Конденсаторы
1.Маркировка и номиналы конденсаторов
Конденсатор предназначен для «конденсирования» (накопления) электрического заряда.
Принцип действия конденсаторов основан на способности накапливать на обкладках электрические заряды при приложении между ними напряжения. Количественной мерой способности накапливать электрические заряды является емкость конденсатора.
При расчетах в системе СИ емкость конденсатора выражают в фарадах (Ф). Реальные конденсаторы обычно имеют емкость, составляющую миллиардные, миллионные или тысячные доли фарады. Поэтому для маркировки их емкости используются производные единицы: пикофарады (1 пФ = 10^-12 Ф), нанофарады (1 нФ = 1000 пФ = 10^-9 Ф) и микрофарады (1 мкФ = 1000 нФ = 10^-6 Ф).
В простейшем случае конденсатор представляет собой две металлические пластины, разделенные слоем диэлектрика (рисунок 1).
Емкость такого конденсатора, пФ, равна:
S – площадь обкладок конденсатора (см^2),
d – расстояние между обкладками (см).
Емкость такого конденсатора, пФ, равна:
С = 0.0885 εS / d ,
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (ε>1),S – площадь обкладок конденсатора (см^2),
d – расстояние между обкладками (см).
Рисунок 1 - Емкость плоского конденсатора
Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею:
C = C1 + C2.
Если у всех параллельно соединённых конденсаторов (рисунок 2) расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.
Рисунок 2 - Параллельное подключение конденсаторов
При последовательном соединении конденсаторов (рисунок 3) заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счёт разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна:
1/С = 1/С1 + 1/С2.
Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.
Рисунок 3 - Последовательное подключение конденсаторов
По назначению конденсаторы делятся на:
- конденсаторы общего назначения (низкочастотные и высокочастотные);
- конденсаторы специального назначения (высоковольтные, помехоподавляющие, импульсные, дозиметрические, конденсаторы с электрически управляемой емкостью и др.).
По характеру изменения емкости конденсаторы делятся на:
- постоянные;
- переменные;
- полупеременные (подстроечные).
По материалу диэлектрика конденсаторы делятся на:
- с твердым диэлектриком (керамические, стеклянные, стеклокерамические, стеклоэмалевые, слюдяные, бумажные, электролитические, полистирольные, фторопластовые и др.);
- с газообразным диэлектриком;
- с жидким диэлектриком.
По способу крепления конденсаторы делятся на:
- для навесного и печатного монтажа:
- для микромодулей и микросхем.
Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники. С совместно с катушками индуктивности и/или резисторами они используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п.
При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например в фотовспышках, электромагнитных ускорителях, импульсных лазерах с оптической накачкой, генераторах Маркса, генераторах Кокрофта-Уолтона и т. п.
Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.
В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.
Конденсаторы способны накапливать большой заряд и создавать большую напряжённость на обкладках, которая используется для различных целей, например для ускорения заряженных частиц.
Также на основе конденсаторов изготавливаются измерительные преобразователи малых перемещений (малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора), измерительные преобразователи влажности и уровня жидкости (изменение состава диэлектрика приводит к изменению ёмкости).
При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например в фотовспышках, электромагнитных ускорителях, импульсных лазерах с оптической накачкой, генераторах Маркса, генераторах Кокрофта-Уолтона и т. п.
Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.
В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.
Конденсаторы способны накапливать большой заряд и создавать большую напряжённость на обкладках, которая используется для различных целей, например для ускорения заряженных частиц.
Также на основе конденсаторов изготавливаются измерительные преобразователи малых перемещений (малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора), измерительные преобразователи влажности и уровня жидкости (изменение состава диэлектрика приводит к изменению ёмкости).
Маркировка конденсаторов во многом подобна маркировке резисторов. На крупных конденсаторах емкость указывают на корпусе конденсатора в явном виде: 510 пФ; 15 нФ; 0,022 мкФ; 100 мкФ. На зарубежных конденсаторах эти же номинальные значения имеют следующую маркировку: 510 pF; 15 nF; 0.022 μF; 100 μF.
