Съвременни капацитивни компоненти

Стефан Куцаров

Hезависимо че са сред най-старите електронни компоненти, кондензаторите (Capacitor) продължават да имат своите масови приложения, определящи многообразието от видове, включващи както класическите с технологични подобрения, така и все повече нови с нарастваща популярност.

Основни параметри
Номиналният капацитет (Capacitance, Rated Capacitance) С се дава в каталозите и означава (при възможност) върху корпуса. Варира се между части от pF и няколко хиляди F, като горната граница продължава да нараства.

Стойността му е в сила за определени работни условия - някои производители (напр. TDK) ползват определените в стандарта IEC 60068-1, сред които честота 1 kHz и температура 23±1 °С, а други ги дават в информационните си материали.

В зависимост от типа на кондензатора и на първо място от ползвания диелектрик капацитетът нараства или намалява с температурата, а в някои каталози има графики C (t°). Работното напрежение е най-голямата безопасна стойност, която може да бъде прилагана неограничено дълго време и като параметър се дава постоянното напрежение (Rated Voltage, DC Working Voltage, Max Operating Voltage) UR с масово използвани стойности от 10 до 630 V, а за нисковолтовите кондензатори - от 2 до 8 V. Заедно с С обикновено UR се отбелязва на корпуса на кондензатора, а двете може да са част от наименованието му (кондензатор 10 mF/16 V).

За практиката е съществено, че при някои типове кондензатори UR намалява в горната граница на работния температурен обхват. Издръжливостта към претоварване означава за кратко време (давано в техническата документация, обикновено между 1 и 60 s) и през интервали от няколко минути на кондензаторите да може да се прилага напрежение (Withstand Voltage, Voltage Proof) WV между 1.5 UR и 3 UR.

Същевременно, по принцип те могат да издържат и синусоидални напрежения с ефективна стойност до UR/Ц2, но в каталозите практически се посочва по-малка стойност (над 0.25 UR). Важна особеност е, че някои типове не трябва да се свързват към променливотокови мрежи.

Толерансът на капацитета (Tolerance) обикновено се дава в % и стойностите му зависят от технологията на изработка на кондензаторите и предназначението им – масовите са ±5% (означаван с J), ±10% (с К) и ±20% (с М), а границите са от ±0.005% за електронни схеми с прецизно поддържане на работната честота и –20% и +80% в някои електролитни кондензатори.

В експлоатационния срок (Endurance) или живот на кондензаторите се гарантират техните параметри, обикновено той е в сила за максималната работна температура и е в твърде широки граници в зависимост от типа им – например 1000 h@105 °С означава експлоатационен срок 1000 ч. при 105 °С.

Последователното еквивалентно съпротивление (Equivalent Series Resistance) ESR или RS се дължи на омичните съпротивления на електродите (“плочите”) на кондензаторите, на тяхната връзка към изводите и на самите изводи и в опростената еквивалентна схема на кондензатор е свързано последователно на капацитета.

Върху съпротивлението под формата на топлина (Self-heating) се отделя мощност (Power Dissipation) I2xESR (I е ефективната стойност на синусоидалния ток), която обикновено има значение в ключови схеми и за мощни кондензатори. Факторът на загубите (Dissipation Factor, Loss Tangent, Dielectric Loss Tangent) DF=2pfCxESR е известен още като tgd и tand, където d е ъгълът на загубите (Loss Angle) и 90° - d е ъгълът на закъснение на напрежението върху кондензатора спрямо протичащия през него ток.

Параметърът е в сила за определени честота и температура, давани в каталозите. Понякога вместо DF се ползва качественият фактор (Quality Factor) Q=1/DF. Максимално допустимата скорост на нарастване на напрежението (Rate of Voltage Rise) dV/dt върху кондензаторите обикновено е с мерна единица V/ms.

