Конденсатор воздушный, электролитический, пленочный, слюдяной, керамический, бумажный, масляный, полипропиленовый особенности, характеристики, применение
Диэлектриком в таких конденсаторах выступает воздух. Достоинства: простота изготовления переменных конденсаторов, предназначенных для механической регулировки емкости, рассчитанных на постоянные механические воздействия. Недостатки: нестабильность, зависимость от температуры и влажности среды, ненадежность, большие габариты, маленькая емкость на единицу объема, относительно низкая электрическая прочность, ограниченная пробоем воздуха между пластинами. Такие конденсаторы бывают обычно только переменные. Применять эту технологию в других случаях признано нецелесообразным.
Бумажные конденсаторы
Вашему вниманию подборка материалов:
Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
Диэлектриком является бумага, пропитанная трансформаторным маслом. Достоинства: высокая надежность и электрическая прочность. Для конденсаторов, рассчитанных на высокое напряжение — достаточная высокая емкость на единицу объема, низкий ток утечки. Многие силовые конденсаторы делают именно по такой технологии: складывают две пластины с бумагой между ними, сворачивают в рулон, помещают рулон в банку, банку заполняют трансформаторным маслом и запаивают. Недостатки: большой вес, большая собственная индуктивность и собственное сопротивление.
Электролитические (оксидные) конденсаторы
Диэлектриком является слой оксидов на поверхности активного металла (обычно, алюминия). Конденсатор производится путем помещения ленты из активного металла в электролит. На поверхности металла сразу образуется пленка прочного окисла. Она изолирует металл от электролита. Особенностью большинства электролитических конденсаторов является полярность. Они держат расчетное напряжение при одной полярности, но быстро разрушаются при другой полярности напряжения. Это вызвано особенностями химических процессов между металлом пластины и электролитом. Для пленки оксида характерно постепенно разрушаться, трескаться. При правильной полярности такие микротрещины моментально затягиваются новым оксидом. При неправленой полярности сразу начинает восстанавливаться металл. Трещина расползается по всей пластине. Существуют специальные приемы борьбы с этим эффектом, так что в продаже есть неполярные электролитические конденсаторы, но они дороже полярных. Достоинства: высокая емкость на единицу объема, единицу массы. Недостатки: полярность, низкая надежность и электрическая прочность, высокие потери, токи утечки, шумы, нестабильность, быстрый износ, потеря свойств со временем, высокие внутренние индуктивность и сопротивление.
Слюдяные конденсаторы
Диэлектрик — слюда. Такие конденсаторы используют тот факт, что слюда сама способна накапливать энергию. Ее диэлектрическая проницаемость намного больше единицы, так что при меньших габаритах удается накопить больше энергии. Достоинства: высокая емкость на единицу объема, единицу массы, высокая электрическая прочность. Недостатки: нелинейность, нестабильность параметров, зависимость емкости от силы тока, высокая цена. Слюда вообще ведет себя в электрическом поле странно.
Керамические конденсаторы
Конденсаторы на основе керамики. Достоинства: низкие шумы, высокая температурная и временная стабильность, надежность, низкие потери, электрическая прочность. Недостатки: плохие массогабаритные характеристики.
Пленочные конденсаторы
Конденсаторы на основе разнородных синтетических пленок. Такие конденсаторы могут обладать самыми разными свойствами в зависимости от применяемых пленок. Их чаше всего используют электрических схемах.
Полипропиленовые, тефлоновые, . конденсаторы
Диэлектриком является полипропилен, тефлон или другие специальные полимеры высокой электрической прочности и сопротивления. Такие конденсаторы имеют очень высокое сопротивление диэлектрика. Саморазряд в них идет очень медленно. Они имеют очень маленький уровень шума.
Конденсаторы классифицируются по точности маркировки. Есть серии конденсаторов с маркировкой емкостью с точностью 30%, 20%, 10%, 5%, 1% и т. д.