Так же, как и в резисторах, широко применяется буквенно-цифровая маркировка (рисунок 4), где десятичная точка заменяется буквой, обозначающей множитель.
Так же, как и в резисторах, широко применяется буквенно-цифровая маркировка (рисунок 4), где десятичная точка заменяется буквой, обозначающей множитель.
Рисунок 4 - Буквенно-цифровая маркировка конденсаторов
Например, в маркировке конденсаторов встречаются такие обозначения, как M47C, M10C. Здесь, буква М условно означает микрофарад. Значение 47 стоит после М, то есть номинальная ёмкость является дольной частью микрофарады, то есть 0,47 мкФ. Для M10C – 0,1 мкФ. Получается, что конденсаторы с маркировкой M10С и 100nJ обладают одинаковой ёмкостью, а различия имеются лишь в записи. Вторая буква в этом случае обозначает допуск конденсатора, то есть допустимое отклонение его емкости от номинала. В таблице 1 представлена информация по допускам конденсаторов и их буквенному обозначению.
Таблица 1 - Допуски конденсаторов
Таблица 1 - Допуски конденсаторов
Так, если конденсатор имеет маркировку M47C, то его ёмкость равна 0,047 мкФ, а допуск составляет ±10% (по старой маркировке русской буквой). Встретить конденсатор с допуском ±0,25% (по маркировке латинской буквой) в бытовой аппаратуре довольно сложно, поэтому и выбрано значение с большей погрешностью. В основном в бытовой аппаратуре широко применяются конденсаторы с допуском H, M, J, K. Буква, обозначающая допуск, указывается после значения номинальной ёмкости, например: 22nK, 220nM, 470nJ.
На миниатюрных конденсаторах с цифровой маркировкой (рисунок 5) не принято не указывать единицы измерения; их емкость всегда выражают в пикофарадах числовым кодом, в котором первые две цифры являются значащими, а последняя цифра указывает степень N множителя 10^N. Например, маркировка «102» на корпусе конденсатора означает емкость 10∙10^2 пФ = 1000 пФ, а «223» означает 22∙10^3 пФ = 22000 пФ = 22 нФ или 0,022 мкФ.
На миниатюрных конденсаторах с цифровой маркировкой (рисунок 5) не принято не указывать единицы измерения; их емкость всегда выражают в пикофарадах числовым кодом, в котором первые две цифры являются значащими, а последняя цифра указывает степень N множителя 10^N. Например, маркировка «102» на корпусе конденсатора означает емкость 10∙10^2 пФ = 1000 пФ, а «223» означает 22∙10^3 пФ = 22000 пФ = 22 нФ или 0,022 мкФ.
Рисунок 5 - Цифровая маркировка конденсаторов
2.Основные характеристики конденсаторов
Номинальная емкость и допустимое отклонение от номинала. Номинальные значения емкости Сном высокочастотных конденсаторов стандартизированы и определяются рядами Е6, Е12, Е24.
Номинальные значения емкости электролитических конденсаторов определяются рядом: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 50; 100; 200; 300; 500; 1000; 2000; 5000 мкФ.
Номинальные значения емкости бумажных пленочных конденсаторов определяются рядом: 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 20; 40; 60; 80; 100; 200; 400; 600; 800; 1000 мкФ.
В зависимости от назначения в аппаратуре применяют конденсаторы различных классов точности. Конденсаторы I, II и III классов точности являются конденсаторами широкого применения и соответствуют рядам Е24, Е12 и Е6.
Блокировочные и разделительные конденсаторы обычно выбирают по II и III классам точности, а конденсаторы для фильтров – IV, V и VI классы точности.
Номинальное напряжение - это напряжение, при котором конденсатор выполняет свои функции. Диапазон допустимых значений рабочих напряжений конденсаторов лежит в пределах от нескольких вольт до единиц киловольт. Эта величина характеризуется величиной напряжения пробоя и зависит в основном от изоляционных свойств диэлектрика. Все конденсаторы в процессе изготовления подвергаются воздействию испытательного напряжения в течение 2-5 с. В технической документации указывается номинальное напряжение, т. е. такое максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать длительное время при соблюдении условий, указанных в технической документации. Для повышения надежности аппаратуры конденсаторы всегда используют при напряжении, которое меньше номинального.
