Съвременни кондензатори

Кондензаторите продължават да са сред масово произвежданите електронни елементи, като присъствието им в листите на големите дистрибутори надхвърля 350 000 позиции. В настоящата статия са разгледани кондензатори с пазарно представяне след м. април 2016 г, като не са включени компоненти със сравнително малък относителен дял като Capacitor Feed Through и Variable Trimmer Capacitor, а други типове са споменати кратко в последния раздел.

Филм-кондензатори

Тяхното наименование (Film Capacitor) се дължи на тънкия метален (обикновено алуминиев) слой (Vacuum-deposited electrode на фиг. 1), нанесен върху пластмасова лента (Plastic Film). Тази структура определя специфичното качество самовъзстановяване (Self Healing) – при диелектричен пробив слоят около него се разтопява, не се получава късо съединение и кондензаторът продължава да работи нормално.

В зависимост от материала на лентата съществуват три основни вида кондензатори – полиестерни (Metallized Polyester Capacitor) с примери на редове 2, 6, 10 и 11 в табл. 1, полипропиленови (Metallized Polypropylene Capacitor) на редове 1, 3, 7 и 9 и полиетиленови (Metallized Polyethylene) - на ред 5.

Стремежът на производителите е съвременните модели да са с малък ъгъл на загубите (tanδ, Dissipation Factor) DF и съответно еквивалентно серийно съпротивление ESR и малка собствена индуктивност (Self Inductance) ESL, които са предпоставка за бърза промяна на напрежението върху кондензаторите (High dv/dt) и съответно ползването им при високи честоти. За работа при повишени температури, например в автомобилите, се ползват и други пластмаси, пример за което е серията на ред 4 в табл. 1.

Част от новите модели са с повишено изолационно съпротивление (Insulation Resistance) IR, а вместо него понякога се задава произведението IRxС, тъй като с увеличаване на C стойността на IR намалява.

Максималното работно напрежение (Rated Voltage) V_R може да е в широки граници и обикновено е постоянно (dc), а само в някои модели променливо (ac). Специфичен параметър е пробното постоянно напрежение (Dielectric Withstanding Voltage, Voltage Proof) WV, което кондензаторът може да издържи за кратко време. Експлоатационният срок (Lifetime) показва след колко часа работа се получава определено намаляване на капацитета.
Трябва да се има предвид, че моделите в една серия обикновено са с различни размери, поради което в таблиците са дадени най-малкият и най-големият.

Керамични кондензатори

С твърде малко изключения съвременните керамични кондензатори са с многослойна структура (Multilayer Ceramic Capacitor) MLCC, същността на чието устройство е показана на фиг.2а. Върху всеки от диелектриците 1 (най-често BaTiO₃) е нанесен слой от никел 2, а медните електроди 3 осигуряват свързването на слоевете и са основа за двата извода на кондензатора, които са калайдисани (5) никелови (4) покрития.

Приложението на керамичните кондензатори за работа при високи честоти изисква те да имат малка ESL, чието понижаване с най-малко 60% спрямо MLCC се постига чрез изводи на по-дългата страна на корпуса (фиг. 2б), като абревиатурата LICC е от Low Inductance Chip Capacitor – пример е моделът на ред 1 в табл. 2. Не трябва да се забравя, че поради ESL след определена честота импедансът Z(f) на кондензаторите вместо да намалява започва да расте и в документацията се дават графики за него. Пример за такава е фиг. 2в, която отново подчертава възможността LICC да работят до по-високи честоти от MLCC.

За реализация на значителни V_R освен чрез класически корпуси с увеличени размери и такива с формата на диск (серията на ред 6 на табл. 2 с модели до 50 kVdc) има нови решения за постигане на това с малки SMD корпуси, едно от които е използвано в серията на ред 2.

Кондензаторът на ред 5 е част от серия с капацитети 1,5 nF – 4,7 mF, толеранси ±10% и ±20% и напрежения 2,5 - 50 Vdc. Характерни приложения на високоволтовите керамични кондензатори са в рентгенови апарати, заваръчни токоизточници и високоволтови захранвания. Част от керамичните кондензатори позволяват бърза смяна на заряда им чрез значителен ток – такава е серията на ред 6 с негова максимална стойност 2 А.

Еднослойните керамични кондензатори (Single Layer Capacitor) са с много малък капацитет и типични приложения в микровълнови 
прибори. Сред тях е 5C Series на Murata със 116 типа между 0,1 pF и 16 pF, най-малкият от които CLB0A5C0R1B1000TC1 е с толеранс ±0,1 pF и размери 0,25x0,25x0,35 mm.