Реактивное сопротивление конденсатора
Конденсатор не обладает классическим омическим сопротивлением. Если к конденсатору приложить фиксированное напряжение, что ток через него течь не будет (за исключением совсем небольшого тока утечки). Но если к конденсатору приложено переменное напряжение, то за счет периодической зарядки и разрядки пластин, в цепи появится ток.
Конденсатор не обладает классическим омическим сопротивлением. Если к конденсатору приложить фиксированное напряжение, что ток через него течь не будет (за исключением совсем небольшого тока утечки). Но если к конденсатору приложено переменное напряжение, то за счет периодической зарядки и разрядки пластин, в цепи появится ток.
При чем ток через конденсатор не зависит от напряжения в текущий момент, а зависит от скорости изменения напряжения, то есть от производной функции зависимости напряжения от времени. Так, если на конденсатор подано синусоидальное напряжение, то ток будет иметь форму косинуса. Именно благодаря такому фазовому сдвигу на конденсаторе не рассеивается тепловая энергия.
Кстати отсутствие рассеивания тепловой энергии на конденсаторе является некоторой иллюзией. Во-первых, через конденсатор протекает ток, этот ток протекает также через цепи питания, провода и нагревает их. Во-вторых, у самого конденсатора есть внутреннее сопротивление пластин и выводов. На нем тоже выделяется тепло. У всех конденсаторов есть ограничения по максимальному току, особенно это характерно для электролитических конденсаторов, которые обладают большой емкостью и большим сопротивлением пластин (помните, что в электролитических конденсаторах одной из пластин является электролит, который ток проводит довольно плохо). Превышение этого тока приводит к нагреву конденсатора, снижению надежности, старению, пробою или отгоранию проводников.
Если рассматривать синусоидальное напряжение и оперировать понятиями действующего напряжения и тока, то можно написать формулу, напоминающую закон Ома для резисторов. [Действующий ток через конденсатор] = [Действующее напряжение на конденсаторе] / [Z], где [Z] = 1 / (2 * ПИ * [Частота напряжения] * [Емкость конденсатора]). Эта формула полезна при расчете конденсаторных делителей переменного напряжения и фильтров высших и низших частот.
Особенности применения конденсаторов в схемах
Конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно.
[Емкость параллельно соединенных конденсаторов] = [Емкость C1] + [Емкость C2]
[Емкость последовательно соединенных конденсаторов] = 1 / (1 / [Емкость C1] + 1 / [Емкость C2])
На рисунке приведены типовые схемы на конденсаторах. (А) — Емкостный делитель переменного напряжения. [Напряжение на нижнем конденсаторе] = [Входное напряжение] * [Емкость верхнего конденсатора] / ([Емкость нижнего конденсатора] + [Емкость верхнего конденсатора]) (Б) — Фильтр высших частот. (В) — Фильтр низших частот. (Г) — Демфер.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.
Понижающий импульсный преобразователь напряжения. Выбор силового ключа.
Как сконструировать понижающий импульсный источник питания. Шаг 2. Как выбрать м.
Коэффициент заполнения импульсного сигнала. Скважность импульса прямоу.
Определение коэффициента заполнения, скважности, обобщенного коэффициента заполн.
Расчет теплоотвода (радиатора охлаждения) силового элемента (транзисто.
Как рассчитать систему отвода тепла от силового элемента электронной схемы.
Инвертирующий импульсный источник питания. Онлайн расчет. Форма. Подав.
Как рассчитать инвертирующий импульсный преобразователь напряжения. Как подавить.
Что является диэлектриком у электролитических конденсаторов
Конденсаторы, как и резисторы, наиболее распространённые компоненты в принципиальных схемах. Их основное назначение – распределённая по электрической схеме фильтрация (сглаживание) пульсаций напряжений питания, а также использование как времязадающих элементов в генераторах и фильтрах.
Происхождение названия от латинского condensatio – накапливать. Это устройство для накопления электрических зарядов и энергии электрического поля W=C*U 2 / 2, где С символ основной характеристики конденсатора – электрической ёмкости (ёмкости). Этой же латинской буквой С принято обозначать конденсатор в электрических схемах.
