пленки
• Оксидный слой на металле ( алюминий , тантал , ниобий )
• Натуральные материалы, такие как слюда , стекло , бумага , воздух , SF6 , _вакуум

Все они сохраняют свой электрический заряд статически в электрическом поле между двумя (параллельными) электродами.

Под этим обычным конденсатором было разработано семейство электрохимических конденсаторов, называемых суперконденсаторами . Суперконденсаторы не имеют обычного диэлектрика. Они сохраняют свой электрический заряд статически в двойных слоях Гельмгольца и фарадеевски на поверхности электродов.

• со статической двухслойной емкостью в двухслойном конденсаторе и
• с псевдоемкостью (фарадеевский перенос заряда) в псевдоконденсаторе
• или с обоими принципами хранения вместе в гибридных конденсаторах .

Наиболее важные параметры материалов различных используемых диэлектриков и примерная толщина слоя Гельмгольца приведены в таблице ниже.

Площадь пластины конденсатора может быть адаптирована к желаемому значению емкости. Диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрика являются определяющими параметрами для конденсаторов. Простота обработки также имеет решающее значение. Тонкие, механически гибкие листы можно легко обернуть или сложить, что дает большие конструкции с высокими значениями емкости. Однако тонкие как бритва металлизированные спеченные керамические слои, покрытые металлизированными электродами, предлагают наилучшие условия для миниатюризации схем с SMD- стилями.

Краткий обзор цифр в таблице выше дает объяснение некоторым простым фактам:

• Суперконденсаторы имеют самую высокую плотность емкости благодаря особым принципам хранения заряда.
• Электролитические конденсаторы имеют меньшую плотность емкости, чем суперконденсаторы, но самую высокую плотность емкости среди обычных конденсаторов из-за тонкого диэлектрика.
• Керамические конденсаторы класса 2 имеют гораздо более высокие значения емкости в данном случае, чем конденсаторы класса 1 из-за их гораздо более высокой диэлектрической проницаемости.
• Пленочные конденсаторы с различными материалами пластиковой пленки имеют небольшой разброс размеров для заданного значения емкости/напряжения пленочного конденсатора, поскольку минимальная толщина диэлектрической пленки различается для различных материалов пленки.

Диапазон емкости и напряжения

Диапазоны ёмкости и диапазоны напряжения различных типов конденсаторов

Диапазон емкости составляет от пикофарад до сотен фарад. Номинальное напряжение может достигать 100 киловольт. В целом емкость и напряжение коррелируют с физическим размером и стоимостью.

Миниатюризация

Объемная эффективность конденсатора увеличилась с 1970 по 2005 год (кликните на изображение, чтобы увеличить)

Как и в других областях электроники, объемная эффективность измеряет производительность электронной функции на единицу объема. Для конденсаторов объемная эффективность измеряется с помощью "произведения CV", вычисляемого путем умножения емкости (C) на максимальное номинальное напряжение (V), деленное на объем. С 1970 по 2005 год объемная эффективность значительно улучшилась.

• Миниатюризация конденсаторов
• 
  Сложенный бумажный конденсатор 1923 года для шумоподавления (блокировки) в телеграфных линиях
• 
  Металлизированный бумажный конденсатор начала 1930-х годов в твердом бумажном корпусе, значение емкости указано в «см» в системе СГС ; 5000 см соответствует 0,0056 мкФ.
• 
  Сложенный алюминиевый электролитический конденсатор с жидким электролитом, Bell System 1929, вид на сложенный анод, который был установлен в квадратном корпусе (не показан), заполненном жидким электролитом.
• 
  Два алюминиевых электролитических конденсатора с жидкой обмоткой емкостью 8 мкФ, напряжением 525 В в бумажном корпусе, запечатанном смолой, из радиоприемника 1930-х годов.

Перекрывающийся спектр приложений

Эти отдельные конденсаторы могут выполнять свое назначение независимо от их принадлежности к указанному выше типу конденсатора, так что существует перекрывающийся диапазон применений между различными типами конденсаторов.

Сравнивая три основных типа конденсаторов, мы видим, что в электронном оборудовании существует широкий спектр перекрывающихся функций для многих общецелевых и промышленных применений.

Типы и стили

Керамические конденсаторы

Конструкция многослойного керамического конденсатора ( MLCC )​​

Керамический конденсатор — это неполяризованный фиксированный конденсатор, изготовленный из двух или более чередующихся слоев керамики и металла, в котором керамический материал действует как диэлектрик, а металл — как электроды. Керамический материал представляет собой смесь мелко измельченных гранул параэлектрических или сегнетоэлектрических материалов , модифицированных смешанными оксидами , которые необходимы для достижения желаемых характеристик конденсатора. Электрическое поведение керамического материала делится на два класса стабильности:

1. Керамические конденсаторы класса 1 с высокой стабильностью и низкими потерями, компенсирующие влияние температуры в резонансных контурах. Распространенные сокращения кодов EIA / IEC : C0G /NP0, P2G/N150, R2G/N220, U2J/N750 и т. д.
2. Керамические конденсаторы класса 2 с высокой объемной эффективностью для буферных, шунтирующих и соединительных применений. Распространенные сокращения кодов EIA/IEC: X7R/2XI, Z5U/E26, Y5V/2F4, X7S/2C1 и т. д.

Высокая пластичность керамического сырья хорошо подходит для многих специальных применений и обеспечивает огромное разнообразие стилей, форм и большой размерный разброс керамических конденсаторов. Самый маленький дискретный конденсатор, например, это чип-конденсатор "01005" с размером всего 0,4 мм × 0,2 мм.

Конструкция керамических многослойных конденсаторов с преимущественно чередующимися слоями приводит к параллельному соединению отдельных конденсаторов. Такая конфигурация увеличивает емкость и уменьшает все потери и паразитные индуктивности . Керамические конденсаторы хорошо подходят для высоких частот и импульсных нагрузок с высоким током.

Поскольку толщину керамического диэлектрического слоя можно легко контролировать и получать с помощью требуемого напряжения, керамические конденсаторы выпускаются с номинальным напряжением до 30 кВ.

Некоторые керамические конденсаторы специальных форм и стилей используются в качестве конденсаторов для специальных применений, включая конденсаторы подавления радиочастотных и электромагнитных помех для подключения к питающей сети, также известные как предохранительные конденсаторы, ^[8] X2Y и трехконтактные конденсаторы для шунтирования и развязки, ^{[9] [10]} проходные конденсаторы для подавления шума фильтрами нижних частот ^[11] и керамические силовые конденсаторы для передатчиков и ВЧ-приложений. ^{[12] [13]}

• Различные типы керамических конденсаторов
• 
  Многослойные керамические конденсаторы (MLCC чипы) для поверхностного монтажа
• 
  Керамические развязывающие конденсаторы X2Y
• 
  Керамические конденсаторы подавления электромагнитных помех для подключения к питающей сети (конденсаторы безопасности)
• 
  Высоковольтный керамический силовой конденсатор

Пленочные конденсаторы

Три примера различных конфигураций пленочных конденсаторов для увеличения номинальных значений импульсного тока

Пленочные конденсаторы или пластиковые пленочные конденсаторы — это неполяризованные конденсаторы с изолирующей пластиковой пленкой в ​​качестве диэлектрика. Диэлектрические пленки натягиваются в тонкий слой, снабжены металлическими электродами и намотаны в цилиндрическую обмотку. Электроды пленочных конденсаторов могут быть металлизированными алюминием или цинком, нанесенными на одну или обе стороны пластиковой пленки, в результате чего получаются металлизированные пленочные конденсаторы или отдельная металлическая фольга, покрывающая пленку, называемые пленочными/фольгированными конденсаторами.

Металлизированные пленочные конденсаторы обладают свойствами самовосстановления. Диэлектрические пробои или короткие замыкания между электродами не разрушают компонент. Металлизированная конструкция позволяет изготавливать намотанные конденсаторы с большими значениями емкости (до 100 мкФ и более) в меньших корпусах, чем в пленочно-фольговой конструкции.

Пленочные/фольгированные конденсаторы или конденсаторы с металлической фольгой используют две пластиковые пленки в качестве диэлектрика. Каждая пленка покрыта тонкой металлической фольгой, в основном алюминиевой, для формирования электродов. Преимуществом этой конструкции является простота соединения электродов из металлической фольги, а также отличная сила импульса тока.

Ключевым преимуществом внутренней конструкции каждого пленочного конденсатора является прямой контакт с электродами на обоих концах обмотки. Этот контакт делает все пути тока очень короткими. Конструкция ведет себя как большое количество отдельных конденсаторов, соединенных параллельно, тем самым уменьшая внутренние омические потери ( эквивалентное последовательное сопротивление или ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Внутренняя геометрия структуры пленочного конденсатора приводит к низким омическим потерям и низкой паразитной индуктивности, что делает их пригодными для приложений с высокими импульсными токами ( снабберы ) и для приложений переменного тока или для приложений на более высоких частотах.

Пластиковые пленки, используемые в качестве диэлектрика для пленочных конденсаторов, — это полипропилен (PP), полиэстер (PET), полифениленсульфид (PPS), полиэтиленнафталат (PEN) и политетрафторэтилен (PTFE). Полипропилен занимает долю рынка около 50%, а полиэстер с примерно 40% являются наиболее используемыми пленочными материалами. Остальные 10% используют все остальные материалы, включая PPS и бумагу с примерно 3% каждый. ^{[14] [15]}

Некоторые пленочные конденсаторы специальных форм и типов используются в качестве конденсаторов для специальных применений, включая конденсаторы подавления радиочастотных и электромагнитных помех для подключения к питающей сети, также известные как предохранительные конденсаторы, ^[16] демпфирующие конденсаторы для очень высоких импульсных токов, ^[17] конденсаторы для запуска двигателей и конденсаторы переменного тока для приложений с запуском двигателей. ^[18]

• Высокая импульсная токовая нагрузка является наиболее важной характеристикой пленочных конденсаторов, поэтому многие из доступных моделей имеют специальные выводы для больших токов.
• 
  Радиальный тип (односторонний) для пайки в сквозные отверстия на печатных платах
• 
  SMD-тип для поверхностного монтажа печатных плат, с металлизированными контактами на двух противоположных краях
• 
  Радиальное исполнение с прочными паяными клеммами для применения в качестве демпферов и высоких импульсных нагрузок
• 
  Сверхпрочный демпфирующий конденсатор с винтовыми клеммами

Силовые пленочные конденсаторы

Конденсатор силовой МКВ, двухсторонняя металлизированная бумага (бесполевой механический носитель электродов), полипропиленовая пленка (диэлектрик), обмотки пропитаны изоляционным маслом

Родственный тип — силовой пленочный конденсатор . Материалы и методы изготовления, используемые для больших силовых пленочных конденсаторов, в основном аналогичны материалам и методам изготовления обычных пленочных конденсаторов. Однако конденсаторы с высокими и очень высокими номинальными мощностями для применения в энергосистемах и электроустановках часто классифицируются отдельно по историческим причинам. Стандартизация обычных пленочных конденсаторов ориентирована на электрические и механические параметры. Стандартизация силовых конденсаторов, напротив, подчеркивает безопасность персонала и оборудования, как установлено местным регулирующим органом.

Поскольку современное электронное оборудование получило возможность обрабатывать уровни мощности, которые ранее были исключительной прерогативой компонентов «электрической мощности», различие между «электронными» и «электрическими» мощностями размылось. Исторически граница между этими двумя семействами проходила примерно по реактивной мощности в 200 вольт-ампер.