При разработката на устройства не трябва да се забравят особеностите на керамичните кондензатори. Капацитетът на моделите с широк температурен обхват понякога зависи значително от температурата им – например в серията на ред 9 той намалява с 5% при минималната температура в сравнение с 25°С и с 14% при максималната. От друга страна, съществуват серии с тесен обхват, каквито са реализираните с керамиката Z5U, позволяваща работа между +10°С и +85°С. Не са маловажни и съществените разлики в стойностите на IR (предпоследната колона на табл. 2) както и големите производствени толеранси на част от моделите в някои серии (ред 6).

MnO₂ танталови кондензатори

В тяхната основна структура от едната страна на диелектрика Ta₂O₅ е нанесен електродът от MnO₂, а от другата е електродът от тантал със задължително положително напрежение спрямо първия. Това обуславя свързването на кондензаторите от този тип (MnO₂ Tantalum Capacitor) както електролитните.

Предимствата им са значителният капацитет при малки размери и широкият температурен обхват, който в някои серии (ред 2 на табл. 3) надхвърля този на всички останали видове кондензатори. Съществена особеност е, че препоръчваното максимално работно напрежение е по-малко от даваното като параметър V_R и че над определена температура стойността му допълнително намалява, което в някои модели се определя от графики (фиг. 3).

В други вместо тях към V_R се прибавя класификационното напрежение (Category Voltage) V_C, което е максимално допустимото при най-високата работна температура. Също трябва да се има предвид зависимостта на капацитета от температурата, като стойностите му в каталозите са при 25°С. Освен сериите в табл. 3 производителят Hitano предлага Tantalum Bead Capacitors с капацитети 0,1 µF - 100 µF и напрежения 16 Vdc – 35 Vdc.

Едно от основните им приложения е като изглаждащи кондензатори в ключови стабилизатори, което налага като параметър да се дава максималният ток на пулсациите I_RMS (той също намалява с повишаване на температурата).

Съществуват модели с вграден електронен предпазител за прекъсване на веригата на кондензатора при ток над определена максимална стойност – например в T496 Series на Kemet той се задейства за 1 s при 4 А. Прилагането на постоянно напрежение с обратна полярност може да повреди кондензаторите, като максимално допустимите му стойности рядко надхвърлят 0,1 V_R. Някои серии (T496 Series) имат вградена защита от обратни напрежения.

Полимерни кондензатори

Производството на този сравнително нов тип (Polymer Capacitor) започва около 2000 г. за използване главно като изходни кондензатори в ключовите стабилизатори на битови, индустриални и медицински прибори, а през последните години и на тези в автомобилите.

Значението на кондензаторите нараства на първо място поради факта, че по-добре удовлетворяват новите изисквания към ключовите стабилизатори за бърза преходна характеристика за гарантиране работата им при резки промени на консумирания от тях ток. Допълнителни предимства са малкото ESR (в някои модели под 10 mΩ), което заедно с Z(f) почти не зависи от температурата, работата с големи токове на пулсациите (Ripple Current) IRMS през тях, значителен капацитет при малки размери, практическата му независимост от приложеното постоянно напрежение и стабилна негова стойност през целия експлоатационен срок. Неголемите V_R не са особен недостатък поради тенденцията за намаляване на захранващите напрежения на електронните устройства.

Съществуват три основни типа полимерни кондензатори, първият от които са танталовите (Polymer Tantalum Capacitor). Те изискват определена полярност на приложеното постоянно напрежение подобно на електролитните кондензатори и тези от предния раздел. Пример за една от многобройните им структури е на фиг. 4 с положителен електрод от тантал (отбелязан върху корпуса с “+”), Та₂O₅ за диелектрик и сребърна паста върху проводящ полимер за отрицателен електрод. Изборът на Ta₂O₅ е поради диелектричната му константа ε_r=26, като само някои керамики имат по-голяма.

В колона 3 на табл. 4 тези кондензатори са отбелязани с Tantalum. Подобни са полимерните алуминиеви кондензатори (Polymer Aluminum Capacitor) с положителен електрод от алуминий и Al₂O₃ за диелектрик, които в табл. 4 са отбелязани като Aluminum.

Третият тип са полимерните многослойни кондензатори (Polymer Multi-Layer Capacitor) PMLCAP, означени в табл. 4 с Multilayer. Те не изискват постоянно поляризиращо напрежение, структурата им е подобна на MLCC и всеки от слоевете е диелектрик от полимер с нанесен върху него тънък метален слой за електрод. Тяхното английско наименование (Non-polar capacitor) се ползва и за една от категориите електролитни кондензатори.