Исторический образ конденсатора – две параллельно размещённые металлические пластины (обкладки) с диэлектрической прослойкой (показан на рисунке 1.18).
Чем больше поверхности обкладок и меньше расстояние между пластинами, тем выше значение ёмкости конденсатора. Диэлектрик, расположенный между пластинами увеличивает ёмкость. В качестве диэлектрика может использоваться бумага, слюда, полимерная плёнка, керамика и др. Типовое расчётное соотношение для ёмкости конденсатора выглядит так:
где ɛ0≈ 8,85·10 -3 пФ/мм диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоянная), ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость использованного диэлектрика, S – площадь обкладок [мм 2 ], d – расстояние между обкладками (толщина диэлектрика) [мм] .
Значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых диэлектриков представлены в таблице 1.7.
Таблица 1.7 – Значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых диэлектриков
Диэлектрик
ɛ
На принципиальных электрических схемах конденсаторы обозначаются графемой (показано на рисунке 1.19 слева):
Примечание – В некоторых случаях общепринятую в принципиальных схемах графему заменяют более сложной моделью (показано на рисунке 1.19 справа). Такая замена обоснована для конденсаторов с диэлектриком плохого качества.
Резистор Rут на схеме называется сопротивлением утечки и его типовое значение можно найти в документации.
Утечка – это явление перетекания заряда с одной обкладки на другое через не идеальный диэлектрик: если заряженный конденсатор отключить от нагрузок, то через некоторое время он разрядится. Время разряда зависит от качества диэлектрика: чем оно выше, тем дольше происходит саморазряд.
В настоящее время постоянные конденсаторы имеют более сложные конструктивно-технологические решения. При этом конденсаторы различают:
- по типу диэлектрика: керамические, слюдяные, плёночные, электролитические и др.;
- по конструктивному решению: конденсаторы для монтажа в отверстия (выводные), для поверхностного монтажа (чип-конденсаторы);
- по рабочему напряжению, габаритам, температурному коэффициенту ёмкости и др.
Конструктивные разновидности современных конденсаторов, применяемых в электрических цепях с напряжениями до нескольких сотен вольт (низкие напряжения) представлены на рисунке 1.20.
Наиболее широкое применение в настоящее время находят керамическиеи электролитические конденсаторы. Они могут монтироваться в отверстия или предназначены для поверхностного монтажа. Типовые сравнительные характеристики конденсаторов представлены в таблице 1.8.
Примечание – Следует иметь в виду, что электролитические конденсаторы при подключению требуют соблюдения полярности. Для этого на корпусе конденсатора рядом с одним из контактов проставлен знак + (анод) или другой отличительный символ.
Таблица 1.8 – Типовые характеристики современных конденсаторов
Основное, широко используемое в электротехнике соотношение, связанное с электрической ёмкостью:
где Q – заряд, накопленный в конденсаторе (измеряется в кулонах), U – напряжение, до которого заряжен конденсатор.
На практике применяют постоянные, переменные и подстроечные конденсаторы (представлены на рисунке 1.21).
Постоянными принято называть конденсаторы, основной параметр которых – электрическая ёмкость, должен поддерживаться неизменным. Любые отклонения от расчётных значений – нежелательная погрешность.
Переменный и подстроечный конденсаторы имеют конструктивные особенности, позволяющие изменять ёмкость с помощью инструмента или вручную.
Постоянные конденсаторы
Основной параметр постоянного конденсатора – номинальная ёмкость, может меняться во время эксплуатации, как и у резистора, под воздействием различных факторов. Разница заключается в том, что скрупулёзно следить за такими изменениями обычно не требуется: требования к точности конденсаторов не высоки.
Так, например, используемые в качестве фильтров питания электролитические и керамические конденсаторы могут иметь допуск номинала ± 30% и более.