Изолационното съпротивление (Insulation Resistance) Rp или Rins е на диелектрика между електродите, стойността му логично намалява с увеличаване на влажността на околната среда и понякога вместо него се дава времеконстантата t=RpC с мерна единица WF, еквивалентна на s. Често на кондензаторите от дадена серия се ползва Rp при капацитети до дадена стойност, а над нея - t.

Електродите и изводите обуславят наличието на собствена индуктивност (Equivalent Series Inductance) ESL, свързана последователно на С, и съответно резонансна честота fres, над която импедансът Z на кондензаторите е с индуктивен характер и те са неизползваеми.

Обикновено вместо fres се дава семейство графики Z(fres) за няколко стойности на С, чийто минимум е при тази честота. Като параметър ESL се ползва главно за кондензатори в микропроцесорни и високочестотни аналогови схеми и в ключови стабилизатори.

Полезно е да се има предвид, че в каталозите практически винаги се дават серии кондензатори, означението на всяка от които съдържа стойностите на основните параметри. Пример (за серията от ред 3 на табл. 2) е показан на фиг. 1, като F е разстоянието между изводите.

Оценка (по шестобалната система) на най-често ползваните параметри на основните видове кондензатори е дадена в таблица 1 - например широките граници, в които е капацитетът на електролитните кондензатори (оценка 6) са съпроводени с малка надеждност, сравнително тесни граници на работната температура и значително ESR (оценки 3).

Кондензаторите за намаляване на смущенията (основно импулсни) по захранващата променливотокова мрежа (Radio Interference Suppression Capacitor) са тип Х (Class-X capacitor, X-capacitor) за свързване между фазата и нулата и тип Y (Class-Y capacitor, Y-capacitor) между който и да е от двата проводника и корпуса на апаратурата.

Използват се специално предназначени кондензатори от първите два типа в табл. 1. В зависимост от допустимата ефективна стойност на променливото напрежение и амплитудата на смущаващите импулси има подкласове Х1, Х2, Х3, Y1, Y2, Y3 и Y4, описани в IEC 60384-14, second edition, 1993-1997. Например кондензаторите подклас Х1 трябва да са с ефективна стойност на UR между 400 и 760 V и да издържат на импулси между 2,5 kV и 4 kV, а тези на подклас Y2 – съответно 250 – 300 V и 5 kV.

Филм-кондензатори
Наименованието им е заимствано от английски (Film Capacitor) и се дължи на конструкцията - върху едната страна на тънки ленти от органичен диелектрик е нанесено метално покритие (фиг. 2а), като всеки от слоевете е свързан към единия от изводите на кондензатора.

Класическата конструкция е навиване на двете ленти на руло (Wound Capacitor), докато съвременната разновидност са многослойните кондензатори (Stacked Capacitor) от значителен брой (подобно на сандвич) метализирани пластинки. Върху горната лента може да няма изолация (както е показано на фиг. 2а) или да има лента без метализация.

Видът на диелектрика може да е част от наименованието на кондензаторите, например РР (от Polypropylene), PEN (от Polyethylene Naphthalate) и PET (от Polyethylene Terephthalate), предшествано от М (от Metallized). Диелектрикът PPS (от Polyphenylene-Sulphide) осигурява широк температурен обхват и слабо влияние на температурата върху капацитета. За увеличаване на UR кондензаторите могат да съдържат последователно свързани секции – два от най-често използваните случаи са дадени на фиг. 2б, в.

Предимство на филм-кондензаторите е самовъзстановяването (Self-healing) - при настъпване на пробив в диелектрика малка част от метализацията (размери няколко десетки nm) се изпарява, при което действието и параметрите на кондензатора се запазват. Конструктивно филм-кондензаторите могат да са за платки с отвори (редове 3, 5 и 6 на табл. 2), за повърхностен монтаж (ред 8), без изводи (Chip Capacitor – редове 1, 2 и 4) и за закрепване с болтове (ред 7).