Сред последните новости са кондензаторите с катод от проводящ полимер, които са със самовъзстановяване и имат много малко ESR. Такава е серията на ред 4 в табл. 4. Масово разпространени са и полимерните електролитни кондензатори (Polymer Electrolytic Capacitor), дадени в следващия раздел.

Специфична особеност на някои модели полимерни кондензатори (даденият на ред 5 в табл. 4) е намаляването до няколко пъти на IRMS в горната част на температурния обхват. При ползването на кондензаторите трябва да се имат предвид описаните в каталозите ограничения, например тези на ред 2 не са подходящи за времезадаващи схеми и за последователно свързване за работа до по-високи напрежения.

Електролитни кондензатори

Сред специфичните им параметри е токът на утечка (Leakage Current) I_leak в нормален работен режим, определян в зависимост от серията кондензатори по един от следните начини:

• чрез стойността си Il,0;
• като по-големия от даден в каталога ток или изчислен от израза kCVR с k константа също от каталога и С в µF;
• като тяхна сума.

Важно е, че токът бързо нараства с температурата. Напрежението на отскок (Surge Voltage) VS се допуска само за кратки интервали от време, обикновено изяснени в документацията, например с продължителност до 1 min и не повече от 5 пъти за един час. Токът на пулсации (Ripple Current) Irip се дава със средноквадратичната си стойност, а експлоатационният срок (Useful Life, Load Life) DC Life намалява с увеличаване на температурата и в каталозите се дава за определена нейна стойност.

Класическите кондензатори с течен електролит (Wet Capacitor) продължават да се използват масово, като подчертано преобладават алуминиевите електролитни кондензатори (Aluminum Electrolytic Capacitor). Такива са дадените на редове 4, 10, 13, 15, 16 и 18 в табл. 5, сред които вече има модели с повишена максимална работна температура (ред 3).

Значително нарасна делът на предназначените основно за автомобили, от които освен работа до по-високи температури се изисква дълъг експлоатационен срок, големи стойности на Irip и малко ESR.

Сред предимствата на танталовите електролитни кондензатори (Tantalum Electrolytic Capacitor) са по-голямата er в сравнение с алуминия и твърде различният процес на изработка, който позволява получаването на кондензатори с голям капацитет при малък обем. Основните им приложения са в устройства с повишена надеждност като медицински, военни и космически. Относителният дял на тези кондензатори не е голям главно заради по-високата цена на тантала - пример е даденият на ред 1 в табл. 5.

Принципни са предимствата от ползването за електролит на твърдо вещество (Solid Electrolytic Capacitor), но в класическите структури на кондензатори той е с малко приложение и се предлагат основно ниобиеви електролитни кондензатори (Niobium Oxide Solid Electrolytic Capacitor). Техният анод е прахообразен NiO, а основните им предимства са много стабилните във времето параметри, което ги прави подходящи за работа в тежки експлоатационни условия като автомобили (серията на ред 2 в табл. 5), индустриални съоръжения и самолети.

Също с твърд електролит са вече споменатите електролитни кондензатори с проводящ полимер (Polymer Aluminum Electrolytic Capacitor), чийто относителен дял бързо нараства. От примера за структурата им на фиг. 5 се вижда, че полимерът се ползва както вместо електролит, така и като катод. Такива кондензатори са дадените на редове 4, 7-9, 11, 12, 14, 17 и 19 в табл. 5, а основните им предимства са малкото ESR, слабото влияние на температурата върху параметрите и много доброто потискане на пулсациите.

Суперкондензатори

Наименованието им (Supercapacitor, Ultracapacitor) отразява значително по-големите стойности на капацитета в сравнение с другите видове кондензатори. Популярни са наименованията EDLC (от Electric Double Layer Capacitor) и EDL Supercapacitor, произлизащи от структурата на суперкондензаторите. Основната причина за появата на този тип и бързото му утвърждаване са предимствата спрямо акумулаторите, ползвани за поддържане работата на блокове на устройства при аварийно изключване на захранването им.

Типичен пример е автоматичното възстановяване на нормалното функциониране и запазването на данните в компютърни и комуникационни системи, комунални измерители и др. Към това се прибавя запазването на функционирането на охранителни системи и таймери и аварийното осветление. Сред предимствата им е достатъчно да се споменат практически моменталното зареждане и по-големия поне с два порядъка брой на циклите заряд-разряд от този на акумулаторите.