С максимальной точностью ± 1% изготавливаются некоторые керамические конденсаторы, ёмкость которых ограничена значением 100 нФ. Они используются в качестве времязадающих компонентов при создании активных электрических фильтров или генераторов. Другие важные их отличия – высокая температурная стабильность и большая цена.
Следует иметь в виду, что ёмкость электролитических конденсаторов может существенно меняться с изменением температуры и с течением времени они сильно деградируют (высыхают).
Конденсаторы выпускаются в соответствии с рядом Е24, но часто имеют более ограниченный набор номиналов, который задаётся в технических описаниях.
Цветовая маркировка конденсаторов похожа на аналогичную для резисторов, однако в отличие от чип-резисторов, чип-конденсаторы обычно не имеют маркировки!
Типовые расчётные соотношения
- Выражение для накопленного в конденсаторе заряда
- Последовательное соединение конденсаторов:
- Параллельное соединение конденсаторов:
- Переходный процесс в RC-цепочке:
Переменные и подстроечные конденсаторы
Переменные (регулирующие) конденсаторы предназначены для интенсивной регулировки так, как это делалось при настройке частоты вещания в старых радиоприёмниках. Это конденсаторы с воздушным диэлектриком сегодня используются редко.
Подстроечный конденсатор это переменный конденсатор малой ёмкости, который обычно используется для точной настройки режимов работы электрических схем. Обычно, подстроечный конденсатор используется однократно – в ходе процедуры настройки, или изредка.
После манипуляций настройки регулировочный винт контрится (закрашивается), чтобы во время дальнейшей эксплуатации изделия его положение не сдвинулось от случайных механических воздействий (например, вибраций). Количество подстроек у таких конденсаторов лимитировано несколькими десятками полных поворотов.
Переменные и подстроечные конденсаторы в современной электронике применяются редко. Широко их используют только в радиотехнике. Внешний вид таких конденсаторов представлен на рисунке 1.22.
Средства измерений ёмкости конденсаторов
Colibri. Измеритель сопротивления, ёмкости, индуктивности.
Диапазоны основных режимов измерений мультиметра Colibri представлены в таблице 1.9.
Таблица 1.9 – Диапазоны основных режимов измерений мультиметра Colibri
Параметры
Значение
Погрешность измерения
Что является диэлектриком у электролитических конденсаторов
Ёмкость конденсатора с диэлектриком всегда больше, чем без него. Причина состоит в том, что диэлектрик ослабляет поле. Рассмотрим сначала плоский конденсатор с воздушным промежутком между пластинами (для воздуха `epsilon~~1`). Поместим на одну из обкладок заряд `Q`, а на другую обкладку заряд `-Q`. Если площадь пластин равна `S`, то между пластинами будет существовать электрическое поле `E_0=sigma//epsilon_0=Q//(Sepsilon_0)`, а между пластинами будет существовать разность потенциалов `U_0=E_0d=Qd//(Sepsilon_0)`. Ёмкость конденсатора есть `C_0=Q//U=epsilon_0S//d`. Не изменяя зарядов на пластинах, заполним теперь промежуток между обкладками конденсатора диэлектриком с диэлектрической проницаемостью `epsilon`. В результате напряжённость электрического поля уменьшится в `epsilon` раз, `E=E_0//epsilon`; как следствие, в `epsilon` раз уменьшится напряжение между пластинами `U=U_0//epsilon` — и в `epsilon` же раз увеличится ёмкость `C=Q//U=epsilon C_0`, т. е.
