Съвременни капацитивни компоненти в електрониката

• Кондензаторите продължават да са сред най-масово произвежданите и използвани компоненти в електрониката
  
  
• Те намират широко приложение в промишлената и потребителска електроника, медицинската техника, телекомуникациите, автомобилостроенето, енергетиката, авиокосмическия сектор и др.
  
  
• Огромното разнообразие от типове и варианти при капацитивните компоненти непрекъснато се допълва от иновативни разработки, като огъваеми, печатни или самовъзстановяващи се кондензатори

Кондензаторите и днес са едни от най-масово произвежданите и използвани елементи в електрониката, макар да са сред най-старите по тип. Те съставляват около 70% от всички пасивни компоненти в практиката, а пазарът предлага изключително голямо разнообразие от видове, включително класически и технологично осъвременени варианти.

Кондензаторите намират широко приложение в промишлената и потребителска електроника, медицинската техника, телекомуникациите, автомобилостроенето и електрическата мобилност, енергетиката, авиокосмическия сектор, производството, IT технологиите и др.
Функции, устройство и възможности

Кондензаторите са ключов елемент на почти всяка електрическа верига поради разнообразието от функции, които могат да изпълняват във връзка с основното им предназначение – временно съхранение на електрически заряд в електрическо поле. Сред тях са захранване, филтриране на честоти, потискане на смущения, изглаждане на напрежение, корекция на фактора на мощността, кондициониране на сигнали, преобразуване и съхранение на енергия, сигнално свързване на аудио и радиочестоти, премахване на нежелан електрически шум от захранващи линии и т. н.

В областта на кондензаторите се води активна изследователска и развойна дейност с оглед на множеството им съществуващи и потенциални приложения в нарастващи по значение области, като електромобилността, възобновяемите енергийни източници и системите за съхранение на енергия.
Основна характеристика на кондензаторите е електрическият капацитет, измерван във фаради (F), като номиналните му стойности при различните серии и модели варират от пико- (pF) и нано- (nF), та чак до килофаради (kF). В зависимост дали капацитетът им е постоянен или променлив и кондензаторите също биват постоянни или променливи.

Сред останалите им характеристики са: толеранс на номиналния капацитет, работно напрежение, тип на диелектрика, работна температура и температурен коефициент, изолационно съпротивление, еквивалентно последователно съпротивление и импеданс, собствена резонансна честота, пулсационен ток и др.
Устройството на различните типове капацитивни компоненти в съвременната електроника варира в широки граници. Най-общо те се състоят от поне два проводящи слоя, между които е разположен слой диелектрик, който най-често е от керамика, пластмаса, алуминий или тантал, но се срещат и прибори с диелектричен слой от хартия, слюда, стъкло, въздух, вакуум и т. н.

От икономическа гледна точка през последните десетилетия се налага схващането, че е по-рентабилно да се инвестира в разработки за увеличаване на наличната повърхностна площ на традиционните диелектрични материали, като бариев титанат, никелови електроди, алуминиево фолио, танталов прах, полипропиленово и полиестерно фолио, вместо да се експериментира с нови диелектрици.

Непрекъснатите усилия на производителите да внасят технологични подобрения в кондензаторите са с основна цел постигане на по-висок номинален капацитет, по-висока енергийна плътност и напрежение, по-висока температурна устойчивост и т. н. Търсят се варианти и за огъваеми прибори, които позволяват приложения в сегмента на носимата електроника, например в носими устройства за улавяне/събиране на енергия (energy harvesting).
Сравнително нов сегмент са т. нар. хибридни йонни кондензатори, съдържащи метални йони, при които се изследват възможности за значително повишаване на енергийната плътност.

Популярните типове в практиката

Кондензаторите в съвременната електроника се делят на две специфични групи: неполяризирани електростатични кондензатори и поляризирани електролитни кондензатори. Алуминиевите и танталовите, които са сред най-често срещаните в практиката капацитивни компоненти, спадат към електролитните кондензатори. Широко използвани за различни приложения в промишлената, медицинска и потребителска електроника са и керамичните, полимерните, и т. нар. филм-кондензатори, кондензаторите с твърд електролит и др. Във все повече съвременни приложения за захранване или резервиране на захранването се залага на суперкондензатори (ултракондензатори) с извънредно голям капацитет, които се превърнаха в алтернатива на популярните галванични акумулаторни батерии.

Повечето алуминиеви кондензатори са поляризирани, а стойностите на капацитета варират от 1 mF до десетки фаради. Работното напрежение обикновено е до 500 V. Те имат висока плътност на капацитета и са пригодни за бързо зареждане и разреждане. Въпреки това проявяват склонност към изсъхване на електролита при по-високи работни температури и с времето, което увеличава утечките и намалява капацитета. Алуминиевите кондензатори имат относително ниска собствена резонансна честота, ограничаваща приложенията им до под 100 kHz. Подходящи са за филтриране в захранвания, съхранение на енергия, нискочестотно свързване, некритични синхронизационни вериги и др.