Специфични особености в технологията на изработка на филм-кондензаторите определя препоръчваните им приложения – като блокиращи и прехвърлящи (Bypassing and Signal Coupling), каквито са дадените на редове 1, 6 и 8 на табл. 2, за комуникационни и битови устройства (редове 2 и 3), за осцилатори, високочестотни избирателни усилватели и тестолентови филтри и времезадаващи вериги (редове 4 и 8), ключови стабилизатори и инвертори за осветление (ред 5), за управление на електродвигатели (ред 7).

От този тип са основната част на високоволтовите кондензатори (High Voltage Capacitor, HV Capacitor), като обикновено се приема, че те са с URі3 kV при типична горна граница 120 kV. Характерен пример е HA Series на FT Cap (Fischer&Tausche Capacitors) с С между 1 nF и 500 nF, стойности на UR от 4 до 30 kV и импулсни токове 4,2 – 410 А.

Друг специфичен вид са мощните кондензатори (Power Capacitor), позволяващи големи променливи токове (параметър е максимално допустимата средноквадратична стойност IRMS) и приложения в индустриални захранвания, честотни конвертори и инвертори за фотоволтаици. Типичен пример е серията PowerLink на FT Cap с С=6 - 65mF, UR=700 V - 1.5 kV и IRMS=29 A.

Керамични кондензатори (Ceramic Capacitor)
Те са най-масово разпространените кондензатори - съществуват различни данни за относителния им дял в световното производство, но със сигурност той е не под 50%. Сред основните им предимства са надеждността при експлоатация, широкият работен температурен обхват, осигуряването на добри параметри при сравнително ниска цена, наличието на модели с UR до няколко десетки kV и други за работа при високи (RF) и свръхвисоки (Microwave) честоти.

Недостатъкът им по отношение на големия капацитет постепенно намалява – вече съществуват модели до няколко стотици mF, които в редица случаи заместват електролитните кондензатори особено в устройства с малки размери (често се оказва, че няколко успоредно свързани керамични кондензатора са с по-малък обем от електролитен със същия капацитет). Тази замяна е свързана и с предимството, че керамичните кондензатори не се нуждаят от постоянно напрежение за поляризация.

Основният вид са многослойните кондензатори (Multilayer Ceramic Capacitor) MLCC за повърхнинен монтаж (SMD), идея за чиято конструкция е показана на фиг. 3а, като дебелината на слоевете керамика е около 1 mm, а на металните - дори по-малка. В подобрената конструкция (Open Mode Design) с намаляваща дължина на пластинките (фиг. 3б) съществува по-малка опасност от късо съединение на MLCС и съответно повреда на устройството при леко огъване на печатната платка.

В зависимост от желаните параметри на кондензаторите и предвидените им приложения се ползват различни керамики (означения BP, CH, C0G, JB, N4700, X5R, X6S, X7R, X7S, X7T, X8L, X8R, Y5P, U5U, Z5U), например C0G (известна и като NP0) е на основата на окиси на редкоземни елементи и е сред осигуряващите много стабилни параметри.

Практически без влияние на напрежението върху капацитета и негова промяна до ±15% в температурен обхват от -55 °С до +150 °С се осигурява от керамиката Ultra-Stable X8R Dielectric. Типична керамика за MLCC в тежки работни условия (например автомобили) е X7R. Съществена практическа особеност е, че керамиките за получаване на голям капацитет (например Y5V) определят по-големи DF и толеранси.

Чрез дадените в табл. 3 серии керамични кондензатори е направен опит да се покаже разнообразието на MLCC за SMD, всяка от които обикновено е от няколко групи с различни диелектрици. В колона 3 са максималните граници на параметрите, докато за всяка група те са по-тесни. Особеност на серията от ред 1 са изводите от злато за намаляване на ESR, а капацитетите на тази от ред 3 показват, че е за високи и свръхвисоки честоти.