В пленочных силовых конденсаторах в качестве диэлектрика в основном используется полипропиленовая пленка. Другие типы включают металлизированные бумажные конденсаторы (MP-конденсаторы) и смешанные диэлектрические пленочные конденсаторы с полипропиленовыми диэлектриками. MP-конденсаторы служат для экономичных применений и в качестве несущих электродов без поля (конденсаторы из сырой фольги) для высоких переменных или импульсных нагрузок. Обмотки могут быть заполнены изолирующим маслом или эпоксидной смолой для уменьшения пузырьков воздуха, тем самым предотвращая короткие замыкания.

Они находят применение в качестве преобразователей для изменения напряжения, тока или частоты, для хранения или резкой поставки электроэнергии или для улучшения коэффициента мощности. Номинальный диапазон напряжения этих конденсаторов составляет приблизительно от 120 В переменного тока (емкостные балласты освещения) до 100 кВ. ^[19]

• Силовые пленочные конденсаторы для применения в энергосистемах, электроустановках и заводах
• 
  Силовой пленочный конденсатор для коррекции коэффициента мощности переменного тока (PFC), упакованный в цилиндрический металлический корпус
• 
  Силовой пленочный конденсатор в прямоугольном корпусе
• 
  Одна из нескольких батарей пленочных конденсаторов для хранения энергии, предназначенная для генерации магнитного поля на кольцевом ускорителе адронов и электронов ( HERA ), расположенном на территории DESY в Гамбурге.
• 
  Конденсаторная батарея подстанции 75 МВАр на 150 кВ

Электролитические конденсаторы

Диверсификация электролитических конденсаторов

Электролитические конденсаторы имеют металлический анод, покрытый оксидированным слоем, используемым в качестве диэлектрика. Второй электрод — нетвердый (влажный) или твердый электролит. Электролитические конденсаторы поляризованы. Доступны три семейства, классифицированные в соответствии с их диэлектриком.

• Алюминиевые электролитические конденсаторы с оксидом алюминия в качестве диэлектрика
• Танталовые электролитические конденсаторы с пентаоксидом тантала в качестве диэлектрика
• Ниобиевые электролитические конденсаторы с пентаоксидом ниобия в качестве диэлектрика.

Анод имеет высокую шероховатость для увеличения площади поверхности. Это и относительно высокая диэлектрическая проницаемость оксидного слоя дают этим конденсаторам очень высокую емкость на единицу объема по сравнению с пленочными или керамическими конденсаторами.

Диэлектрическая проницаемость пентаоксида тантала примерно в три раза выше, чем у оксида алюминия, что позволяет получать значительно меньшие компоненты. Однако диэлектрическая проницаемость определяет только размеры. Электрические параметры, особенно проводимость , определяются материалом и составом электролита. Используются три основных типа электролитов:

• не твердые (влажные, жидкие) — проводимость около 10 мСм/см и являются самыми дешевыми
• твердый оксид марганца — проводимость около 100 мСм/см обеспечивает высокое качество и стабильность
• твердый проводящий полимер ( полипиррол или PEDOT:PSS ) — проводимость приблизительно 100...500 См/см, ^{[20] [21]} обеспечивает значения ESR всего <10 мОм

Внутренние потери электролитических конденсаторов, преимущественно используемых в качестве развязывающих и буферных устройств, определяются видом электролита.

Большая емкость на единицу объема электролитических конденсаторов делает их ценными в относительно высокоточных и низкочастотных электрических цепях , например, в фильтрах питания для развязки нежелательных компонентов переменного тока от соединений постоянного тока или в качестве соединительных конденсаторов в аудиоусилителях, для пропускания или обхода низкочастотных сигналов и хранения больших объемов энергии. Относительно высокое значение емкости электролитического конденсатора в сочетании с очень низким ESR полимерного электролита полимерных конденсаторов , особенно в стилях SMD, делает их конкурентом конденсаторам MLC-чипов в блоках питания персональных компьютеров.

Биполярные алюминиевые электролитические конденсаторы (также называемые неполяризованными конденсаторами) содержат две анодированные алюминиевые фольги, ведущие себя как два конденсатора, соединенных последовательно и встречно.

Электролитические конденсаторы специального назначения включают в себя конденсаторы для запуска двигателей, ^[22] конденсаторы для фонарей ^[23] и конденсаторы для звуковых частот. ^[24]

• Схематическое изображение
• 
  Схематическое изображение структуры намоточного алюминиевого электролитического конденсатора с нетвердым (жидким) электролитом
• 
  Схематическое изображение структуры спеченного танталового электролитического конденсатора с твердым электролитом и контактирующими слоями катода

• Алюминиевые, танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы
• 
  Аксиальные, радиальные (однотактные) и V-образные типы алюминиевых электролитических конденсаторов
• 
  Алюминиевые электролитические конденсаторы с защелкивающимся креплением для силовых установок
• 
  SMD-тип для поверхностного монтажа алюминиевых электролитических конденсаторов с полимерным электролитом
• 
  Танталовые электролитические чип-конденсаторы для поверхностного монтажа

Суперконденсаторы

Иерархическая классификация суперконденсаторов и родственных им типов

Диаграмма Рагона, показывающая плотность мощности в зависимости от плотности энергии различных конденсаторов и батарей.

Классификация суперконденсаторов по классам в соответствии со стандартами IEC 62391-1, IEC 62567 и DIN EN 61881-3

Суперконденсаторы (SC) [ ^25] представляют собой семейство электрохимических конденсаторов . Суперконденсатор, иногда называемый ультраконденсатором, является общим термином для электрических двухслойных конденсаторов (EDLC), псевдоконденсаторов и гибридных конденсаторов. Они не имеют обычного твердого диэлектрика . Значение емкости электрохимического конденсатора определяется двумя принципами хранения, оба из которых вносят вклад в общую емкость конденсатора: ^{[26] [27] [28]}

• Емкость двойного слоя – Хранение достигается путем разделения заряда в двойном слое Гельмгольца на границе раздела между поверхностью проводника и электролитическим раствором. Расстояние разделения заряда в двойном слое составляет порядка нескольких ангстрем (0,3–0,8  нм ). Это хранение имеет электростатическое происхождение. ^[1]
• Псевдоемкость – Хранение достигается за счет окислительно-восстановительных реакций , электроабсорбции или интеркаляции на поверхности электрода или специфически поглощенных ионов , что приводит к обратимому фарадеевскому переносу заряда . Псевдоемкость имеет фарадеевское происхождение. ^[1]

Коэффициент накопления, полученный в результате каждого принципа, может значительно варьироваться в зависимости от конструкции электрода и состава электролита. Псевдоемкость может увеличить значение емкости на порядок по сравнению с двойным слоем как таковым. ^[25]

Суперконденсаторы делятся на три семейства в зависимости от конструкции электродов:

• Двухслойные конденсаторы – с углеродными электродами или производными с гораздо более высокой статической двухслойной емкостью, чем фарадеевская псевдоемкость.
• Псевдоконденсаторы – с электродами из оксидов металлов или проводящих полимеров с высокой величиной фарадеевской псевдоемкости.
• Гибридные конденсаторы – конденсаторы со специальными и асимметричными электродами, которые демонстрируют как значительную двухслойную емкость, так и псевдоемкость, например, литий-ионные конденсаторы.

Суперконденсаторы заполняют пробел между обычными конденсаторами и перезаряжаемыми батареями . Они имеют самые высокие доступные значения емкости на единицу объема и самую большую плотность энергии среди всех конденсаторов. Они поддерживают до 12 000 фарад /1,2 вольта, ^[29] при значениях емкости до 10 000 раз больше, чем у электролитических конденсаторов . ^[25] Хотя существующие суперконденсаторы имеют плотность энергии, которая составляет примерно 10% от обычной батареи, их плотность мощности , как правило, в 10-100 раз больше. Плотность мощности определяется как произведение плотности энергии, умноженной на скорость, с которой энергия подается на нагрузку . Большая плотность мощности приводит к гораздо более коротким циклам заряда/разряда, чем способна батарея, и большей переносимости многочисленных циклов заряда/разряда. Это делает их хорошо подходящими для параллельного соединения с батареями и может улучшить производительность батареи с точки зрения плотности мощности.

В электрохимических конденсаторах электролит представляет собой проводящее соединение между двумя электродами, что отличает их от электролитических конденсаторов, в которых электролит образует только катод, второй электрод.

Суперконденсаторы поляризованы и должны работать с правильной полярностью. Полярность контролируется конструкцией с асимметричными электродами или, для симметричных электродов, потенциалом, приложенным в процессе производства.

Суперконденсаторы поддерживают широкий спектр применений для удовлетворения потребностей в электроэнергии и энергии, включая:

• Низкий ток питания в течение длительного времени для резервного копирования памяти ( SRAM ) в электронном оборудовании
• Силовая электроника, требующая очень короткого и сильного тока, как в системе KERS в автомобилях Формулы-1
• Рекуперация энергии торможения для транспортных средств, таких как автобусы и поезда

Суперконденсаторы редко бывают взаимозаменяемыми, особенно те, которые обладают более высокой плотностью энергии. Стандарт МЭК 62391-1 « Конденсаторы с фиксированным электрическим двухслойным слоем для использования в электронном оборудовании» определяет четыре класса применения:

• Класс 1, резервная память, ток разряда в мА = 1 • C (F)
• Класс 2, Накопление энергии, ток разряда в мА = 0,4 • C (F) • V (В)
• Класс 3, Мощность, ток разряда в мА = 4 • C (Ф) • V (В)
• Класс 4, Мгновенная мощность, ток разряда в мА = 40 • C (F) • V (В)

Исключением для электронных компонентов, таких как конденсаторы, является многообразие различных торговых или серийных наименований, используемых для суперконденсаторов, таких как: APowerCap, BestCap, BoostCap, CAP-XX, DLCAP, EneCapTen, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, HY-CAP, Kapton Capacator, Super Capacitor, SuperCap, PAS Capacitor, PowerStor, PseudoCap, Ultracapacitor, что затрудняет классификацию этих конденсаторов для пользователей.

• Двухслойные, литий-ионные и суперконденсаторы
• 
  Двухслойный конденсатор емкостью 1 Ф при напряжении 5,5 В для сохранения данных при отключении питания.
• 
  Радиальный (однотактный) тип литий-ионных конденсаторов для высокой плотности энергии
• 
  Суперконденсаторы

Конденсаторы класса X и класса Y

Многие правила техники безопасности предписывают использование конденсаторов класса X или Y в тех случаях, когда «короткое замыкание» может представлять опасность для людей, чтобы гарантировать гальваническую развязку даже в случае выхода конденсатора из строя.

Два конденсатора класса Y на печатной плате

Удары молнии и другие источники вызывают скачки напряжения в сети. Защитные конденсаторы защищают людей и устройства от скачков напряжения, отводя энергию скачков на землю. ^[30]

В частности, правила техники безопасности предписывают особое расположение сетевых фильтрующих конденсаторов классов X и Y. [ ^31]

В принципе, для создания конденсаторов классов X и Y можно использовать любой диэлектрик; возможно, для повышения безопасности следует включить внутренний предохранитель. ^{[32] [33] [34] [35]} На практике конденсаторы, соответствующие спецификациям классов X и Y, обычно представляют собой керамические конденсаторы подавления радиочастотных и электромагнитных помех или пластиковые пленочные конденсаторы подавления радиочастотных и электромагнитных помех .