Токи утечки - диэлектрик между обкладками не идеален и обладает своим, пусть и очень высоким, сопротивлением,, в заряженном конденсаторе через него течет электрический ток (ток утечки). Температурное изменение тока утечки особенно велико у электролитических конденсаторов.
Номинальные значения емкости электролитических конденсаторов определяются рядом: 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30; 50; 100; 200; 300; 500; 1000; 2000; 5000 мкФ.
Номинальные значения емкости бумажных пленочных конденсаторов определяются рядом: 0,25; 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 20; 40; 60; 80; 100; 200; 400; 600; 800; 1000 мкФ.
В зависимости от назначения в аппаратуре применяют конденсаторы различных классов точности. Конденсаторы I, II и III классов точности являются конденсаторами широкого применения и соответствуют рядам Е24, Е12 и Е6.
Блокировочные и разделительные конденсаторы обычно выбирают по II и III классам точности, а конденсаторы для фильтров – IV, V и VI классы точности.
Номинальное напряжение - это напряжение, при котором конденсатор выполняет свои функции. Диапазон допустимых значений рабочих напряжений конденсаторов лежит в пределах от нескольких вольт до единиц киловольт. Эта величина характеризуется величиной напряжения пробоя и зависит в основном от изоляционных свойств диэлектрика. Все конденсаторы в процессе изготовления подвергаются воздействию испытательного напряжения в течение 2-5 с. В технической документации указывается номинальное напряжение, т. е. такое максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать длительное время при соблюдении условий, указанных в технической документации. Для повышения надежности аппаратуры конденсаторы всегда используют при напряжении, которое меньше номинального.
Токи утечки - диэлектрик между обкладками не идеален и обладает своим, пусть и очень высоким, сопротивлением,, в заряженном конденсаторе через него течет электрический ток (ток утечки). Температурное изменение тока утечки особенно велико у электролитических конденсаторов.
Стабильность емкости определяется ее изменением под воздействием внешних факторов. Наибольшее влияние на величину емкости оказывает температура. Ее влияние оценивается температурным коэффициентом емкости (ТКЕ):
ТКЕ = ΔС / С0ΔТ.
Температурное изменение емкости обусловлено изменением диэлектрической проницаемости диэлектрика, изменением линейных размеров обкладок конденсатора и диэлектрика.(рисунок 6).
Рисунок 6 - Температурный коэффициент емкости
У высокочастотных конденсаторов величина ТКЕ не зависит от температуры и указывается на корпусе конденсатора путем окраски корпуса в определенный цвет и нанесения цветной метки.
Для конденсаторов с предсказуемой монотонно изменяющейся зависимостью емкости от температуры, то есть с известным значением ТКЕ, введены группы термостабильности, указываемые на корпусе конденсатора вместе с его номинальной емкостью. Для этой группы конденсаторов во всем диапазоне рабочих температур с определенным допуском, достигающим ±20-100% от объявленной величины, ТКЕ может быть задан как постоянная величина. В таблице 2 представлены группы термостабильности конденсаторов с постоянным температурным коэффициентом емкости.
Таблица 2 - Группы термостабильности конденсаторов с постоянным ТКЕ
Для конденсаторов с предсказуемой монотонно изменяющейся зависимостью емкости от температуры, то есть с известным значением ТКЕ, введены группы термостабильности, указываемые на корпусе конденсатора вместе с его номинальной емкостью. Для этой группы конденсаторов во всем диапазоне рабочих температур с определенным допуском, достигающим ±20-100% от объявленной величины, ТКЕ может быть задан как постоянная величина. В таблице 2 представлены группы термостабильности конденсаторов с постоянным температурным коэффициентом емкости.
Таблица 2 - Группы термостабильности конденсаторов с постоянным ТКЕ
Обозначение группы термостабильности конденсаторов отечественного производства, у которых в пределах рабочих температур изменение емкости не имеет монотонного характера, начинается с русской буквы Н, далее указывается допуск (в процентах) изменения емкости.