За разлика от класическите кондензатори между двата електрода на суперкондензаторите няма диелектрик, а течен или твърд електролит (фиг. 6). Електродите на EDLC са от активен въглен (Active Carbon), обуславящ голямата им площ и стойност на капацитета. Върху всеки от тях е тънкият слой EDL, а електролитът съдържа положителни и отрицателни йони, които при незареден кондензатор са с показаното хаотично разположение.

Токът на зареждане започва да ги премества, като половината от положителните се натрупват в тънък слой от активния въглен до левия ЕDL, а съответстващите им отрицателни йони остават в електролита от другата страна на EDL. По подобен начин останалите йони се натрупват върху десния EDL, но положителните остават в електролита, а отрицателните са в активния въглен.

Поради това положителният полюс на кондензатора е извод от левия активен въглен и има съответното означение върху корпуса, а отрицателният е от десния, като при пълно зареждане на кондензатора всички йони са върху EDL. Свързването на товар към заредения кондензатор предизвиква обратно движение на натрупаните йони към електролита и съответно ток през товара.

Специфични параметри на суперкондензаторите са енергията (Maximum Stored Energy) E_st върху напълно зареден кондензатор, максималният ток на разреждане (Discharge Current) I_disch и споменатият брой цикли заряд-разряд (Cycle Life). Вместо ESR в някои модели се дава импедансът (обикновено при 1 kHz), например кондензаторът на ред 2 в табл. 6 има Z(f) от 0,06 до 0,2 Ω.

Кондензаторите в табл. 6 са EDLC с изключение на този на ред 11, който е от най-новия тип литиево-йонни кондензатори (Lithium-Ion Capacitor) LIC. Техният отрицателен електрод е въглен с примеси на Li, което увеличава E_st при даден обем на кондензатора и осигурява по-голям I_disch.
Типичните приложения на суперкондензаторите определят наличието на различни корпуси освен класическия цилиндричен на електролитните кондензатори. Съществуват цилиндрични с по-малка височина от диаметъра им за монтаж върху платки с отвори и за повърхностен монтаж. За преносими прибори с малка дебелина са плоските корпуси, а за увеличаване на V_R се използват батерии от последователно свързани кондензатори с малка дебелина (High Voltage Supercapacitor).

Мощни кондензатори

Наименованието им (Power Capacitor) е заради големите токове, към което се прибавят изисквания за широк температурен обхват и дълъг експлоатационен срок. Основният вид са филм-кондензаторите (Power Film Capacitor), разделени на две групи в зависимост от вида на работното напрежение.

Сред постояннотоковите кондензатори (DC Power Capacitor) са разновидности за работа с големи постоянни напрежения (серията на ред 3 в табл. 1), големи пулсации на тока (ред 8) и препоръчваните за хибридни и електромобили с големи токове на зареждане и разреждане (серията на ред 1 с I_max между 140 и 190 А). Подобни са DC link capacitors на производителя Iskra с капацитет до 5000 µF, стойности на V_R между 450 и 900 Vdc и I_max=400 A, както и PVDJP 9630-0,45/500 на ZEZ Silko с 500 µF / 450 Vdc, I_max=150 A и работа при -40ё+110°С.

Втората група са променливотоковите кондензатори (AC Power Capacitor), сред масовите приложения на които са променливотоковите електродвигатели. Основното изискване към тези кондензатори е да осигурят безотказна работа на електродвигателите включително при нежелани отклонения от номиналните им работно напрежение и ток. Освен чрез необходимите изисквания към технологията на производство на кондензаторите те имат повишена защита към външни въздействия - например херметически изолиран метален корпус.

Специфичен параметър е максимално допустимата скорост на нарастване на напрежението им (Maximum Rate of Voltage Rise) dv/dt. Типични примери за големи нейни стойности са кондензаторите на редове 3 и 4 в табл. 7. За нормално стартиране на електродвигателите чрез пропускане за кратко време на променлив ток през допълнителна намотка могат да се използват и електролитни кондензатори, позволяващи протичането на този ток. Такава е серията на ред 2 в табл. 7.

Друго типично приложение е за корекция на cosj на свързани към електрическата мрежа товари. Ползваните за тази цел кондензатори имат като параметър максимално допустимия ток IN. На ред 6 в табл. 7 е дадена серия такива кондензатори за еднофазни товари, като за трифазни товари същият производител предлага CSAD Series с капацитети 1,3 µF – 332 mF и V_R=400 V. Съществуват и множество модели със специфични приложения, каквато е серията на ред 5, ориентирана към вятърни и слънчеви генератори.