Особеност на кондензаторите на ред 6 е намаляването на UR с увеличаване на честотата (например кондензатор 10 nF запазва UR до 70 kHz, а при 300 kHz то е 1 kV). Съществуват набори от 2 или 4 еднакви кондензатори (Array Type Capacitor) в един корпус, което води до двойно намаляване на заеманата площ. Пример е серията на ред 7 с много малка ESL, особено подходяща за микропроцесори, бързи цифрови схеми и комуникационни устройства.

Нарастват приложенията на MLCC с широк температурен обхват (серията от ред 8) с характерни приложения в автомобилостроенето, измервателни прибори и сензорни системи. Не са малко приложенията (медицински апаратури, лабораторни прибори, самолети), където кондензаторите работят в условия на силни магнитни полета и трябва да са от типа MLCC for Non-Magnetic Applications (ред 9).

От MLCC за печатни платки с отвори може да се посочи FG Series на TDK EPC, която е в съответствие с препоръките от 2016 г. на ЕС (Halogen Free Capacitor), обхваща капацитети между 1 pF и 100 mF, има стойности на UR от 6,3 до 630 V и работен температурен обхват -55ё+125 °С.

Класически танталови кондензатори
Това е един от видовете танталови кондензатори, като освен наименованието Conventional Tantalum Capacitor по-често се използват Manganese Tantalum Capacitor и MnO2 Tantalum Capacitor, отразяващи особеностите на структурата им. Техният анод е танталов проводник, върху който се нанася прахообразен тантал (големина на частиците около 10 mm) с резултат получаването на голяма площ при малък обем и съответно на кондензатори със значителен капацитет при малки размери и тегло.

Върху него чрез електролитен процес (това определя използвания понякога термин Solid Electrolyte Capacitor) се наслагва диелектрикът Ta2O5, чиято дебелина между няколко десетки и няколко стотици nm и значителната er са другите фактори за голям капацитет. Другият електрод е от MnO2, към който има слоеве от графит и сребро за свързване с извода на катода. Това устройство е показано на фиг. 4а, а типичната структура на SMD кондензатор е на фиг. 4б.

Допълнителни предимства са възможността за работа при високи температури (например серията на ред 1 в табл. 4 и Т500 Series на Kemet с работен температурен обхват -55 ё +200 °С) при запазване на стабилни параметри. Трябва да се има предвид, че стойността на UR е в сила до определена температура и намалява над нея, което в каталозите обикновено се дава като графика UR (t°).

Максималното напрежение при най-високата температура е Category Voltage. Също предимства са малките ESR и токове на утечка (DC Leakage Current) DCL (серията от ред 4), които заедно с издръжливостта на значителни импулсни токове определят голяма експлоатационна надежност. За повишаване на последната на апаратурите като цяло се ползват кондензатори с вграден предпазител (Fused Capacitor), например серията от ред 2 с ток на задействане 4 А и 893D Series на Vishay Sprague.

Трябва да се прибави наличието на модели (серия Т490 на Kemet) със значителни С и UR, често наричани High CV (от CxUR), и че максималното импулсно напрежение (Surge Voltage) обикновено се означава с US без да се отбелязва допустимото време на прилагането му. При използване на кондензаторите като филтриращи от значение е допустимият IRMS.

Съществена особеност на тези кондензатори е необходимостта от постоянно поляризиращо напрежение (както при класическите алуминиеви електролитни кондензатори), като на корпусите SMD положителният анод се отбелязва с лентичка (Polarity Mark), а на тези за платки с отвори - с “+”. Пример за последните е TAP Series на АVХ с капацитети между 0,1 и 330 mF при UR от 6,3 до 50 V.

Основните им приложения са като блокиращи и филтриращи кондензатори (например успоредно на захранващото напрежение на процесори и други бързи цифрови схеми), в ключови стабилизатори и времезадаващи схеми на индустриални, битови и медицински устройства. Съществуват и кондензатори с херметични корпуси, каквато е серията от ред 1 в табл. 4.