Таблица 3 - Группы термостабильности конденсаторов с неопределенным ТКЕ
Таблица 3 - Группы термостабильности конденсаторов с неопределенным ТКЕ
Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением (в большинстве случаев этим параметром можно пренебречь) и индуктивностью, которая на низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности..
3.Конденсаторы в цепи постоянного и переменного тока
Зарядка конденсатора – процесс изменения тока и напряжения на конденсаторе, подключенном последовательно с сопротивлением к источнику ЭДС.
Разрядка конденсатора – процесс изменения тока в цепи и напряжения на заряженном конденсаторе, замкнутом на сопротивление.
Переходные процессы в электрических цепях – это явления, возникающие при переходе от одного режима работы электрической цепи к другому, отличающемуся от предыдущего амплитудой, фазой, формой или частотой действующего в цепи напряжения, значениями параметров или конфигурацией цепи. Переходные процессы возникают главным образом при коммутациях в электрических цепях и обусловлены тем, что напряжение на конденсаторе не может изменяться скачком, то есть энергия электрического и магнитного полей в ёмкостных элементах цепи не может изменяться мгновенно.
Разрядка конденсатора – процесс изменения тока в цепи и напряжения на заряженном конденсаторе, замкнутом на сопротивление.
Переходные процессы в электрических цепях – это явления, возникающие при переходе от одного режима работы электрической цепи к другому, отличающемуся от предыдущего амплитудой, фазой, формой или частотой действующего в цепи напряжения, значениями параметров или конфигурацией цепи. Переходные процессы возникают главным образом при коммутациях в электрических цепях и обусловлены тем, что напряжение на конденсаторе не может изменяться скачком, то есть энергия электрического и магнитного полей в ёмкостных элементах цепи не может изменяться мгновенно.
Теоретически переходный процесс длится неограниченно долго, так как напряжение и сила тока в электрической цепи после коммутации приближаются к конечному (установившемуся) значению и сила тока достигает значений, отличных от установившихся на 5-10%, что происходит за конечный, сравнительно короткий промежуток времени. Режим электрической цепи, который характеризуется постоянными или периодически изменяющимися токами и напряжениями, называется установившимся.
Простейшим примером переходного процесса может служить зарядка конденсатора ёмкостью от источника постоянного тока. Начиная с момента времени t = 0, когда замыкается ключ, ток в цепи уменьшается по экспоненциальному закону, приближаясь к нулю, а напряжение увеличивается, асимптотически стремясь к значению, равному ЭДС источника. Скорость изменения напряжения и тока зависит от ёмкости конденсатора и сопротивления в цепи: чем больше ёмкость и сопротивление, тем длительнее процесс зарядки (рисунок 7)..
Через интервал времени τ = R · C, называемый постоянной времени зарядки конденсатора, напряжение на его обкладках достигает значения Uc = 0,63 ∙ E, а сила тока i = 0,37 ∙ I0, где I0 – начальная сила тока, равная отношению LC к сопротивлению цепи. Через интервал времени 5τ напряжение Uc > 0,99 ∙ E, а сила тока i < 0,01 ∙ I0, и с погрешностью менее 1% переходный процесс можно считать закончившимся. За время переходного процесса энергия электрического поля конденсатора увеличивается от нуля до величины C·U^2/2.
Простейшим примером переходного процесса может служить зарядка конденсатора ёмкостью от источника постоянного тока. Начиная с момента времени t = 0, когда замыкается ключ, ток в цепи уменьшается по экспоненциальному закону, приближаясь к нулю, а напряжение увеличивается, асимптотически стремясь к значению, равному ЭДС источника. Скорость изменения напряжения и тока зависит от ёмкости конденсатора и сопротивления в цепи: чем больше ёмкость и сопротивление, тем длительнее процесс зарядки (рисунок 7)..
Через интервал времени τ = R · C, называемый постоянной времени зарядки конденсатора, напряжение на его обкладках достигает значения Uc = 0,63 ∙ E, а сила тока i = 0,37 ∙ I0, где I0 – начальная сила тока, равная отношению LC к сопротивлению цепи. Через интервал времени 5τ напряжение Uc > 0,99 ∙ E, а сила тока i < 0,01 ∙ I0, и с погрешностью менее 1% переходный процесс можно считать закончившимся. За время переходного процесса энергия электрического поля конденсатора увеличивается от нуля до величины C·U^2/2.