Разные конденсаторы

Помимо вышеописанных конденсаторов, охватывающих практически весь рынок дискретных конденсаторов, в электронике можно найти как некоторые новые разработки или совершенно специальные типы конденсаторов, так и более старые типы.

Интегрированные конденсаторы

• Интегрированные конденсаторы — в интегральных схемах наномасштабные конденсаторы могут быть сформированы с помощью соответствующих шаблонов металлизации на изолирующей подложке. Они могут быть упакованы в несколько конденсаторных матриц без других полупроводниковых частей в качестве дискретных компонентов. ^[36]
• Стеклянные конденсаторы. Первый конденсатор типа лейденской банки был изготовлен из стекла. С 2012 года ^[update]стеклянные конденсаторы используются в версии SMD для приложений, требующих сверхнадежной и сверхстабильной работы.

Силовые конденсаторы

• Вакуумные конденсаторы — используются в мощных радиочастотных передатчиках.
• Конденсаторы, заполненные газом SF ₆ — используются в качестве эталона емкости в измерительных мостовых схемах.

Специальные конденсаторы

• Печатные платы — металлические проводящие области в разных слоях многослойной печатной платы могут действовать как высокостабильный конденсатор в фильтрах с распределенными элементами . Обычной отраслевой практикой является заполнение неиспользуемых областей одного слоя печатной платы заземляющим проводником, а другого слоя — силовым проводником, образуя большой распределенный конденсатор между слоями.
• Провод — 2 куска изолированного провода, скрученные вместе. Значения емкости обычно находятся в диапазоне от 3 пФ до 15 пФ. Используется в самодельных СВЧ- цепях для обратной связи по колебаниям.

Существуют также специализированные устройства, такие как встроенные конденсаторы с металлическими токопроводящими областями в разных слоях многослойной печатной платы, а также приспособления, такие как скручивание двух кусков изолированного провода.

Конденсаторы, изготовленные путем скручивания двух изолированных проводов вместе, называются конденсаторами-гиммик. Конденсаторы-гиммик использовались в коммерческих и любительских радиоприемниках. ^{[37] [38] [39] [40] [41]}

Устаревшие конденсаторы

• Лейденские банки — самый ранний известный конденсатор
• Зажимные слюдяные конденсаторы — первые конденсаторы со стабильными частотными характеристиками и малыми потерями, использовавшиеся в военных радиоприложениях во время Второй мировой войны.
• Конденсаторы с воздушным зазором — использовались в первых передатчиках с искровым зазором.

• Разные конденсаторы
• 
  Некоторые конденсаторы из серебряной слюды номиналом 1 нФ × 500 В постоянного тока
• 
  Вакуумный конденсатор с инкапсуляцией из уранового стекла

Конденсаторы переменной емкости

Переменные конденсаторы могут иметь емкость, изменяющуюся за счет механического движения. Существует два основных типа:

• Настроечный конденсатор – переменный конденсатор для преднамеренной и многократной настройки колебательного контура в радиоприемнике или другом настроенном контуре.
• Подстроечный конденсатор – небольшой переменный конденсатор, обычно используемый для внутренней регулировки схемы однократного генератора.

Переменные конденсаторы включают конденсаторы, которые используют механическую конструкцию для изменения расстояния между пластинами или величины площади поверхности пластин, которая перекрывается. В качестве диэлектрической среды они в основном используют воздух.

Полупроводниковые диоды переменной емкости не являются конденсаторами в смысле пассивных компонентов, но могут изменять свою емкость в зависимости от приложенного обратного напряжения смещения и используются как переменный конденсатор. Они заменили большую часть подстроечных и триммерных конденсаторов.

• Конденсаторы переменной емкости
• 
  Конденсатор настройки воздушного зазора
• 
  Вакуумный настроечный конденсатор
• 
  Подстроечный конденсатор для монтажа в сквозное отверстие
• 
  Подстроечный конденсатор для поверхностного монтажа

Сравнение типов

Электрические характеристики

Последовательно-эквивалентная схема

Последовательно-эквивалентная модель цепи конденсатора

Дискретные конденсаторы отличаются от идеальных конденсаторов. Идеальный конденсатор только хранит и высвобождает электрическую энергию, без рассеивания. Компоненты конденсатора имеют потери и паразитные индуктивные части. Эти недостатки материала и конструкции могут иметь положительные последствия, такие как линейное поведение частоты и температуры в керамических конденсаторах класса 1. Напротив, отрицательные последствия включают нелинейную, зависящую от напряжения емкость в керамических конденсаторах класса 2 или недостаточную диэлектрическую изоляцию конденсаторов, приводящую к токам утечки.

Все свойства могут быть определены и указаны последовательной эквивалентной схемой, составленной из идеализированной емкости и дополнительных электрических компонентов, которые моделируют все потери и индуктивные параметры конденсатора. В этой последовательно-эквивалентной схеме электрические характеристики определяются следующим образом:

• C , емкость конденсатора
• R _insul , сопротивление изоляции диэлектрика, не путать с изоляцией корпуса.
• R _утечка , сопротивление, представляющее ток утечки конденсатора
• R _ESR , эквивалентное последовательное сопротивление , которое суммирует все омические потери конденсатора, обычно сокращенно обозначаемое как «ESR»
• L _ESL — эквивалентная последовательная индуктивность , которая представляет собой эффективную самоиндукцию конденсатора, обычно сокращенно обозначаемую как «ESL».

Использование последовательной эквивалентной схемы вместо параллельной эквивалентной схемы регламентируется стандартом IEC /EN 60384–1.

Стандартные значения емкости и допуски

Номинальная емкость C _R или номинальная емкость C _N — это значение, на которое рассчитан конденсатор. Фактическая емкость зависит от измеряемой частоты и температуры окружающей среды. Стандартные условия измерения — метод измерения переменного тока низкого напряжения при температуре 20 °C с частотами

• 100 кГц, 1 МГц (предпочтительно) или 10 МГц для неэлектролитических конденсаторов с C _R ≤ 1 нФ:
• 1 кГц или 10 кГц для неэлектролитических конденсаторов с 1 нФ < C _R ≤ 10 мкФ
• 100/120 Гц для электролитических конденсаторов
• 50/60 Гц или 100/120 Гц для неэлектролитических конденсаторов с C _R > 10 мкФ

Для измерения емкости суперконденсаторов применяется метод падения напряжения.

Конденсаторы доступны в геометрически возрастающих предпочтительных значениях ( стандарты серии E ), указанных в IEC/EN 60063. В соответствии с количеством значений на декаду они были названы сериями E3, E6, E12, E24 и т. д. Диапазон единиц, используемых для указания значений конденсаторов, расширился и теперь включает все от пико- (пФ), нано- (нФ) и микрофарад (мкФ) до фарад (Ф). Миллифарад и килофарад встречаются редко.

Процент допустимого отклонения от номинального значения называется допуском . Фактическое значение емкости должно находиться в пределах допуска, в противном случае оно выходит за пределы спецификации. IEC/EN 60062 определяет буквенный код для каждого допуска.

Требуемый допуск определяется конкретным применением. Узкие допуски от E24 до E96 используются для высококачественных схем, таких как прецизионные генераторы и таймеры. Общие приложения, такие как некритическая фильтрация или схемы связи, используют E12 или E6. Электролитические конденсаторы, которые часто используются для фильтрации и шунтирования конденсаторов, в основном имеют диапазон допуска ±20% и должны соответствовать значениям серии E6 (или E3).

Температурная зависимость

Емкость обычно меняется в зависимости от температуры. Различные диэлектрики демонстрируют большие различия в температурной чувствительности. Температурный коэффициент выражается в частях на миллион (ppm) на градус Цельсия для керамических конденсаторов класса 1 или в % по всему температурному диапазону для всех остальных.

Частотная зависимость

Большинство типов дискретных конденсаторов имеют более или менее малые изменения емкости с ростом частоты. Диэлектрическая прочность керамики класса 2 и пластиковой пленки уменьшается с ростом частоты. Поэтому их значение емкости уменьшается с ростом частоты. Это явление для керамических диэлектриков класса 2 и пластиковой пленки связано с диэлектрической релаксацией , в которой постоянная времени электрических диполей является причиной частотной зависимости диэлектрической проницаемости . На графиках ниже показано типичное частотное поведение емкости для керамических и пленочных конденсаторов.

• Частотная зависимость емкости керамических и пленочных конденсаторов
• 
  Частотная зависимость емкости керамических конденсаторов класса 2 (для сравнения класс 1 NP0)
• 
  Частотная зависимость емкости пленочных конденсаторов с различными материалами пленки

Для электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом происходит механическое движение ионов . Их подвижность ограничена, так что на более высоких частотах не все области шероховатой структуры анода покрыты ионами, несущими заряд. Чем выше шероховатость структуры анода, тем больше уменьшается значение емкости с ростом частоты. Низковольтные типы с сильно шероховатыми анодами показывают емкость на частоте 100 кГц примерно от 10 до 20% от значения, измеренного на частоте 100 Гц.

Зависимость от напряжения

Емкость также может меняться с приложенным напряжением. Этот эффект более распространен в керамических конденсаторах класса 2. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрического материала класса 2 зависит от приложенного напряжения. Более высокое приложенное напряжение снижает диэлектрическую проницаемость. Изменение емкости может упасть до 80% от значения, измеренного при стандартизированном измерительном напряжении 0,5 или 1,0 В. Такое поведение является небольшим источником нелинейности в фильтрах с низким уровнем искажений и других аналоговых приложениях. В аудиоприложениях это может вызвать искажения (измеряемые с помощью THD ).

Пленочные и электролитические конденсаторы не имеют существенной зависимости от напряжения.

• Зависимость емкости от напряжения для некоторых различных керамических конденсаторов класса 2
• 
  Упрощенная диаграмма изменения емкости в зависимости от приложенного напряжения для конденсаторов 25 В из различных видов керамики
• 
  Упрощенная диаграмма изменения емкости в зависимости от приложенного напряжения для керамики X7R с различными номинальными напряжениями

Номинальное и категориальное напряжение

Соотношение между номинальным и категорическим диапазоном температур и приложенным напряжением

Напряжение, при котором диэлектрик становится проводящим, называется напряжением пробоя и определяется произведением электрической прочности и расстояния между электродами. Электрическая прочность зависит от температуры, частоты, формы электродов и т. д. Поскольку пробой конденсатора обычно представляет собой короткое замыкание и разрушает компонент, рабочее напряжение ниже напряжения пробоя. Рабочее напряжение указывается таким образом, чтобы напряжение можно было подавать непрерывно в течение всего срока службы конденсатора.

В IEC/EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение называется «расчетным напряжением» или «номинальным напряжением». Номинальное напряжение (UR) — это максимальное постоянное напряжение или пиковое импульсное напряжение, которое может быть приложено непрерывно при любой температуре в пределах номинального температурного диапазона.

Напряжение, выдерживаемое почти всеми конденсаторами, уменьшается с ростом температуры. Некоторые приложения требуют более высокого температурного диапазона. Снижение напряжения, прикладываемого при более высокой температуре, сохраняет запасы безопасности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов стандарт IEC определяет второе «температурное пониженное напряжение» для более высокого температурного диапазона, «категориальное напряжение». Категориальное напряжение (UC) — это максимальное постоянное напряжение или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор при любой температуре в пределах температурного диапазона категории.

Соотношение между напряжениями и температурами показано на рисунке справа.