Полимерни кондензатори
Наименованието им (Polymer Capacitor) се дължи на ползването на проводящ полимерен електролит, който не изсъхва и съответно удължава експлоатационния срок (особено важно за съвременните комуникационни и компютърни системи). Твърде малките стойности на ESR (запазват се до минималната работна температура) подобряват филтриращите свойства на кондензаторите, капацитетът им практически не зависи от приложеното постоянно напрежение и температурата му влияе по-слабо (предимство спрямо MLCC).

Опасността от възникване на късо съединение при класическите алуминиеви електролитни кондензатори тук не съществува поради наличието на ефект на самовъзстановяване. И не на последно място експлоатационният срок на полимерните кондензатори се запазва при работа с напрежения до 0.9 UR, докато при танталовите е до 0.3 UR - 0.5 UR.

Специфичен параметър е препоръчваното максимално работно напрежение (Category Voltage) UC, което е с около 20% по-малко от UR. Друга особеност е, че в рамките на една серия може да има кондензатори с различна максимална работна температура. Тъй като DCL зависи от напрежението върху кондензатора някои производители ползват мерната единица СV, като DCL[mA] = kxC[mF]xU[V] и k е константа в каталога.

Например кондензатор от ред 2 на табл. 5 с C=100 mF и приложено напрежение 5 V има DCL=50 mA, докато 10 mF/2 V е с максимален ток 3 mA, тъй като според изчислението се получават 2 mA, а реалната стойност е по-голямата от 0,1 СV и 3 mA.

Съществуват 4 разновидности на полимерните кондензатори, първата от които са тантал-полимерните (Polymer Tantalum Capacitor, Conductive Polymer Tantalum Solid Capacitor) със схематично устройство на фиг. 5а и примери на редове 1, 3 и 4 в табл. 5. Друга характерна група са POSCAP на Panasonic, включваща 8 серии, от които с повишена надеждност (например за автомобилостроителни приложения) е TA Series с капацитети 6-150 mF и стойности на UR от 6,3 до 10 V.

Втората разновидност са лентовите алуминий-полимерни кондензатори (Layered Polymer Aluminum Capacitor), различаващи се от предните по замяната на Ta2О5 с Al2O3 и на Та с алуминиева лентичка. Предимствата са още по-малкото ESR и възможността за много тънък корпус, което ги прави подходящи за преносими прибори.

Примери са сериите от редове 2 и 5 в табл. 5, първата от които е известна като Aluminum Organic Capacitor (AO-CAP), а втората е от типа SP-Cap.
Наименованието на ролковите алуминий-полимерни кондензатори (Wound Polymer Aluminum Capacitor) се дължи на навиваната на руло алуминиева лента с нанесени върху нея Al2O3 и импрегниран с електролит полимер. Предимствата са по-големите С и UR при запазване на малкото ESR на предната разновидност.

Недостатък са кръглият алуминиев корпус с по-големи размери, като значителна част от моделите са за платки с отвори. Такава е серията на ред 6 в табл. 5 с радиални изводи, а Panasonic предлага още SVPV Series (капацитети 22 – 330 mF при UR от 35 V и 50 V) и SVPC Series със същия корпус за повърхностен монтаж (39 – 2200 mF и 2,5-16 V).

Хибридните алуминий-полимерни кондензатори Polymer Hybrid Aluminum Capacitor) се различават от предните само по използването на комбинация от полимер и течен електролит за увеличаване на UR (за сметка на нарастване на ESR). Сред характерните представители е серията от ред 7, отговаряща на стандарта AEC-Q200 и с възможност за изработване по заявка на кондензатори с повишена устойчивост на вибрации.

Типът EP-Cap на Suncon включва 12 серии с повишена надеждност и възможност за работа при високи температури. Примери са HEH Series с капацитети 10-560 mF и UR между 16 и 100 V с експлоатационен срок между 4000 и 10 000 часа, както и HVT Series с работен температурен обхват -55°Сё+135 °С и капацитети 15-330 mF с UR между 25 и 50 V.