Рисунок 7 - Зарядка конденсатора в цепи постоянного тока
Как известно, зависимости тока и напряжения на конденсаторе во время переходных процессов в RC-цепях с источниками постоянного напряжения описываются экспоненциальной функцией. Если конденсатор изначально не заряжен, то к моменту полной зарядки напряжение на нем становится равным напряжению источника питания U0. Если в начале переходного процесса конденсатор был заряжен до напряжения U0, то к концу переходного процесса он разряжается до нуля.
Рисунок 8 - Разрядка конденсатора на нагрузку
В цепи переменного тока генератор переменного тока создает синусоидальное напряжение. При замыкании ключа в первую четверть периода (рисунок 9) напряжение на зажимах генератора будет возрастать, начиная от нуля, и конденсатор начнет заряжаться. В цепи появится ток, однако в первый момент заряда конденсатора несмотря на то, что напряжение на его пластинах только что появилось и еще очень мало, ток в цепи (ток заряда) будет наибольшим. По мере же увеличения заряда конденсатора ток в цепи убывает и доходит до нуля в момент, когда конденсатор полностью зарядится. При этом напряжение на пластинах конденсатора становится к этому моменту максимальным, но обратного знака, то есть направлено навстречу напряжению генератора.
Рисунок 9 - Конденсатор в цепи переменного тока
С началом второй четверти периода, когда напряжение генератора начнет сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее убывать, заряженный конденсатор будет разряжаться на генератор, что вызовет в цепи ток разряда. По мере убывания напряжения генератора конденсатор все больше и больше разряжается и ток разряда в цепи возрастает. Направление тока разряда в этой четверти периода противоположно направлению тока заряда в первой четверти периода. Соответственно этому кривая тока, пройдя нулевое значение, располагается уже теперь ниже оси времени.
К концу первого полупериода напряжение на генераторе, а также и на конденсаторе быстро приближается к нулю, а ток в цепи медленно достигает своего максимального значения.
С началом третьей четверти периода конденсатор вновь начинает заряжаться, но полярность его пластин так же, как и полярность генератора, изменяется на обратную, а ток, продолжая течь в том же направлении, начинает по мере заряда конденсатора убывать. В конце третьей четверти периода, когда напряжения на генераторе и конденсаторе достигают своего максимума, ток становится равным нулю.
В последнюю четверть периода напряжение, уменьшаясь, падает до нуля, а ток, изменив свое направление в цепи, достигает максимальной величины. На этом и заканчивается период, за которым начинается следующий, в точности повторяющий предыдущий, и т. д.
К концу первого полупериода напряжение на генераторе, а также и на конденсаторе быстро приближается к нулю, а ток в цепи медленно достигает своего максимального значения.
С началом третьей четверти периода конденсатор вновь начинает заряжаться, но полярность его пластин так же, как и полярность генератора, изменяется на обратную, а ток, продолжая течь в том же направлении, начинает по мере заряда конденсатора убывать. В конце третьей четверти периода, когда напряжения на генераторе и конденсаторе достигают своего максимума, ток становится равным нулю.
В последнюю четверть периода напряжение, уменьшаясь, падает до нуля, а ток, изменив свое направление в цепи, достигает максимальной величины. На этом и заканчивается период, за которым начинается следующий, в точности повторяющий предыдущий, и т. д.
Итак, под действием переменного напряжения генератора дважды за период происходят заряд конденсатора (первая и третья четверти периода) и дважды его разряд (вторая и четвертая четверти периода). Но так как чередующиеся один за другим заряды и разряды конденсатора сопровождаются каждый раз прохождением по цепи зарядного и разрядного токов, то можно заключить, что по цепи с емкостью проходит переменный ток (рисунок 10).
Если рассматривать конденсатор как идеальный элемент, тепловые потери в котором не происходят, то изменение мощности на конденсаторе происходит с в два раза большей частотой, чем частота переменного тока – в 1 и 3 четверти периода конденсатор запасает мощность, отбирая ее от источника, а во 2 и 4 четвертях отдает ее в нагрузку.