Сопротивление

Упрощенная последовательная эквивалентная схема конденсатора для более высоких частот (выше); векторная диаграмма с электрическими реактивными сопротивлениями X _ESL и X _C и сопротивлением ESR, а также для иллюстрации импедансом Z и коэффициентом рассеяния tan δ

В общем, конденсатор рассматривается как компонент для хранения электроэнергии. Но это только одна функция конденсатора. Конденсатор также может действовать как резистор переменного тока . Во многих случаях конденсатор используется как развязывающий конденсатор для фильтрации или обхода нежелательных смещенных частот переменного тока на землю. В других приложениях конденсаторы используются для емкостной связи сигналов переменного тока; диэлектрик используется только для блокировки постоянного тока. Для таких приложений сопротивление переменного тока так же важно, как и значение емкости.

Частотно-зависимое сопротивление переменного тока называется импедансом и представляет собой комплексное отношение напряжения к току в цепи переменного тока. Импеданс расширяет концепцию сопротивления на цепи переменного тока и обладает как величиной, так и фазой на определенной частоте. Это отличается от сопротивления, которое имеет только величину. ${\displaystyle \scriptstyle Z}$

${\displaystyle \ Z=|Z|e^{j\theta }}$

Величина представляет собой отношение амплитуды разности напряжений к амплитуде тока, является мнимой единицей , тогда как аргумент дает разность фаз между напряжением и током. ${\displaystyle \scriptstyle |Z|}$ ${\displaystyle \scriptstyle j}$ ${\displaystyle \scriptstyle \theta }$

В технических характеристиках конденсаторов указывается только величина импеданса |Z|, которая записывается просто как «Z», так что формулу для импеданса можно записать в декартовой форме.

${\displaystyle \ Z=R+jX}$

где действительная часть импеданса — это активное сопротивление (для конденсаторов ), а мнимая часть — это реактивное сопротивление . ${\displaystyle \scriptstyle R}$ ${\displaystyle \scriptstyle ESR}$ ${\displaystyle \scriptstyle X}$

Как показано в последовательной эквивалентной схеме конденсатора, действительный компонент включает идеальный конденсатор , индуктивность и резистор . Таким образом, общее реактивное сопротивление на угловой частоте определяется геометрическим (комплексным) сложением емкостного реактивного сопротивления ( Емкость ) и индуктивного реактивного сопротивления ( Индуктивность ): . ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle L(ESL)}$ ${\displaystyle R(ESR)}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}}$ ${\displaystyle X_{L}=\omega L_{\mathrm {ESL} }}$

Чтобы рассчитать импеданс, сопротивление необходимо сложить геометрически, а затем получить выражение ${\displaystyle \scriptstyle Z}$ ${\displaystyle Z}$

${\displaystyle Z={\sqrt {{ESR}^{2}+(X_{\mathrm {C} }+(-X_{\mathrm {L} }))^{2}}}}$. Сопротивление является мерой способности конденсатора пропускать переменные токи. В этом смысле сопротивление можно использовать подобно закону Ома.

${\displaystyle Z={\frac {\hat {u}}{\hat {\imath }}}={\frac {U_{\mathrm {eff} }}{I_{\mathrm {eff} }}}.}$

для расчета пикового или эффективного значения тока или напряжения.

В частном случае резонанса , когда оба реактивных сопротивления

${\displaystyle X_{C}=-{\frac {1}{\omega C}}}$и ${\displaystyle X_{L}=\omega L_{\mathrm {ESL} }}$

имеют одинаковое значение ( ), то импеданс будет определяться только . ${\displaystyle X_{C}=X_{L}}$ ${\displaystyle {ESR}}$

Типичные кривые импеданса для различных значений емкости в зависимости от частоты, показывающие типичную форму с уменьшающимися значениями импеданса ниже резонанса и увеличивающимися значениями выше резонанса. Чем выше емкость, тем ниже резонанс.

Сопротивление, указанное в технических характеристиках, часто показывает типичные кривые для различных значений емкости. С ростом частоты сопротивление уменьшается до минимума. Чем ниже сопротивление, тем легче переменные токи могут проходить через конденсатор. В вершине , точке резонанса, где XC имеет то же значение, что и XL, конденсатор имеет наименьшее значение сопротивления. Здесь только ESR определяет сопротивление. С частотами выше резонанса сопротивление снова увеличивается из-за ESL конденсатора. Конденсатор становится индуктивностью.

Как показано на графике, более высокие значения емкости лучше соответствуют более низким частотам, тогда как более низкие значения емкости лучше соответствуют более высоким частотам.

Алюминиевые электролитические конденсаторы обладают относительно хорошими развязывающими свойствами в нижнем диапазоне частот до 1 МГц из-за их больших значений емкости. Это является причиной использования электролитических конденсаторов в стандартных или импульсных источниках питания после выпрямителя для сглаживающего применения.

Керамические и пленочные конденсаторы уже вышли за пределы своих меньших значений емкости, подходящих для более высоких частот до нескольких сотен МГц. Они также имеют значительно меньшую паразитную индуктивность, что делает их пригодными для более высокочастотных приложений, благодаря их конструкции с торцевым контактом электродов. Для увеличения диапазона частот часто электролитический конденсатор подключается параллельно керамическому или пленочному конденсатору. ^[47]

Многие новые разработки направлены на снижение паразитной индуктивности (ESL). Это увеличивает резонансную частоту конденсатора и, например, может следовать за постоянно увеличивающейся скоростью переключения цифровых схем. Миниатюризация, особенно в многослойных керамических чип-конденсаторах SMD ( MLCC ), увеличивает резонансную частоту. Паразитная индуктивность еще больше снижается за счет размещения электродов на продольной стороне чипа вместо боковой стороны. Конструкция «лицом вниз», связанная с многоанодной технологией в танталовых электролитических конденсаторах, еще больше снижает ESL. Семейства конденсаторов, такие как так называемые МОП-конденсаторы или кремниевые конденсаторы, предлагают решения, когда требуются конденсаторы на частотах до диапазона ГГц.

Индуктивность (ESL) и собственная резонансная частота

ESL в промышленных конденсаторах в основном вызвано выводами и внутренними соединениями, используемыми для соединения пластин конденсатора с внешним миром. Большие конденсаторы, как правило, имеют более высокий ESL, чем маленькие, поскольку расстояния до пластины больше, и каждый мм считается индуктивностью.

Для любого дискретного конденсатора существует частота выше постоянного тока, на которой он перестает вести себя как чистый конденсатор. Эта частота, где достигает , называется собственной резонансной частотой. Собственная резонансная частота — это самая низкая частота, на которой импеданс проходит через минимум. Для любого приложения переменного тока собственная резонансная частота — это самая высокая частота, на которой конденсаторы могут использоваться в качестве емкостного компонента. ${\displaystyle X_{C}}$ ${\displaystyle X_{L}}$

Это критически важно для развязки высокоскоростных логических схем от источника питания. Развязывающий конденсатор подает переходный ток на чип. Без развязывающих конденсаторов ИС требует тока быстрее, чем соединение с источником питания может его поставлять, поскольку части схемы быстро включаются и выключаются. Чтобы противостоять этой потенциальной проблеме, схемы часто используют несколько шунтирующих конденсаторов — небольшие (100 нФ или меньше) конденсаторы, рассчитанные на высокие частоты, большой электролитический конденсатор, рассчитанный на более низкие частоты, и иногда конденсатор промежуточного значения.

Омические потери, ESR, коэффициент рассеяния и добротность

Суммарные потери в дискретных конденсаторах являются омическими потерями переменного тока . Потери постоянного тока определяются как « ток утечки » или «сопротивление изоляции» и незначительны для спецификации переменного тока. Потери переменного тока нелинейны, возможно, зависят от частоты, температуры, возраста или влажности. Потери являются результатом двух физических условий:

• потери в линии, включая внутренние сопротивления линии питания, контактное сопротивление контакта электрода, линейное сопротивление электродов, а в «мокрых» алюминиевых электролитических конденсаторах и особенно в суперконденсаторах ограниченная проводимость жидких электролитов и
• диэлектрические потери от диэлектрической поляризации .

Наибольшая доля этих потерь в больших конденсаторах обычно приходится на частотно-зависимые омические диэлектрические потери. Для более мелких компонентов, особенно для влажных электролитических конденсаторов, проводимость жидких электролитов может превышать диэлектрические потери. Для измерения этих потерь необходимо задать частоту измерения. Поскольку коммерчески доступные компоненты предлагают значения емкости, охватывающие 15 порядков величины, в диапазоне от пФ (10−12 ^Ф  ) до примерно 1000 Ф в суперконденсаторах, невозможно охватить весь диапазон только одной частотой. IEC 60384-1 гласит, что омические потери следует измерять на той же частоте, которая используется для измерения емкости. Это:

• 100 кГц, 1 МГц (предпочтительно) или 10 МГц для неэлектролитических конденсаторов с C _R ≤ 1 нФ:
• 1 кГц или 10 кГц для неэлектролитических конденсаторов с 1 нФ < C _R ≤ 10 мкФ
• 100/120 Гц для электролитических конденсаторов
• 50/60 Гц или 100/120 Гц для неэлектролитических конденсаторов с C _R > 10 мкФ

Суммарные резистивные потери конденсатора могут быть указаны либо как ESR, либо как коэффициент рассеяния (DF, tan δ), либо как добротность (Q), в зависимости от требований применения.

Конденсаторы с более высокими пульсирующими токовыми  нагрузками, такие как электролитические конденсаторы, указаны с эквивалентным последовательным сопротивлением ESR. ESR может быть показано как омическая часть на приведенной выше векторной диаграмме. Значения ESR указаны в технических описаниях для каждого типа. ${\displaystyle I_{R}}$

Потери пленочных конденсаторов и некоторых керамических конденсаторов класса 2 в основном определяются с помощью коэффициента рассеяния tan δ. Эти конденсаторы имеют меньшие потери, чем электролитические конденсаторы, и в основном используются на более высоких частотах до нескольких сотен МГц. Однако численное значение коэффициента рассеяния, измеренное на той же частоте, не зависит от значения емкости и может быть указано для серии конденсаторов с диапазоном емкости. Коэффициент рассеяния определяется как тангенс реактивного сопротивления ( ) и ESR и может быть показан как угол δ между мнимой и осью импеданса. ${\displaystyle X_{C}-X_{L}}$

Если индуктивность  мала, коэффициент рассеяния можно приблизительно рассчитать следующим образом: ${\displaystyle ESL}$

${\displaystyle \tan \delta =ESR\cdot \omega C}$

Конденсаторы с очень низкими потерями, такие как керамические конденсаторы класса 1 и класса 2, определяют резистивные потери с помощью добротности (Q). Керамические конденсаторы класса 1 особенно подходят для LC-резонансных схем с частотами до диапазона ГГц и точных фильтров верхних и нижних частот. Для электрически резонансной системы Q представляет собой эффект электрического сопротивления и характеризует полосу пропускания резонатора относительно его центральной или резонансной частоты . Q определяется как обратная величина коэффициента рассеяния. ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle f_{0}}$

${\displaystyle Q={\frac {1}{\tan \delta }}={\frac {f_{0}}{B}}\ }$

Высокое значение добротности является для резонансных контуров признаком качества резонанса.