`C=(epsilon epsilon_0S)/d`. (3.2.1)
В веществах, которые часто используются в конденсаторах, диэлектрические проницаемости таковы: для парафина `epsilon~~2`, а для слюды `epsilon~~7,5`. В современных конденсаторах часто используют диэлектрические слои из титаната бария `(«TiBaO»_3)` с добавлением небольшого количества других окислов. Обычно это – керамики, получаемые из тонкодисперсного порошка, размеры частиц которого порядка микрона (`10^(-6)` м). Толщины диэлектрических слоёв в таких конденсаторах порядка `10` мкм, а `epsilon` порядка нескольких тысяч (до `20000`). В другом типе конденсаторов, так называемых электролитических конденсаторах толщины диэлектрических слоёв можно сделать в сотни раз меньше, чем в керамических конденсаторах, правда, изоляционные материалы, используемые в них, имеют меньшую, чем в керамических конденсаторах, диэлектрическую проницаемость `epsilon` — от `8` до `27`.
Оценить, какого размера должны быть пластины плоского конденсатора в форме квадратов, расстояние между которыми `d=10` мкм, с диэлектрической прослойкой на основе титаната бария, чтобы его электроёмкость равнялась: а) `1` Ф, б) `1` мФ, в) `1` мкФ? Диэлектрическая прослойка на основе титаната бария `(«TiBaO»_3)` имеет `epsilon=20000`.
По формуле (3.2.1) `C=(epsilon epsilon_0L^2)/d`:
В конденсаторе без диэлектрика (когда `epsilon=1`) эти размеры равнялись бы, соответственно,
Конденсаторы: виды и важные для применения особенности
История конденсаторов уходит в глубь веков. Первым прототипом конденсатора принято считать лейденскую банку, которую независимо друг от друга в 1745 г. создали немец Эвальд Юрген фон Клейст (Ewald Georg von Kleist) и голландец Питер ван Мушенбрук (Pieter van Musschenbroek). Разумеется, за прошедшие годы технология конденсаторов претерпела множество изменений, одно поколение устройств сменяло другое, и конструктивно современные конденсаторы бесконечно далеки от прародителей. Основные различия между ними заключаются в типах применяемых диэлектриков.
В рамках краткого обзора невозможно рассмотреть подробно особенности практического применения всех типов конденсаторов, поэтому сосредоточимся на тех, которые наиболее часто применяются в современной электронике. Общая классификация выглядит следующим образом:
- конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические конденсаторы):
- алюминиевые;
- танталовые;
- гибридные;
- керамические конденсаторы;
- диэлектрик из стекла;
- слюдяные конденсаторы.
По способу монтажа различают три категории:
- для поверхностного монтажа;
- для монтажа в отверстия;
- с выводами под винт.
Иногда конденсаторы с оксидным диэлектриком называют электролитическими конденсаторами, но это неверно. Танталовые конденсаторы не являются электролитическими.
Несмотря на множество различий, для всех типов конденсаторов используется одна и та же эквивалентная схема. Она показана на рис. 1, и на ней отображены паразитные элементы конденсатора:
Рис. 1. Эквивалентная схема конденсатора
- ESL – эквивалентная последовательная индуктивность;
- ESR – эквивалентное последовательное сопротивление;
- RL – сопротивление утечки.
Особенности практического применения конденсаторов
Многослойные керамические конденсаторы (MLCC)
Этот тип конденсаторов можно найти практически на любой печатной плате. Массовость их применения обусловлена экономичностью и отличными частотными свойствами. Керамические конденсаторы разделяются на две группы: в одной из них используется диэлектрик класса I, а в другой — класса II.
Диэлектрик класса I имеет хорошую стабильность, но небольшую диэлектрическую проницаемость, поэтому емкость конденсаторов с ним обычно не превышает 10 нФ. Диэлектрик класса II, напротив, имеет высокую диэлектрическую проницаемость, что позволяет достичь емкости в несколько сотен микрофарад, но он нестабилен, поэтому величина емкости конденсатора зависит от условий эксплуатации.
Емкость керамического конденсатора в основном зависит от трех условий: температуры, постоянного напряжения смещения и длительности эксплуатации (старения). Сведения о температурной нестабильности содержатся в документации изготовителя, и ее легко учесть. К сожалению, изготовитель обычно ничего не говорит о других двух факторах.