Если рассматривать конденсатор как идеальный элемент, тепловые потери в котором не происходят, то изменение мощности на конденсаторе происходит с в два раза большей частотой, чем частота переменного тока – в 1 и 3 четверти периода конденсатор запасает мощность, отбирая ее от источника, а во 2 и 4 четвертях отдает ее в нагрузку.
Рисунок 10 - Изменение мощности конденсатора в цепи переменного тока
4.Конденсаторы с бумажной и полимерной изоляцией
В бумажных конденсаторах в качестве диэлектрика применяется конденсаторная бумага толщиной от 6 до 10 мкм с невысокой диэлектрической проницаемостью (ε≈2…3), поэтому габариты этих конденсаторов большие. Обычно бумажные конденсаторы изготавливают из двух длинных, свернутых в рулон лент фольги, изолированных конденсаторной бумагой, т. е. конденсаторы имеют рулонную конструкцию (рисунок 11).
Чтобы избавиться от воздушных потерь, конденсаторы пропитывают воском или маслом. Из-за больших диэлектрических потерь и большой величины собственной индуктивности эти конденсаторы нельзя применять на высоких частотах.
Чтобы избавиться от воздушных потерь, конденсаторы пропитывают воском или маслом. Из-за больших диэлектрических потерь и большой величины собственной индуктивности эти конденсаторы нельзя применять на высоких частотах.
Рисунок 11 - Конструкция бумажного конденсатора
Поскольку бумага толщиной несколько микрон может содержать частицы металла (10-1000 частиц на квадратный метр), используют два слоя бумаги, что позволяет избежать токопроводящих дорожек (рисунок 12). Но чем тоньше бумага, тем больше диэлектрическая прочность. В итоге золотая середина – 15-25 мкм, что позволяет использовать напряжение 150-3000 В.
Рисунок 12 - К повышению электрической прочности
Разновидностью бумажных конденсаторов являются металлобумажные, у которых в качестве обкладок вместо фольги используют тонкую металлическую пленку, нанесенную на конденсаторную бумагу, благодаря чему уменьшаются габариты конденсатора.
Рулон из чередующихся слоев металла и бумаги не обладает механической жесткостью и прочностью, поэтому он размещается в металлическом корпусе, являющемся механической основой конструкции (рисунок 13).
Емкость бумажных конденсаторов достигает 10 мкФ, а металлобумажных – 30 мкФ.
Рулон из чередующихся слоев металла и бумаги не обладает механической жесткостью и прочностью, поэтому он размещается в металлическом корпусе, являющемся механической основой конструкции (рисунок 13).
Емкость бумажных конденсаторов достигает 10 мкФ, а металлобумажных – 30 мкФ.
Рисунок 13 - Внешний вид бумажных конденсаторов
Если сделать смещенные обкладки друг относительно друга и потом пропаять торцы – то получится как бы коаксиальный конденсатор, что позволит значительно повысить его частотные свойства (рисунок 14).
Основной недостаток бумажных конденсаторов – их большие размеры, и для решения этой проблемы используются различные полимерные изоляторы, что и дало название следующему классу конденсаторов – конденсаторы с полимерной изоляцией. Их конструкция абсолютно такая же, как и у бумажных, только в качестве диэлектрика вместо бумаги используются различные полимерные пленки.
Основной недостаток бумажных конденсаторов – их большие размеры, и для решения этой проблемы используются различные полимерные изоляторы, что и дало название следующему классу конденсаторов – конденсаторы с полимерной изоляцией. Их конструкция абсолютно такая же, как и у бумажных, только в качестве диэлектрика вместо бумаги используются различные полимерные пленки.
Рисунок 14 - Повышение частотных свойств
К наиболее широко распространенным можно отнести следующие.
Полистирольные конденсаторы имеют отличную стабильность, высокую влагостойкость и малый отрицательный температурный коэффициент, позволяющий применять их для компенсации позитивного температурного коэффициента других компонентов. Они идеальны для маломощных высокочастотных и прецизионных аналоговых задач, однако сравнительно велики по размеру.