Ограничение токовых нагрузок

Конденсатор может действовать как резистор переменного тока, соединяя переменное напряжение и переменный ток между двумя точками. Каждый переменный ток, протекающий через конденсатор, генерирует тепло внутри корпуса конденсатора. Эти потери рассеиваемой мощности вызваны и являются квадратом эффективного (RMS) тока ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle ESR}$ ${\displaystyle I}$

${\displaystyle P=I^{2}\cdot ESR}$

Эту же потерю мощности можно записать с коэффициентом рассеяния как ${\displaystyle \tan \delta }$

${\displaystyle P={\frac {U^{2}\cdot \tan \delta }{2\pi f\cdot C}}}$

Внутреннее генерируемое тепло должно быть распределено в окружающую среду. Температура конденсатора, которая устанавливается на основе баланса между вырабатываемым и распределяемым теплом, не должна превышать максимальную указанную температуру конденсатора. Таким образом, ESR или коэффициент рассеяния является отметкой максимальной мощности (переменная нагрузка, пульсирующий ток, импульсная нагрузка и т. д.), для которой указан конденсатор.

Переменный ток может быть:

• пульсирующий ток — эффективный (среднеквадратический) переменный ток, возникающий из-за наложения переменного напряжения на постоянное смещение,
• импульсный ток — переменный пиковый ток, возникающий из-за пика напряжения или
• Переменный ток — эффективный (среднеквадратический) синусоидальный ток

Пульсация и переменный ток в основном нагревают корпус конденсатора. Внутренняя температура, создаваемая этими токами, влияет на напряжение пробоя диэлектрика. Более высокая температура снижает стойкость всех конденсаторов к напряжению. В мокрых электролитических конденсаторах более высокие температуры вызывают испарение электролитов, сокращая срок службы конденсаторов. В пленочных конденсаторах более высокие температуры могут сжимать пластиковую пленку, изменяя свойства конденсатора.

Импульсные токи, особенно в металлизированных пленочных конденсаторах, нагревают контактные области между концевым распылением (schoopage) и металлизированными электродами. Это может ухудшить контакт с электродами, увеличивая коэффициент рассеивания.

Для безопасной эксплуатации максимальная температура, создаваемая любым переменным током, протекающим через конденсатор, является ограничивающим фактором, который, в свою очередь, ограничивает нагрузку переменного тока, пульсирующий ток, импульсную нагрузку и т. д.

Пульсирующий ток

«Пульсирующий ток» — это среднеквадратичное значение наложенного переменного тока любой частоты и любой формы кривой тока для непрерывной работы при указанной температуре. Он возникает в основном в источниках питания (включая импульсные источники питания ) после выпрямления переменного напряжения и протекает как ток заряда и разряда через развязывающий или сглаживающий конденсатор. «Номинальный пульсирующий ток» не должен превышать повышение температуры на 3, 5 или 10 °C, в зависимости от типа конденсатора, при указанной максимальной температуре окружающей среды.

Пульсирующий ток генерирует тепло внутри корпуса конденсатора из-за ESR конденсатора. Компонентами ESR конденсатора являются: диэлектрические потери, вызванные изменением напряженности поля в диэлектрике, сопротивление проводника питания и сопротивление электролита. Для электрического двухслойного конденсатора (ELDC) эти значения сопротивления могут быть получены из графика Найквиста комплексного импеданса конденсатора. ^[51]

ESR зависит от частоты и температуры. Для керамических и пленочных конденсаторов ESR обычно уменьшается с ростом температуры, но увеличивается с более высокими частотами из-за увеличения диэлектрических потерь. Для электролитических конденсаторов примерно до 1 МГц ESR уменьшается с ростом частоты и температуры.

Типы конденсаторов, используемых для силовых приложений, имеют указанное номинальное значение максимального пульсирующего тока. Это в основном алюминиевые электролитические конденсаторы, а также танталовые, а также некоторые пленочные конденсаторы и керамические конденсаторы класса 2.

Алюминиевые электролитические конденсаторы, наиболее распространенный тип для блоков питания, имеют меньший срок службы при более высоких токах пульсации. Превышение предела, как правило, приводит к взрывному отказу.

Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом из диоксида марганца также ограничены пульсирующим током. Превышение их пределов пульсации приводит к коротким замыканиям и сгоранию компонентов.

Для пленочных и керамических конденсаторов, обычно имеющих коэффициент потерь tan δ, предел пульсирующего тока определяется повышением температуры в корпусе примерно на 10 °C. Превышение этого предела может разрушить внутреннюю структуру и вызвать короткие замыкания.

Импульсный ток

Номинальная импульсная нагрузка для определенного конденсатора ограничена номинальным напряжением, частотой повторения импульсов, температурным диапазоном и временем нарастания импульса. «Время нарастания импульса» представляет собой самый крутой градиент напряжения импульса (время нарастания или спада) и выражается в вольтах на мкс (В/мкс). ${\displaystyle dv/dt}$

Номинальное время нарастания импульса также косвенно является максимальной мощностью применимого пикового тока . Пиковый ток определяется как: ${\displaystyle I_{p}}$

${\displaystyle I_{p}=C\cdot dv/dt}$

где: в А; в мкФ; в В/мкс ${\displaystyle I_{p}}$ ${\displaystyle C}$ ${\displaystyle dv/dt}$

Допустимая мощность импульсного тока металлизированного пленочного конденсатора обычно допускает повышение внутренней температуры на 8–10 К.

В случае металлизированных пленочных конденсаторов импульсная нагрузка зависит от свойств диэлектрического материала, толщины металлизации и конструкции конденсатора, особенно конструкции контактных зон между торцевым распылением и металлизированными электродами. Высокие пиковые токи могут привести к избирательному перегреву локальных контактов между торцевым распылением и металлизированными электродами, что может разрушить некоторые из контактов, что приведет к увеличению ESR.

Для металлизированных пленочных конденсаторов так называемые импульсные испытания имитируют импульсную нагрузку, которая может возникнуть во время применения, согласно стандартной спецификации. IEC 60384 часть 1 определяет, что испытательная схема заряжается и разряжается прерывисто. Испытательное напряжение соответствует номинальному постоянному напряжению, а испытание включает 10000 импульсов с частотой повторения 1 Гц. Устойчивость к импульсному напряжению — это время нарастания импульса. Номинальное время нарастания импульса указывается как 1/10 времени нарастания испытательного импульса.

Импульсная нагрузка должна быть рассчитана для каждого приложения. Общее правило расчета мощности, передаваемой пленочным конденсаторам, недоступно из-за внутренних деталей конструкции, связанных с поставщиком. Чтобы предотвратить перегрев конденсатора, необходимо учитывать следующие рабочие параметры:

• пиковый ток на мкФ
• Время нарастания или спада импульса dv/dt в В/мкс
• относительная длительность периодов заряда и разряда (форма импульса)
• максимальное импульсное напряжение (пиковое напряжение)
• пиковое обратное напряжение;
• Частота повторения импульса
• Температура окружающей среды
• Рассеивание тепла (охлаждение)

Более длительное время нарастания импульса допускается при напряжении импульса ниже номинального.

Примеры расчетов индивидуальных импульсных нагрузок приведены многими производителями, например, WIMA ^[52] и Kemet. ^[53]

Переменный ток

Предельные условия для конденсаторов, работающих с нагрузками переменного тока

К неполяризованному конденсатору можно применять только нагрузку переменного тока. Конденсаторы для переменного тока — это в основном пленочные конденсаторы, металлизированные бумажные конденсаторы, керамические конденсаторы и биполярные электролитические конденсаторы.

Номинальная нагрузка переменного тока для конденсатора переменного тока — это максимальный синусоидальный эффективный переменный ток (rms), который может быть непрерывно приложен к конденсатору в указанном диапазоне температур. В технических характеристиках нагрузка переменного тока может быть выражена как

• номинальное напряжение переменного тока на низких частотах,
• номинальная реактивная мощность на промежуточных частотах,
• пониженное напряжение переменного тока или номинальный переменный ток на высоких частотах.

Типичные кривые среднеквадратичного переменного напряжения в зависимости от частоты для 4 различных значений емкости серии пленочных конденсаторов 63 В постоянного тока

Номинальное напряжение переменного тока для пленочных конденсаторов обычно рассчитывается таким образом, что внутреннее повышение температуры на 8–10 К является допустимым пределом для безопасной эксплуатации. Поскольку диэлектрические потери увеличиваются с ростом частоты, указанное напряжение переменного тока должно быть снижено на более высоких частотах. В технических описаниях пленочных конденсаторов указаны специальные кривые для снижения напряжений переменного тока на более высоких частотах.

Если пленочные или керамические конденсаторы имеют спецификацию только постоянного тока, пиковое значение приложенного переменного напряжения должно быть ниже указанного постоянного напряжения.

Нагрузки переменного тока могут возникать в конденсаторах двигателя переменного тока, для удвоения напряжения, в снабберах , балластах освещения и для PFC для сдвига фаз с целью повышения стабильности и эффективности сети передачи, что является одним из важнейших применений для больших силовых конденсаторов. Эти в основном большие конденсаторы из полипропиленовой пленки или металлизированной бумаги ограничены номинальной реактивной мощностью VAr.

Биполярные электролитические конденсаторы, к которым может применяться переменное напряжение, имеют номинальный ток пульсации.

Сопротивление изоляции и постоянная саморазряда

Сопротивление диэлектрика конечно, что приводит к некоторому уровню постоянного «тока утечки» , который заставляет заряженный конденсатор со временем терять заряд. Для керамических и пленочных конденсаторов это сопротивление называется «сопротивлением изоляции R _ins ». Это сопротивление представлено резистором R _ins, включенным параллельно конденсатору в последовательной эквивалентной цепи конденсаторов. Сопротивление изоляции не следует путать с внешней изоляцией компонента по отношению к окружающей среде.

Временная кривая саморазряда по сопротивлению изоляции при уменьшении напряжения конденсатора подчиняется формуле

${\displaystyle u(t)=U_{0}\cdot \mathrm {e} ^{-t/\tau _{\mathrm {s} }},}$

С сохраненным постоянным напряжением  и постоянной саморазряда ${\displaystyle U_{0}}$

${\displaystyle \tau _{\mathrm {s} }=R_{\mathrm {ins} }\cdot C}$

Таким образом, после падения  напряжения  до 37% от первоначального значения. ${\displaystyle \tau _{\mathrm {s} }\,}$ ${\displaystyle U_{0}}$

Постоянная саморазряда является важным параметром для изоляции диэлектрика между электродами керамических и пленочных конденсаторов. Например, конденсатор может использоваться в качестве времяопределяющего компонента для реле времени или для хранения значения напряжения, как в схемах выборки и хранения или операционных усилителях .

Керамические конденсаторы класса 1 имеют сопротивление изоляции не менее 10 ГОм, в то время как конденсаторы класса 2 имеют не менее 4 ГОм или постоянную саморазряда не менее 100 с. Пластиковые пленочные конденсаторы обычно имеют сопротивление изоляции от 6 до 12 ГОм. Это соответствует конденсаторам в диапазоне мкФ с постоянной саморазряда около 2000–4000 с. ^[54]

Сопротивление изоляции, соответственно, константа саморазряда могут быть уменьшены, если в обмотку проникает влага. Оно частично сильно зависит от температуры и уменьшается с ростом температуры. Оба уменьшаются с ростом температуры.

В электролитических конденсаторах сопротивление изоляции определяется как ток утечки.

Ток утечки

общее поведение утечки электролитических конденсаторов: ток утечки как функция времени для различных видов электролитов ${\displaystyle I_{leak}}$ ${\displaystyle t}$

  не твердый, с высоким содержанием воды

  не твердый, органический

  твердый, полимерный

Для электролитических конденсаторов сопротивление изоляции диэлектрика называется «током утечки». Этот постоянный ток представлен резистором R _leak параллельно конденсатору в последовательной эквивалентной цепи электролитических конденсаторов. Это сопротивление между клеммами конденсатора также конечно. R _leak ниже для электролитических, чем для керамических или пленочных конденсаторов.