При заряде конденсатора до напряжения U в диэлектрике возникает электрическое поле, напряженность которого определяется выражением:
где: E — напряженность электрического поля; T — толщина диэлектрика.
Напряженность E не влияет на диэлектрик класса I, но влияет на параметры диэлектрика класса II и, следовательно, на емкость конденсатора. На рис. 2 приведены экспериментальные результаты влияния постоянного смещения на конденсаторы емкостью 4,7 мкФ разных производителей. Конденсаторы имели разные типоразмеры и разные нормируемые напряжения.
Рис. 2. Влияние постоянного смещения на конденсаторы емкостью 4,7 мкФ разных производителей
Как видно из рисунка, чем больше типоразмер конденсатора, толщина диэлектрика, нормируемое напряжение, тем меньше постоянное смещение сказывается на емкости конденсатора. Однако отметим, что и при одинаковых параметрах конденсаторы разных производителей ведут себя по-разному.
Старению, так же, как и воздействию постоянного смещения, тоже подвержены только конденсаторы с диэлектриком класса II. Причина в том, что их диэлектрик, в отличие от диэлектрика класса I, представляет собой ферроэлектрический материал. Со временем происходит переориентация магнитных диполей и свойства диэлектрика меняются. Старение происходит не только при эксплуатации, но и при хранении конденсаторов.
Однако процесс старения обратим: при нагревании до температуры выше точки Кюри в данном случае +125 °С) происходит риформинг — емкость конденсатора возвращается к начальной. До +125 °С конденсатор нагревается в печи оплавления, потому отсчет срока службы можно начинать от момента монтажа. Напомним, что точкой Кюри называется температура, при которой происходит фазовый переход в состоянии вещества. В нашем случае диэлектрик конденсатора становится парамагнетиком.
При старении емкость конденсатора изменяется на 3–7% в течение декады, выраженной в часах. Ранее считалось, что механизмы старения действуют независимо, но исследования, проведенные компанией Vishay, показали, что при постоянном смещении темп старения возрастает. Также ускоряет процесс старения повышение температуры.
В т аблице приведены все факторы, влияющие на изменение емкости конденсаторов (по данным Vishay), и остаточная емкость конденсаторов через 100 тыс. ч (около 11,5 лет). Следует учесть, что в промышленных приложениях срок службы изделий достигает 15–20 лет, а иногда и 25 лет, поэтому в таких изделиях желательно использовать конденсаторы с диэлектриком класса I.
Воздействие на конденсатор
Конденсатор 1 мкФ, 25 В
Конденсатор 2,2 мкФ, 10 В
Температура +70 °С
Старение за 100 тыс. ч
Снижение емкости из-за указанных воздействий
Электролитические конденсаторы
Частотные свойства этих конденсаторов хуже, чем у керамических, но они имеют самую высокую плотность емкости. Конденсаторы производятся по одной из трех технологий:
- с жидким электролитом;
- с твердым электролитом из проводящих полимеров;
- гибрид, сочетающий жидкий электролит и проводящие полимеры.
Емкость электролитических конденсаторов с жидким электролитом достигает сотен тысяч микрофарад, но ахиллесовой пятой таких конденсаторов является срок службы, его величина определяется формулой:
(2)
где:
Tx – температура при эксплуатации; L0 — срок службы по документации производителя при заданных режимах эксплуатации; IX — рабочий ток пульсации в схеме; I0 — нормируемый ток пульсации; K = 2 при IX > I0 и K = 4 IX ≤ I0.
Как видно из (2), для того чтобы увеличить срок службы конденсаторов, необходимо уменьшить его температуру и ток пульсаций. Заметим, что с уменьшением частоты уменьшается и максимально допустимое значение тока пульсации. Снизить рабочую температуру конденсатора можно не только за счет конструкции изделия, но и за счет выбора конденсатора большего размера, поскольку при этом увеличивается его поверхность охлаждения.