Поликарбонатные конденсаторы имеют высокое сопротивление изоляции, низкий тангенс угла потерь и диэлектрическую адсорбцию в сравнении с полистирольными конденсаторами. Обладают лучшей влагостойкостью. Выдерживают полное рабочее напряжение на всём температурном диапазоне.
Полипропиленовые конденсаторы имеют чрезвычайно низкий тангенс угла потерь, более высокую диэлектрическую прочность, чем у поликарбонатных и ПЭТ конденсаторов. Низкая гигроскопичность и высокое сопротивление изоляции. В качестве обкладок могут использоваться полоски фольги, металлизированная плёнка или их комбинации. Могут работать на высоких частотах, в том числе при большой мощности, например для индукционного нагрева (часто вместе с водяным охлаждением), благодаря очень низким диэлектрическим потерям. При более высоких ёмкостях и рабочем напряжении, например от 1 до 100 мкФ и напряжением до 440 В переменного тока, могут применяться как пусковые для работы с некоторыми типами однофазных электрических моторов. Более чувствительны к повреждениям от кратковременных перенапряжений, чем пропитанные маслом бумажные конденсаторы.
Полисульфоновые плёночные конденсаторы аналогичны поликарбонатным. Могут выдерживать полное номинальное напряжение на сравнительно высоких температурах. Поглощение влаги составляет около 0,2%, что ограничивает их стабильность.
Тефлоновые конденсаторы характеризуются очень низкими диэлектрическими потерями. Рабочая температура до 250 ℃, огромное сопротивление изоляции, хорошая стабильность. Используются в критичных задачах. Большой размер из-за низкой диэлектрической постоянной, более высокая цена в сравнении с другими конденсаторами.
Основные параметры описанных выше конденсаторов с полимерной изоляцией представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Параметры конденсаторов с полимерной изоляцией
Полистирольные конденсаторы имеют отличную стабильность, высокую влагостойкость и малый отрицательный температурный коэффициент, позволяющий применять их для компенсации позитивного температурного коэффициента других компонентов. Они идеальны для маломощных высокочастотных и прецизионных аналоговых задач, однако сравнительно велики по размеру.
Поликарбонатные конденсаторы имеют высокое сопротивление изоляции, низкий тангенс угла потерь и диэлектрическую адсорбцию в сравнении с полистирольными конденсаторами. Обладают лучшей влагостойкостью. Выдерживают полное рабочее напряжение на всём температурном диапазоне.
Полипропиленовые конденсаторы имеют чрезвычайно низкий тангенс угла потерь, более высокую диэлектрическую прочность, чем у поликарбонатных и ПЭТ конденсаторов. Низкая гигроскопичность и высокое сопротивление изоляции. В качестве обкладок могут использоваться полоски фольги, металлизированная плёнка или их комбинации. Могут работать на высоких частотах, в том числе при большой мощности, например для индукционного нагрева (часто вместе с водяным охлаждением), благодаря очень низким диэлектрическим потерям. При более высоких ёмкостях и рабочем напряжении, например от 1 до 100 мкФ и напряжением до 440 В переменного тока, могут применяться как пусковые для работы с некоторыми типами однофазных электрических моторов. Более чувствительны к повреждениям от кратковременных перенапряжений, чем пропитанные маслом бумажные конденсаторы.
Полисульфоновые плёночные конденсаторы аналогичны поликарбонатным. Могут выдерживать полное номинальное напряжение на сравнительно высоких температурах. Поглощение влаги составляет около 0,2%, что ограничивает их стабильность.
Тефлоновые конденсаторы характеризуются очень низкими диэлектрическими потерями. Рабочая температура до 250 ℃, огромное сопротивление изоляции, хорошая стабильность. Используются в критичных задачах. Большой размер из-за низкой диэлектрической постоянной, более высокая цена в сравнении с другими конденсаторами.