Ток утечки включает в себя все слабые дефекты диэлектрика, вызванные нежелательными химическими процессами и механическими повреждениями. Это также постоянный ток, который может проходить через диэлектрик после приложения напряжения. Он зависит от интервала без приложения напряжения (времени хранения), термического напряжения от пайки, от приложенного напряжения, от температуры конденсатора и от времени измерения.

Ток утечки падает в первые минуты после подачи постоянного напряжения. В этот период диэлектрический оксидный слой может самостоятельно восстанавливать слабые места, создавая новые слои. Требуемое время в целом зависит от электролита. Твердые электролиты падают быстрее, чем нетвердые электролиты, но остаются на несколько более высоком уровне.

Ток утечки в нетвердых электролитических конденсаторах, а также в оксидно-марганцевых твердых танталовых конденсаторах уменьшается со временем подключения к напряжению из-за эффектов самовосстановления. Хотя ток утечки электролитических конденсаторов выше, чем ток, протекающий через сопротивление изоляции в керамических или пленочных конденсаторах, саморазряд современных нетвердых электролитических конденсаторов занимает несколько недель.

Особой проблемой электролитических конденсаторов является время хранения. Более высокий ток утечки может быть результатом более длительного времени хранения. Такое поведение ограничено электролитами с высоким процентным содержанием воды. Органические растворители, такие как ГБЛ, не имеют высокой утечки при более длительном времени хранения.

Ток утечки обычно измеряется через 2 или 5 минут после подачи номинального напряжения.

Микрофоника

Все сегнетоэлектрические материалы проявляют пьезоэлектрический эффект . Поскольку керамические конденсаторы класса 2 используют диэлектрик из сегнетоэлектрической керамики, эти типы конденсаторов могут иметь электрические эффекты, называемые микрофоникой . Микрофоника (микрофония) описывает, как электронные компоненты преобразуют механические колебания в нежелательный электрический сигнал ( шум ). ^[55] Диэлектрик может поглощать механические силы от ударов или вибрации, изменяя толщину и изменяя разделение электродов, влияя на емкость, которая, в свою очередь, индуцирует переменный ток. Результирующие помехи особенно проблематичны в аудиоприложениях, потенциально вызывая обратную связь или непреднамеренную запись.

При обратном микрофонном эффекте изменение электрического поля между пластинами конденсатора оказывает физическую силу, превращая их в аудиодинамик. Сильные импульсные нагрузки тока или высокие пульсирующие токи могут генерировать слышимый звук от самого конденсатора, истощая энергию и напрягая диэлектрик. ^[56]

Диэлектрическая абсорбция (пропитывание)

Диэлектрическая абсорбция происходит, когда конденсатор, который оставался заряженным в течение длительного времени, разряжается только не полностью при кратковременной разрядке. Хотя идеальный конденсатор достиг бы нуля вольт после разрядки, реальные конденсаторы вырабатывают небольшое напряжение из-за задержанной во времени дипольной разрядки, явления, которое также называется диэлектрической релаксацией , «пропитыванием» или «действием батареи».

Во многих применениях конденсаторов диэлектрическая абсорбция не является проблемой, но в некоторых применениях, таких как интеграторы с большой постоянной времени , схемы выборки и хранения , аналого-цифровые преобразователи с переключаемыми конденсаторами и фильтры с очень низким искажением , конденсатор не должен восстанавливать остаточный заряд после полной разрядки, поэтому указаны конденсаторы с низким поглощением. ^[59] Напряжение на клеммах, создаваемое диэлектрической абсорбцией, в некоторых случаях может вызвать проблемы в работе электронной схемы или может представлять угрозу безопасности для персонала. Для предотвращения ударов током большинство очень больших конденсаторов поставляются с закорачивающими проводами, которые необходимо удалить перед использованием. ^[60]

Плотность энергии

Значение емкости зависит от материала диэлектрика (ε), поверхности электродов (A) и расстояния (d) между электродами и определяется формулой плоского конденсатора:

${\displaystyle C\approx {\frac {\varepsilon A}{d}}}$

Разделение электродов и устойчивость диэлектрического материала к напряжению определяют пробивное напряжение конденсатора. Пробивное напряжение пропорционально толщине диэлектрика.

Теоретически, если взять два конденсатора с одинаковыми механическими размерами и диэлектриком, но один из них имеет половину толщины диэлектрика. При тех же размерах этот конденсатор может поместить в два раза большую площадь параллельной пластины. Этот конденсатор теоретически имеет в 4 раза большую емкость, чем первый конденсатор, но половину стойкости к напряжению.

Поскольку плотность энергии, запасенной в конденсаторе, определяется по формуле:

${\displaystyle E_{\mathrm {stored} }={\frac {1}{2}}CV^{2},}$

Таким образом, конденсатор с диэлектриком в два раза тоньше другого, имеет в 4 раза большую емкость, но при этом выдерживает 1 ⁄ 2 напряжения, что обеспечивает такую ​​же максимальную плотность энергии.

Таким образом, толщина диэлектрика не влияет на плотность энергии внутри конденсатора фиксированных габаритных размеров. Использование нескольких толстых слоев диэлектрика может поддерживать высокое напряжение, но низкую емкость, в то время как тонкие слои диэлектрика создают низкое напряжение пробоя, но более высокую емкость.

Это предполагает, что ни поверхности электродов, ни диэлектрическая проницаемость диэлектрика не изменяются с напряжением. Простое сравнение с двумя существующими сериями конденсаторов может показать, соответствует ли реальность теории. Сравнение легко, поскольку производители используют стандартизированные размеры корпусов или коробок для различных значений емкости/напряжения в пределах серии.

В действительности современные серии конденсаторов не соответствуют теории. Для электролитических конденсаторов губчатая шероховатая поверхность анодной фольги становится более гладкой с более высокими напряжениями, уменьшая площадь поверхности анода. Но поскольку энергия увеличивается квадратично с напряжением, а поверхность анода уменьшается меньше, чем сопротивление напряжению, плотность энергии явно увеличивается. Для пленочных конденсаторов диэлектрическая проницаемость изменяется с толщиной диэлектрика и другими механическими параметрами, так что отклонение от теории имеет другие причины. ^[63]

Сравнение конденсаторов из таблицы с суперконденсатором, семейством конденсаторов с самой высокой плотностью энергии. Для этого конденсатор 25 Ф/2,3 В с размерами D × H = 16 мм × 26 мм от Maxwell HC Series, сравнивается с электролитическим конденсатором примерно такого же размера в таблице. Этот суперконденсатор имеет примерно в 5000 раз большую емкость, чем электролитический конденсатор 4700/10, но в 1 ⁄ 4 раза меньше напряжения и имеет около 66 000 мВт (0,018 Вт·ч) запасенной электрической энергии, ^[64] примерно в 100 раз большую плотность энергии (от 40 до 280 раз), чем электролитический конденсатор.

Долгосрочное поведение, старение

Электрические параметры конденсаторов могут изменяться с течением времени в процессе хранения и применения. Причины изменения параметров различны, это может быть свойство диэлектрика, влияние окружающей среды, химические процессы или эффекты высыхания для нетвердых материалов.

Старение

Старение различных керамических конденсаторов класса 2 по сравнению с керамическим конденсатором класса NP0 1

В сегнетоэлектрических керамических конденсаторах класса 2 емкость со временем уменьшается. Такое поведение называется «старением». Это старение происходит в сегнетоэлектрических диэлектриках, где домены поляризации в диэлектрике вносят вклад в общую поляризацию. Деградация поляризованных доменов в диэлектрике уменьшает диэлектрическую проницаемость и, следовательно, емкость со временем. ^{[65] [66]} Старение следует логарифмическому закону. Это определяет уменьшение емкости как постоянный процент в течение десятилетия после времени восстановления пайки при определенной температуре, например, в период от 1 до 10 часов при 20 °C. Поскольку закон является логарифмическим, процентная потеря емкости будет в два раза между 1 ч и 100 ч и в 3 раза между 1 ч и 1000 ч и так далее. Старение происходит быстрее всего вблизи начала, и абсолютное значение емкости стабилизируется с течением времени.

Скорость старения керамических конденсаторов класса 2 в основном зависит от его материалов. Как правило, чем выше температурная зависимость керамики, тем выше процент старения. Типичное старение керамических конденсаторов X7R составляет около 2,5% за десятилетие. ^[67] Скорость старения керамических конденсаторов Z5U значительно выше и может достигать 7% за десятилетие.

Процесс старения керамических конденсаторов класса 2 можно обратить вспять, нагрев компонент выше точки Кюри .

Керамические конденсаторы класса 1 и пленочные конденсаторы не имеют старения, связанного с сегнетоэлектриками. Влияние окружающей среды, такое как высокая температура, высокая влажность и механическое напряжение, может в течение длительного периода привести к небольшому необратимому изменению значения емкости, иногда называемому старением.

Изменение емкости для керамических конденсаторов класса 1 P 100 и N 470 составляет менее 1%, для конденсаторов с керамикой N 750 - N 1500 оно составляет ≤ 2%. Пленочные конденсаторы могут терять емкость из-за процессов самовосстановления или приобретать ее из-за воздействия влажности. Типичные изменения за 2 года при 40 °C составляют, например, ±3% для пленочных конденсаторов PE и ±1% для пленочных конденсаторов PP.

Продолжительность жизни

Электрические значения электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом со временем изменяются из-за испарения электролита. Достигнув заданных пределов параметров, конденсаторы будут считаться «отказом из-за износа».

Электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом стареют по мере испарения электролита. Это испарение зависит от температуры и текущей нагрузки, которую испытывают конденсаторы. Утечка электролита влияет на емкость и ESR. Емкость уменьшается, а ESR увеличивается со временем. В отличие от керамических, пленочных и электролитических конденсаторов с твердым электролитом, «мокрые» электролитические конденсаторы достигают определенного «конца жизни», достигая определенного максимального изменения емкости или ESR. Конец жизни, «срок службы под нагрузкой» или «срок службы» можно оценить либо по формуле или диаграммам ^[68], либо примерно по так называемому «закону 10 градусов». Типичная спецификация для электролитического конденсатора указывает срок службы 2000 часов при 85 °C, удваиваясь на каждые 10 градусов ниже температуры, достигая срока службы приблизительно 15 лет при комнатной температуре.

Суперконденсаторы также испытывают испарение электролита с течением времени. Оценка аналогична оценке для конденсаторов с мокрым электролитом. Помимо температуры, на срок службы влияют напряжение и токовая нагрузка. Более низкое напряжение, чем номинальное напряжение, и более низкие токовые нагрузки, а также более низкая температура продлевают срок службы.

Коэффициент отказов

Срок службы (срок службы) конденсаторов соответствует времени постоянной случайной интенсивности отказов, показанной на кривой U-образной формы . Для электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом и суперконденсаторов этот срок заканчивается с началом отказов из-за испарения электролита.

Конденсаторы — это надежные компоненты с низким уровнем отказов , достигающие ожидаемого срока службы в десятилетия при нормальных условиях. Большинство конденсаторов проходят испытание в конце производства, похожее на « обжиг », так что ранние отказы обнаруживаются в процессе производства, что снижает количество отказов после отгрузки.