Редица водещи производители на капацитивни компоненти инвестират усилено в технологични подобрения при алуминиевите кондензатори, като изследват възможности за оптимално използване на потенциала на електролитните и полимерните елементи в различни приложения и дори разработват хибридни варианти с комбинация от течен електролит и твърд полимер. Алуминиевите електролитни кондензатори демонстрират потенциал за постигане на по-висок максимален капацитет в сравнение с филм-кондензаторите и многослойните керамични кондензатори (MLCC) например. Номиналното им напрежение е по-високо, а токовите загуби от утечки – по-ниски в сравнение с полимерните версии. Предимство на полимерните компоненти обаче е по-високата устойчивост на промяна в капацитета вследствие на стареенето на диелектрика.

Танталовите кондензатори са поляризирани, с номинален капацитет от 0,1 mF до около 1000 F и работно напрежение от 2 до 50 V. Характеризират се с по-висока плътност на капацитета, но традиционно са по-скъпи от алуминиевите. Традиционно имат ниско еквивалентно серийно съпротивление (ESR), по-устойчиви са на високи температури и не крият риск от изсъхване на електролита. Въпреки това са чувствителни към обратни напрежения, в резултат на които обикновено се повреждат. Подходящи са за дългосрочно времево синхронизиране, съхранение на енергия, филтриране на захранване, байпасна функция при ниски и средни честоти и др.

Керамичните електростатични кондензатори са изключително популярни в съвременната електроника и са на сравнително достъпна цена, а капацитетът им варира в широк диапазон от 500 nF. Работните напрежения обикновено са до 1000 VDC. Всички представители на сегмента имат ниско ESR и добри RF свойства. При керамичните кондензатори има различни класификации, като се отличават групи с висока температурна стабилност и малки толеранси на номиналния капацитет. Сред водещите им приложения са байпасни, радиочестотни и безжични системи и др.

При филм-кондензаторите се срещат разнообразни типове компоненти с метализирани (най често с алуминий) ленти и фолиа от поликарбонат, полиестер, полистирол и полипропилен. Общи техни характеристики са: малки толеранси, ниски токове на утечка, ниско ESR и добра температурна стабилност. Стойностите при номиналния капацитет варират от десетки pF до 1000 mF, а работните напрежения – от 10 до над 1000 VDC. Предпочитани приложения са вериги с високо напрежение, аудио/радиочестотни приложения, вериги, изискващи стабилност на температурата и напрежението и др.

Полимерните кондензатори, комбиниращи полимер с алуминий или тантал, бързо се наложиха на пазара след въвеждането им в средата на 80-те години на XX век. С отлична температурна стабилност и липса на акустичен шум, те са подходящи за голямо разнообразие от приложения в съвременната електроника.
За слюдените кондензатори са характерни малки толеранси, капацитети от 1 pF до 10 nF и висока температурна стабилност, а работните напрежения са до около 1000 V. Те намират приложение във вериги за честотно генериране, осцилатори с управление на напрежението, RF филтри и др.

Пазарно и технологично развитие

Актуален доклад на агенцията за маркетингови проучвания Verified Market Research прогнозира, че глобалният пазар на кондензатори ще надхвърли 34 млрд. USD до края на десетилетието, увеличавайки се с комбиниран годишен темп на растеж от над 6,6% в периода от 2023 до 2030 г.
Според маркетолозите пазарът на капацитивни компоненти е в период на непрекъснат подем през последните години поради технологичния напредък в областта и възможностите все по-големи капацитети да се предлагат във все по-компактни елементи с подобрена ефективност. Основни двигатели на нарастващото търсене на кондензатори са автомобилостроенето и електромобилността, индустриалната, медицинска и потребителска електроника, ВЕИ енергетиката и др.

Сред най-използваните през последните години типове според данните на пазарните анализатори са филм-кондензаторите с полипропиленова лента, за които е характерно устойчиво ниско разсейване. Други популярни варианти в сегмента са субстратите от полиетилен терефталат, полиетилен нафталат и полифенилен сулфид.

Продуктите с PET филм се предпочитат за приложения, изискващи висока температурна устойчивост или повърхностен монтаж на кондензаторите.
Тънкослойните филм-кондензатори са все по-популярни в приложения с висока мощност или високи температури, както и при силни вибрации, например в автомобилостроенето и електромобилността.