Алуминиеви електролитни кондензатори
Тези кондензатори (Aluminum Electrolytic Capacitor) са познатите от десетилетия “електролити” и продължават масово да се използват с множество подобрения чрез съвременните технологии. Сред характерните примери е KP Series на Fujicon, кондензаторите от която серия не се нуждаят от поляризиращо напрежение (Non-Polarized Capacitor), имат капацитет 0.1-47 mF, стойности на UR между 6,3 и 50 V и работен температурен обхват -55 °С ё + 105 °С.

С много малки стойности на ESR и DCL е FZ Series на същия производител с C = 3,3-4700 mF и UR = 6,3-100 V в аналогичен температурен обхват. Също сред последните новости е LHR Series на Rubycon с експлоатационен срок на кондензаторите 5000 часа при капацитети 1800 - 18 000 mF с UR от 350 и 450 V. Заслужава да се спомене подходящата за преносими апаратури S5 Series (дължина 15 mm и диаметър 4-8 mm) на Yageo с C=0,1-470 mF и UR между 4 и 50 V.

Суперкондензатори
Наименованието (Supercapacitor, Ultracapacitor) отразява огромния им капацитет, а тяхната същност и особености бяха отразени на страниците на списание Инженеринг ревю (вж. статиите “Суперкондензатори” в бр. 6/2006 и “Мощни суперкондензатори” в бр. 5/2011).

Не съществуват отчетливи разлики между двата англоезични термина, но вторият обикновено се използва за индустриални приложения, например регенеративни спирачни системи в автомобилостроенето, вятърни електрогенератори, фотоволтаици и големи компютърни центрове, където предназначението им е натрупване и отдаване на електрическа енергия.

Сред големите производители е Maxwell Technologies, която предлага кондензатори с капацитет между 1 F и 3400 F при UR от 2,7 V до 160 V, като логично по-големите капацитети са със сравнително малки UR.

Други видове кондензатори
Различават се от основните типове по конструкцията си и някои от параметрите.
Кондензатори с лентови електроди (Foil Capacitor). Структурата им е подобна на дадената на фиг. 2а, но вместо металните слоеве има ленти, като съществува разновидност, в която само единият от слоевете е заменен с лента.

Предназначени са главно за осигуряване на големи UR и на IRMS, а типични приложения са в управления на тиристори, електронни баласти на флуоресцентни лампи и за потискане на отскоците на напрежение в ключови стабилизатори с галванично разделяне. Типичен пример е R73 Series на Kemet с С между 100 pF и 2,2 mF, UR от 100 V до 2,2 kV и работен температурен обхват -55 °С ё +105 °С, отговаряща на изискванията на стандарта AEC-Q200 за автомобилна електроника.

Хартиени кондензатори (Metallised Impregnated Paper Capacitor). Ползването във филм-кондензаторите на импрегнирана хартия вместо органичен диелектрик има като основни предимства големите UR и надежната работа при често прилагане на напрежения над UR, а недостатък са по-големите размери за получаване на желан капацитет. Характерно приложение е потискането на смущения, включително чрез свързване между проводниците на 220-волтовата мрежа, а типичен пример е P278 Series на Kemet с С между 1 nF и 150 nF и синусоидално UR от 400 V.

Мощни променливотокови кондензатори (AC Power Capacitor). Основното им предназначение е намаляване на хармониците в изхода на едно- и трифазни инвертори, за подобряване на фактора на мощността на вятърни генератори и на променливотокови мрежи.

Специфичен параметър е максималната реактивна мощност върху товарите с типични стойности между няколко десети и няколко десетки kvar. Типичен пример е 3-фазният Type PFCH на Cornell Dubilier (CDE) за променливи напрежения 240 V, 480 V и 600 V и експлоатационен срок 60 000 часа.