Надежность конденсаторов обычно указывается в количестве отказов за время (FIT) в течение периода постоянных случайных отказов. FIT — это количество отказов, которое можно ожидать за один миллиард (10 ⁹ ) часов работы компонента при фиксированных рабочих условиях (например, 1000 устройств в течение 1 миллиона часов или 1 миллион устройств в течение 1000 часов каждое при 40 °C и 0,5 U _R ). Для других условий приложенного напряжения, токовой нагрузки, температуры, механических воздействий и влажности FIT можно пересчитать с использованием терминов, стандартизированных для промышленного ^[69] или военного ^[70] контекста.

Дополнительная информация

Пайка

Конденсаторы могут испытывать изменения электрических параметров из-за воздействия окружающей среды, например, пайки, механических факторов напряжения (вибрации, ударов) и влажности. Наибольшим фактором напряжения является пайка. Тепло паяльной ванны, особенно для конденсаторов SMD, может привести к изменению контактного сопротивления между клеммами и электродами керамических конденсаторов; в пленочных конденсаторах пленка может сжиматься, а в конденсаторах с влажным электролитом может кипеть электролит. Период восстановления позволяет стабилизировать характеристики после пайки; для некоторых типов может потребоваться до 24 часов. Некоторые свойства могут необратимо измениться на несколько процентов после пайки.

Электролитическое поведение из-за хранения или неиспользования

Электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом «стареют» во время производства, прикладывая номинальное напряжение при высокой температуре в течение достаточного времени для устранения всех трещин и слабых мест, которые могли возникнуть во время производства. Некоторые электролиты с высоким содержанием воды довольно агрессивно или даже бурно реагируют с незащищенным алюминием. Это приводит к проблеме «хранения» или «неиспользования» электролитических конденсаторов, произведенных до 1980-х годов. Химические процессы ослабляют оксидный слой, когда эти конденсаторы не используются слишком долго, что приводит к выходу из строя или плохой работе, такой как чрезмерная утечка. Новые электролиты с «ингибиторами» или «пассиваторами» были разработаны в 1980-х годах для уменьшения этой проблемы. ^{[71] [72]}

«Предварительная подготовка» может быть рекомендована для электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом, даже тех, которые были произведены недавно, которые не использовались в течение длительного периода. При предварительной подготовке напряжение прикладывается к конденсатору, и через конденсатор пропускается намеренно ограниченный ток. Подача ограниченного тока через конденсатор восстанавливает оксидные слои, поврежденные в период простоя. Приложенное напряжение ниже или равно номинальному напряжению конденсатора. Ток может быть ограничен с помощью, например, последовательного резистора. Предварительная подготовка прекращается, как только ток утечки становится ниже некоторого приемлемого уровня при желаемом напряжении. По состоянию на 2015 год один из производителей указывает, что предварительная подготовка может быть полезно проведена для конденсаторов с нетвердым электролитом, которые находились на хранении более 1–10 лет, максимальный срок хранения зависит от типа конденсатора. ^[73]

Стандарты МЭК/EN

Испытания и требования, которым должны соответствовать конденсаторы, предназначенные для использования в электронном оборудовании с целью одобрения в качестве стандартизированных типов, изложены в общей спецификации IEC / EN 60384–1 в следующих разделах. ^[74]

Общая спецификация

• IEC/EN 60384-1 — Конденсаторы постоянной емкости для использования в электронном оборудовании

Керамические конденсаторы

• IEC/EN 60384-8 — Конденсаторы постоянной емкости из керамического диэлектрика, класс 1
• IEC/EN 60384-9 — Конденсаторы постоянной емкости с керамическим диэлектриком, класс 2
• IEC/EN 60384-21 — Многослойные конденсаторы фиксированной емкости для поверхностного монтажа из керамического диэлектрика, класс 1
• IEC/EN 60384-22 — Многослойные конденсаторы фиксированной емкости для поверхностного монтажа из керамического диэлектрика, класс 2

Пленочные конденсаторы

• IEC/EN 60384-2 — Конденсаторы постоянного тока с фиксированной емкостью и диэлектриком из металлизированной полиэтилентерефталатной пленки
• IEC/EN 60384-11 — Фиксированные полиэтилентерефталатные пленочные диэлектрические металлофольгированные конденсаторы постоянного тока
• IEC/EN 60384-13 — Фиксированные полипропиленовые пленочные диэлектрические металлофольгированные конденсаторы постоянного тока
• IEC/EN 60384-16 — Конденсаторы постоянного тока с фиксированной емкостью и диэлектриком из металлизированной полипропиленовой пленки
• IEC/EN 60384-17 — Фиксированная металлизированная полипропиленовая пленка диэлектрическая переменного тока и импульсная
• IEC/EN 60384-19 — Конденсаторы постоянного тока с фиксированной диэлектрической емкостью для поверхностного монтажа на основе металлизированной полиэтилентерефталатной пленки
• IEC/EN 60384-20 — Фиксированные конденсаторы постоянного тока с диэлектриком для поверхностного монтажа из металлизированной полифениленсульфидной пленки
• IEC/EN 60384-23 — Фиксированные диэлектрические чип-конденсаторы постоянного тока с металлизированной полиэтиленнафталатной пленкой

Электролитические конденсаторы

• IEC/EN 60384-3 — Поверхностные фиксированные танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом на основе диоксида марганца
• IEC/EN 60384-4 — Алюминиевые электролитические конденсаторы с твердым (MnO2) и нетвердым электролитом
• IEC/EN 60384-15 — конденсаторы танталовые постоянной емкости с нетвердым и твердым электролитом
• IEC/EN 60384-18 — Алюминиевые электролитические конденсаторы фиксированной емкости для поверхностного монтажа с твердым (MnO ₂ ) и нетвердым электролитом
• IEC/EN 60384-24 — Конденсаторы танталовые электролитические фиксированной емкости для поверхностного монтажа с твердым электролитом из проводящего полимера
• IEC/EN 60384-25 — Алюминиевые электролитические конденсаторы фиксированной емкости для поверхностного монтажа с твердым электролитом из проводящего полимера
• IEC/EN 60384-26- Конденсаторы электролитические алюминиевые фиксированной емкости с твердым электролитом из проводящего полимера

Суперконденсаторы

• IEC/EN 62391-1 — Конденсаторы электрические двухслойные постоянной емкости для использования в электрическом и электронном оборудовании. Часть 1. Общие технические условия.
• IEC/EN 62391-2 — Конденсаторы электрические двухслойные постоянной емкости для использования в электронном оборудовании. Часть 2. Групповые технические условия. Конденсаторы электрические двухслойные для применения в силовых цепях.

Символы конденсаторов

Символы конденсаторов

Маркировки

Отпечатано

Конденсаторы, как и большинство других электронных компонентов, и если есть достаточно места, имеют отпечатанную маркировку, указывающую производителя, тип, электрические и тепловые характеристики, а также дату изготовления. Если они достаточно большие, конденсатор маркируется:

• наименование или товарный знак производителя;
• обозначение типа изготовителя;
• полярность выводов (для полярных конденсаторов)
• номинальная емкость;
• допуск на номинальную емкость
• Номинальное напряжение и вид питания (переменный или постоянный ток)
• климатическая категория или номинальная температура;
• год и месяц (или неделя) изготовления;
• сертификационные знаки стандартов безопасности (для конденсаторов безопасности EMI/RFI)

Поляризованные конденсаторы имеют маркировку полярности, обычно это знак "−" (минус) на стороне отрицательного электрода для электролитических конденсаторов или полоска или знак "+" (плюс), см. #Маркировка полярности. Кроме того, отрицательный вывод для свинцовых "мокрых" электронных конденсаторов обычно короче.

Для меньших конденсаторов используется сокращенная запись. Наиболее часто используемый формат: XYZ J/K/M VOLTS V, где XYZ представляет емкость (рассчитывается как XY × 10 ^Z пФ), буквы J, K или M указывают на допуск (±5%, ±10% и ±20% соответственно), а VOLTS V представляет рабочее напряжение.

Примеры:

• 105K 330 В подразумевает емкость 10 × 10 ⁵ пФ = 1 мкФ (K = ±10%) при рабочем напряжении 330 В.
• 473M 100 В подразумевает емкость 47 × 10 ³ пФ = 47 нФ (M = ±20%) при рабочем напряжении 100 В.

Емкость, допуск и дата изготовления могут быть указаны с помощью сокращенного кода, указанного в IEC/EN 60062. Примеры сокращенной маркировки номинальной емкости (микрофарад): μ47 = 0,47 мкФ, 4μ7 = 4,7 мкФ, 47μ = 47 мкФ

Дата изготовления часто печатается в соответствии с международными стандартами.

• Версия 1: кодирование с помощью числового кода года/недели, «1208» означает «2012, номер недели 8».
• Версия 2: кодирование с кодом года/кодом месяца. Коды года: "R" = 2003, "S" = 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010, "B" = 2011, "C" = 2012, "D" = 2013 и т. д. Коды месяцев: "1" - "9" = янв. - сентябрь, "O" = октябрь, "N" = ноябрь, "D" = декабрь. "X5" тогда "2009, май"

Для очень маленьких конденсаторов, таких как чипы MLCC, маркировка невозможна. Здесь только прослеживаемость производителей может гарантировать идентификацию типа.

Цветовая кодировка

По состоянию на 2013 год ^[update]конденсаторы не имеют цветовой кодировки.

Маркировка полярности

• Маркировка полярности
• 
• 

Алюминиевые электронные конденсаторы с нетвердым электролитом имеют маркировку полярности на катодной ( минусовой ) стороне. Алюминиевые, танталовые и ниобиевые электронные конденсаторы с твердым электролитом имеют маркировку полярности на анодной ( плюсовой ) стороне. Суперконденсаторы имеют маркировку на минусовой стороне.

Подробности маркировки полярности

• 
  Прямоугольные полимерные конденсаторы , как танталовые, так и алюминиевые, имеют маркировку полярности на анодной ( плюсовой ) стороне.
• 
  Цилиндрические полимерные конденсаторы имеют маркировку полярности на катодной ( минусовой ) стороне.
• 
  Суперконденсаторы маркируются на катодной ( минусовой ) стороне.

Сегменты рынка

Дискретные конденсаторы сегодня являются промышленными продуктами, производимыми в очень больших количествах для использования в электронном и электрическом оборудовании. В глобальном масштабе рынок фиксированных конденсаторов оценивался в 18 миллиардов долларов США в 2008 году за 1400 миллиардов (1,4 × 10 ¹² ) штук. ^[75] На этом рынке доминируют керамические конденсаторы с оценкой приблизительно в один триллион (1 × 10 ¹² ) штук в год. ^[76]

Подробные оценочные данные по стоимости основных семейств конденсаторов следующие:

• Керамические конденсаторы — 8,3 млрд долларов США (46%);
• Алюминиевые электролитические конденсаторы — 3,9 млрд долларов США (22%);
• Пленочные конденсаторы и бумажные конденсаторы — 2,6 млрд долларов США (15%);
• Танталовые электролитические конденсаторы — 2,2 млрд долларов США (12%);
• Суперконденсаторы ( двухслойные конденсаторы ) — 0,3 млрд долларов США (2%); и
• Другие, такие как серебряная слюда и вакуумные конденсаторы — 0,7 млрд долларов США (3%).

Все остальные типы конденсаторов незначительны по стоимости и количеству по сравнению с вышеуказанными типами.