Сред основните тенденции на технологично развитие и иновациите в сегмента на кондензаторите през последните години според експертите от Verified Market Research са миниатюризацията и подобрената енергийна плътност. Търсенето на все по-компактни и мощни електронни устройства стимулира разработката на миниатюрни кондензатори с по-голям капацитет за съхранение на енергия. Значителен е напредъкът както при материалите, използвани за изработката на кондензатори, така и при производствените методи и техники. Все по-популярни стават адитивните технологии за изработка на 3D структури. С цел постигане на по-голям и високочестотен капацитет в по-компактен размер пък се използват методи като физическо отлагане на пари (Physical Vapor Deposition, PVD). Непрекъснато се разнообразяват и технологиите за монтаж, включително SMT.

Проучването на агенцията показва още, че нараства използването на кондензатори с твърд електролит в експлоатационни среди с тежки условия, индустриални, автомобилни и авиокосмически приложения. Все по-голямо е и предлагането от страна на водещите производители в сегмента на хибридни решения, комбиниращи в един компонент различни типове технологии с разнообразни възможности по отношение на капацитета за съхранение на енергия, захранването и издръжливостта.

Глобалният стремеж към устойчивост и екологична пригодност неминуемо обхваща и електрониката, като в направлението на кондензаторите се налагат по-екологосъобразни материали и производствени процеси, елиминиращи вредните субстанции технологии, както и програми за рециклиране, гарантиращи по-отговорното към околната среда използване и извеждане от експлоатация на тези масови пасивни компоненти.

Важен аспект от технологичното развитие на кондензаторите са възможностите за интегрирането им в иновативни системи с нарастващи приложения в контекста на дигитализацията и Industry 4.0, като интелигентни сензори, AI, IoT и IIoT платформи, системи за производство и съхранение на възобновяема енергия, електрически превозни средства и др. С това конвенционалните и суперкондезаторите допълнително еволюират по посока по-компактни размери, висока енергийна плътност и ускорени цикли на заряд и разряд.

Иновации

Огромното разнообразие от типове и варианти при капацитивните компоненти в съвременната електроника непрекъснато се допълва от иновативни разработки, като гъвкавите и печатни кондензатори с широко потенциално приложение в огъваеми, носими устройства и интелигентен текстил.
Все повече производители добавят към листите си и т. нар. самовъзстановяващи се кондензатори (self-healing capacitors). При тях минимални повреди могат автоматично да се поправят, което значително увеличава надеждността и жизнения им цикъл. Това се постига чрез използването на “самолекуващи се” материали, които самостоятелно възстановяват различни дефекти в структурата си.

Сред иновациите при водещите производители са и алуминиеви полимерни чип-кондензатори с твърд електролит, специално разработени за автомобилни и агресивни индустриални приложения, изискващи повишена надеждност. При алуминиевите кондензатори с течен електролит също се предлагат прибори с “чип” корпуси и подобрена устойчивост на тежки условия, достигаща експлоатационен срок над 8 хил. часа при максимална работна температура.

Множество новости има и при многослойните керамични кондензатори. Сред най-интересните конструкции са прибори, при които слоевете епоксидна смола покриват само монтажната страна откъм платката за разлика от конвенционалните варианти, при които целите електроди са покрити със смола. Така електрическият ток излиза извън структурата на слоевете, намалявайки съпротивлението.

С нарастването на търсенето на микрокондензатори с високопроницаеми диелектрици се увеличава и предлагането на прибори с титанов диоксид (TiO2), специализирани за електрически, индустриални и биомедицински приложения.

Обособява се и сегмент на т. нар. микросуперкондезатори (MSC), използвани като захранващи елементи. Те се произвеждат посредством стандартни и иновативни технологии, като ситопечат и мастиленоструен печат, фотолитография, безконтактно лазерно скрайбиране (laser scribing) и т. н. MSC са надеждна алтернатива на микробатериите в миниатюрни електронни устройства в сегмента на медицинската техника и сензорните устройства, като се характеризират със значително по-дълъг експлоатационен живот (от порядъка на хиляди цикли) и многократно по-бързо зареждане и разреждане.

Иновация с потенциал да революционизира сектори, като електрическата мобилност, потребителската и индустриална електроника, са графеновите суперкондензатори, считани за технология за съхранение на енергия от следващо поколение. Те биха направили възможни електромобили и смартфони, които се презареждат за броени минути или дори секунди. Сред най-новите разработки е прототип с изключително висока плътност на капацитета, който може да съхранява до 140 F/g за разлика от конвенционалните варианти с електроди от активен въглерод, при които капацитетът за съхранение е до около 35 F/g. Разработват се и високоефективни хибридни графенови суперкондензатори, при които е постижима плътност на мощността от 16 kW/kg и енергийна плътност до 73 Wh/kg. Съществено тяхно предимство е възможността да запазят над 80% от капацитета си дори и след 10 хил. работни цикъла.