Конденсаторы с электролитом из проводящих полимеров имеют увеличенный срок службы, малый размер и высокую надежность, их емкость достигает нескольких тысяч микрофарад. Гибридные конденсаторы отличаются хорошей стабильностью, их параметры в меньшей степени зависят от условий эксплуатации. Сказанное иллюстрирует рис. 3 , на котором показана зависимость емкости от частоты для электролитических конденсаторов с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов. Также и сопротивление (ESR) гибридного конденсатора значительно меньше подвержено изменению во всем диапазоне рабочих частот.
Рис. 3. Зависимость емкости от частоты для электролитических конденсаторов с жидким электролитом и для гибридных конденсаторов
Следует еще отметить возможность самовосстановления полимерной пленки гибридных конденсаторов. В месте ее повреждения возрастает ток и из-за дополнительного нагрева разрушается молекулярная структура пленки в этом месте, что приводит к изолированию поврежденного участка и локализации разрушения. Поэтому гибридные конденсаторы более устойчивы к перегрузкам по току.
В компании Panasonic провели эксперимент, в котором гибридный конденсатор с нормируемым пульсирующим током 1,3 А подвергался воздействию пульсирующего тока 3,6 А. За 5 000 ч испытаний параметры конденсатора не вышли за пределы допусков, указанных в документации.
Танталовые конденсаторы
В конденсаторах этого типа отсутствует механизм старения, их параметры стабильны и очень мало зависят от условий эксплуатации. Увы, у них есть серьезный недостаток: при импульсном перенапряжении в них развивается ток короткого замыкания, что приводит к их перегреву и даже к возгоранию. Поэтому такие конденсаторы желательно выбирать с 2–, 2,5-кратным запасом по напряжению и использовать в цепях с токоограничивающими элементами.
Пленочные конденсаторы
По сочетанию параметров емкость — нормируемое напряжение — максимальный ток эти конденсаторы не имеют себе равных для применения в силовой электронике. Их можно использовать и в цепях помехоподавления, и в цепях сглаживания пульсаций тока.
Благодаря способности диэлектрика выдерживать высокую напряженность электрического поля (230–500 В/мкм) и весьма низкому ESR нормируемое напряжение пленочных конденсаторов может достигать нескольких тысяч вольт, а ток пульсации — нескольких десятков ампер.
Существуют две основные технологии производства таких конденсаторов: использование фольги или напыление металла. В первом случае фольгу, служащую обкладкой конденсатора, толщиной не более 5 мкм, помещают между слоями диэлектрика. Вторая технология заключается в напылении алюминия или сплавов цинка на полипропиленовую пленку толщиной 20–50 нм.
Конденсаторы, изготовленные с использованием фольги, допускают значительные максимальные токи, но в них практически отсутствует эффект самовосстановления. А вот в технологии с напылением этот эффект весьма заметен. Пробой такого конденсатора сопровождается электрической дугой, температура в месте пробоя может повыситься до +6000 °С, что приводит к испарению металла и исчезновению проводящего тракта, а следовательно, к восстановлению диэлектрической прочности.
Частотные характеристики конденсаторов
Нетрудно заметить, что схема замещения конденсатора представляет собой последовательный колебательный контур с собственной резонансной частотой ω0 = √1/(ESL × C) и степенью затухания — β = (ESR/2) × √C/ESL. Сопротивлением утечки RL в данном случае можно пренебречь. Примерный вид частотной характеристики импеданса пленочного, керамического и танталового конденсатора приведен на рис. 4. Частотная характеристика импеданса электролитического конденсатора более сглаженная, она изображена на рис. 5.
Рис. 4. Частотная характеристика импеданса пленочного, керамического и танталового конденсатора
Рис. 5. Частотная характеристика электролитического конденсатора
Для того чтобы уменьшить паразитные составляющие ESR и ESL, а следовательно, снизить потери и улучшить частотные свойства конденсаторов, можно вместо одного конденсатора с емкостью С использовать N параллельно включенных конденсаторов с емкостью С/ N. При этом величина емкости не изменится, а ESR и ESL уменьшатся в N раз.