Смотрите также

• Портал электроники

• Проектирование схем
• Развязывающий конденсатор
• Список производителей конденсаторов

Ссылки

1. Адам Маркус Намисник (23 июня 2003 г.). "Обзор технологии электрохимических суперконденсаторов" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2014 г. . Получено 24.06.2011 .
2. WIMA, Характеристики металлизированных пленочных конденсаторов в сравнении с другими диэлектриками [1] Архивировано 05.11.2012 на Wayback Machine
3. "- TDK Europe – Общая техническая информация" (PDF) .
4. Томаш Карник, AVX, ОКСИД НИОБИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОНДЕНСАТОРОВ, МЕТАЛЛ 2008, 13. –15. 5. 2008, Градец-над-Моравици PDF. Архивировано 5 марта 2016 г. в Wayback Machine.
5. "Holystone, Сравнение диэлектриков конденсаторов, Техническое примечание 3" (PDF) .
6. P. Bettacchi, D. Montanari, D. Zanarini, D. Orioli, G. Rondelli, A. Sanua, KEMET Electronics Power Film Capacitors for Industrial Applications Архивировано 2014-03-02 на Wayback Machine
7. SP Murarka; Moshe Eisenberg; AK Sinha (2003), Межслойные диэлектрики для полупроводниковых технологий (на немецком языке), Academic Press, стр. 338–339, ISBN 9780125112215
8. Vishay. "Vishay - Конденсаторы - Класс безопасности RFI X/Y". www.vishay.com .
9. "Аттенюаторы X2Y - Дом" . www.x2y.com .
10. «Структура трехконтактного конденсатора, Мурата».
11. "Мурата, Структура трехконтактного конденсатора, № TE04EA-1.pdf 98.3.20" (PDF) .
12. "Vishay, Ceramic RF-Power Capacitors" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2019-07-13 . Получено 2012-12-14 .
13. Vishay. "Конденсаторы - RF Power". Vishay. Архивировано из оригинала 2012-08-14 . Получено 2013-03-09 .
14. Журнал пассивных компонентов, ноябрь/декабрь 2005 г., Ф. Якобс, стр. 29 и далее Полипропиленовая конденсаторная пленочная смола. Архивировано 04.03.2016 на Wayback Machine.
15. "Отчеты о конденсаторах | Отчеты о резисторах | Электронный анализ | Деннис Зогби | Paumanok Publications". Paumanokgroup.com. 2013-11-08 . Получено 2014-03-02 .
16. "Конденсаторы для подавления радиопомех (RFI) WIMA". www.wima.com .
17. "Конденсаторы WIMA Snubber". www.wima.com .
18. "Motor-Run Capacitors online". www.motor-runcapacitorsonline.com.
19. "Sorry, the requested page could not be found. - TDK Europe - EPCOS" (PDF). www.epcos.com.
20. Chenxi, Rizee (15 May 2014). "2017 Tendency For Electronic Components Market". www.wellpcb.com. WellPCB. Retrieved 29 May 2017.
21. U. Merker, K. Wussow, W. Lövenich, H. C. Starck GmbH, New Conducting Polymer Dispersions for Solid Electrolyte Capacitors, PDF Archived 2016-03-04 at the Wayback Machine
22. "CDE, Motor Start Capacitors" (PDF).
23. "Rubycon, Aluminum Electrolytic Capacitors for Strobe Flash" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2020-12-02. Retrieved 2012-12-14.
24. "Electrolytic Capacitors - FTCAP GmbH". www.ftcap.de.
25. B. E. Conway (1999). Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. Berlin: Springer. ISBN 978-0306457364. Retrieved November 21, 2014. see also Brian E. Conway in Electrochemistry Encyclopedia: Electrochemical Capacitors — Their Nature, Function and Applications Archived 2012-08-13 at the Wayback Machine
26. Marin S. Halper, James C. Ellenbogen (March 2006). Supercapacitors: A Brief Overview (PDF) (Technical report). MITRE Nanosystems Group. Retrieved 2013-04-02.
27. Frackowiak, Elzbieta; Béguin, François (2001). "Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors". Carbon. 39 (6): 937–950. doi:10.1016/S0008-6223(00)00183-4.
28. Sur, Ujjal Kumar (2012-01-27). Recent Trend in Electrochemical Science and Technology. ISBN 978-953-307-830-4.
29. "Elton". Archived from the original on 2013-06-23. Retrieved 2013-08-15.
30. "AC Safety Capacitors" Archived 2015-10-04 at the Wayback Machine.
31. "Across-the-line Capacitors, Antenna-coupling Components, Line-bypass Components and Fixed Capacitors for Use in Electronic Equipment". UL Online Certification Directory.
32. Douglas Edson and David Wadler. "A New Low ESR Fused Solid Tantalum Capacitor" Archived 2013-08-06 at the Wayback Machine.
33. ДеМатос, Х. «Проект внутреннего предохранителя для высокочастотного твердотельного танталового конденсатора». 1980. doi: 10.1109/TCHMT.1980.1135610
34. Тагаре. «Электрические силовые конденсаторы». 2001.
35. Хемант Джоши. «Жилые, коммерческие и промышленные электрические системы: оборудование и выбор». 2008. Раздел 21.2.1: «Внутренний предохранитель». С. 446.
36. "3D Silicon Capacitors". www.ipdia.com . Архивировано из оригинала 2019-07-01 . Получено 2012-12-14 .
37. Гарри Литхолл - SM0VPO. "Gimmick Capacitors" Архивировано 13 июня 2011 г. на Wayback Machine .
38. Даррен Эшби, Бонни Бейкер, Ян Хикман, Уолт Кестер, Роберт Пиз, Тим Уильямс, Боб Зейдман. «Проектирование схем: Знай все». 2011. С. 201.
39. Роберт А. Пиз. «Устранение неисправностей аналоговых цепей». 1991. С. 20.
40. Роберт А. Пиз. «Устранение неисправностей аналоговых цепей, часть 2: Правильное оборудование необходимо для эффективного устранения неисправностей». EDN 19 января 1989 г. стр. 163.
41. Дэвид Крайп NM0S и Four State QRP Group. «Инструкция по эксплуатации Cyclone 40: 40-метровый трансивер». 2013. стр. 17.
42. "Преимущества и недостатки полистирольных конденсаторов" . Получено 14 февраля 2016 г.
43. "Vishay, Танталовые конденсаторы с мокрым электролитом, Введение" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2015-05-13 . Получено 2012-12-14 .
44. Характеристики самовосстановления твердотельного электролитического конденсатора с полипиррольным электролитом, Ямамото Хидео [2]
45. "ДРИЛКО, SL - ИНИЦИО" (PDF) . www.electrico.drilco.net .^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
46. "AVX, Характеристики производительности многослойных стеклянных конденсаторов" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2015-09-23 . Получено 2012-12-14 .
47. Мурата: Основы конденсаторов, урок 2 Включает график, показывающий импеданс как функцию частоты для различных типов конденсаторов; электролитические являются единственными, у которых большая составляющая обусловлена ​​ESR.
48. Vishay. "Vishay - Vishay представляет первый кремниевый ВЧ-конденсатор для поверхностного монтажа в корпусе размером 0603". www.vishay.com .
49. Инфотех, Адитья. «Чип-слюдяные конденсаторы — Simic Electronic». www.simicelectronics.com .
50. "AVX, NP0, 1000 pF 100 V, 0805, Q >= 1000 (1 MHz)" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2012-12-24. Retrieved 2012-12-14.
51. Mei, Munteshari, Lau, Dunn, and Pilon. "Physical Interpretations of Nyquist Plots for ELDC Electrodes and Devices" (PDF). Retrieved 2021-02-04.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) J. Phys. Chem. C 2018, 122, 194−206
52. "WIMA". www.wima.de. Archived from the original on 2012-11-05. Retrieved 2012-12-14.
53. "General Information DC Film Capacitors" (PDF). www.kemet.com.
54. "WIMA". www.wima.de. Archived from the original on 2012-11-04. Retrieved 2012-12-14.
55. "Capacitors for Reduced Micro phonics and Sound Emission" (PDF). www.kemet.com. Archived from the original (PDF) on 2019-04-02. Retrieved 2017-06-02.
56. Are your military ceramic capacitors subject to the piezoelectric effect? Archived June 19, 2012, at the Wayback Machine
57. "Kemet, Polymer Tantalum Chip Capacitors" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2014-11-23. Retrieved 2012-12-14.
58. AVX, ANALYSIS OF SOLID TANTALUM CAPACITOR LEAKAGE CURRENT Archived August 6, 2013, at the Wayback Machine
59. "Understand Capacitor Soakage to Optimize Analog Systems" by Bob Pease 1982 [3] Archived 2007-10-12 at the Wayback Machine
60. * "Modeling Dielectric Absorption in Capacitors", by Ken Kundert
61. "NCC, KME series" (PDF).
62. "KEMET General Purpose Pulse-and-DC-Transient-Suppression Capacitors" (PDF). www.kemet.com.
63. Ralph M. Kerrigan, NWL Capacitor Division Metallized Polypropylene Film Energy Storage Capacitors For Low Pulse Duty Archived 2013-09-29 at the Wayback Machine
64. "Maxwell Ultracapacitors: Enabling Energy's Future". Maxwell Technologies.
65. Plessner, K W (1956), "Ageing of the Dielectric Properties of Barium Titanate Ceramics", Proceedings of the Physical Society. Section B (in German), vol. 69, no. 12, pp. 1261–1268, Bibcode:1956PPSB...69.1261P, doi:10.1088/0370-1301/69/12/309
66. Takaaki Tsurumi & Motohiro Shono & Hirofumi Kakemoto & Satoshi Wada & Kenji Saito & Hirokazu Chazono, Mechanism of capacitance aging under DC-bias field in X7R-MLCCs Published online: 23 March 2007, # Springer Science + Business Media, LLC 2007 [4]
67. Christopher England, Johanson dielectrics, Ceramic Capacitor Aging Made Simple [5] Archived 2012-12-26 at the Wayback Machine
68. Dr. Arne Albertsen, Jianghai Europe, Electrolytic Capacitor Lifetime Estimation Archived 2013-01-08 at the Wayback Machine
69. IEC/EN 61709, Electric components. Reliability. Reference conditions for failure rates and stress models for conversion
70. MIL-HDBK-217F Reliability Prediction of Electronic Equipment
71. J. L. Stevens, T. R. Marshall, A. C. Geiculescu M., C. R. Feger, T. F. Strange, Carts USA 2006, The Effects of Electrolyte Composition on the Deformation Characteristics of Wet Aluminum ICD Capacitors Archived 2014-11-26 at the Wayback Machine
72. Alfonso Berduque, Zongli Dou, Rong Xu, BHC Components Ltd (KEMET), pdf Electrochemical Studies for Aluminium Electrolytic Capacitor Applications: Corrosion Analysis of Aluminium in Ethylene Glycol-Based Electrolytes Archived 2014-02-20 at the Wayback Machine
73. Vishay BCcomponents, Revision: 10-May-12, Document Number: 28356, Introduction Aluminum Capacitors, paragraph "Storage" Archived 2016-01-26 at the Wayback Machine
74. "Beuth Verlag - Normen und Fachliteratur seit 1924". www.beuth.de.
75. "Electronic Capacitors market report". Archived from the original on 2010-02-12.
76. J. Ho, T. R. Jow, S. Boggs, Historical Introduction to Capacitor Technology Archived 2016-12-05 at the Wayback Machine

External links

• Spark Museum (von Kleist and Musschenbroek)
• Modeling Dielectric Absorption in Capacitors
• A different view of all this capacitor stuff
• Images of different types of capacitors
• Overview of different capacitor types
• Capsite 2015 Introduction to capacitors