Основные параметры описанных выше конденсаторов с полимерной изоляцией представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Параметры конденсаторов с полимерной изоляцией
5.Слюдяные, стеклянные и керамические конденсаторы
Слюдяной конденсатор – электрический конденсатор, у которого диэлектриком служит листовая слюда (мусковит, флогопит), расщепленная на тонкие пластинки (до 0,01 мм), а обкладками – фольга или слой напыленного на слюду металла (рисунок 18). Емкость 10 пФ – 1 мкФ, рабочее напряжение до 0,15 кВ, рабочая частота до нескольких МГц.
Слюда – группа минералов-алюмосиликатов, обладающих слоистой структурой, это один из наиболее распространённых породообразующих минералов интрузивных, метаморфических и осадочных горных пород, а также важное полезное ископаемое. Основные плюсы ее применения в конденсаторах – она не стареет и обладает самым маленький тангенсом угла потерь (2∙10^-4). Кроме того, слюда обладает очень высоким напряжением пробоя – до 500 кВ/мм.
Слюда – группа минералов-алюмосиликатов, обладающих слоистой структурой, это один из наиболее распространённых породообразующих минералов интрузивных, метаморфических и осадочных горных пород, а также важное полезное ископаемое. Основные плюсы ее применения в конденсаторах – она не стареет и обладает самым маленький тангенсом угла потерь (2∙10^-4). Кроме того, слюда обладает очень высоким напряжением пробоя – до 500 кВ/мм.
Пакетная конструкция (рисунок 15) применяется в слюдяных, а также стеклоэмалевых, стеклокерамических и некоторых типах керамических конденсаторов и представляет собой пакет диэлектрических пластин толщиной около 0,04 мм, на которые напылены металлизированные обкладки, соединяемые в общий контакт полосками фольги. Собранный пакет спрессовывается обжимами, к которым присоединяются гибкие выводы, и покрывается влагозащитной эмалью. Количество пластин в пакете достигает 100. Емкость такого конденсатора прямо пропорциональна числу пластин в пакете.
Рисунок 15 - Конструкция слюдяных конденсаторов
Дальнейшим развитием слюдяных конденсаторов явились стеклянные, стеклокерамические и стеклоэмалевые конденсаторы. Эти конденсаторы, как и керамические, относятся к категории высокочастотных. Они состоят из тонких слоев диэлектрика, на которые нанесены тонкие металлические пленки. Для придания конструкции монолитности такой набор спекают при высокой температуре. Конденсаторы такого типа обладают высокой теплостойкостью и могут работать при температурах до 300 ℃. Стеклокерамика имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, чем стекло, а стеклоэмаль обладает более высокой электрической прочностью.
Еще одним конденсатором, конструкция которого подобна слюдяному, является керамический конденсатор, у которого диэлектриком служит керамика на основе, главным образом, титанатов циркония (ZrTiO3), кальция (CaTiO3), никеля (NiTiO3) и бария (BaTiO3); в особых случаях применяют конденсаторную керамику на базе Al2O3, SiO2, MgO и др.
Эти конденсаторы просты в изготовлении и дешевы. Численные значения ТКЕ керамических конденсаторов лежат в пределах от –200 до +100 ppm/℃. Применяя параллельное включение конденсаторов с разными знаками ТКЕ, можно получить достаточно высокую стабильность результирующей емкости. Ёмкость керамических конденсаторов составляет от долей пикофарад до нескольких микрофарад; рабочее напряжение – от нескольких десятков вольт до десятков киловольт. Эти конденсаторы широко применяются в высокочастотных цепях.
Основой конструкции керамического конденсатора является заготовка из керамики, на две стороны которой нанесены металлические обкладки. Конструкция может быть трубчатой, дисковой или секционированной.
Еще одним конденсатором, конструкция которого подобна слюдяному, является керамический конденсатор, у которого диэлектриком служит керамика на основе, главным образом, титанатов циркония (ZrTiO3), кальция (CaTiO3), никеля (NiTiO3) и бария (BaTiO3); в особых случаях применяют конденсаторную керамику на базе Al2O3, SiO2, MgO и др.
Эти конденсаторы просты в изготовлении и дешевы. Численные значения ТКЕ керамических конденсаторов лежат в пределах от –200 до +100 ppm/℃. Применяя параллельное включение конденсаторов с разными знаками ТКЕ, можно получить достаточно высокую стабильность результирующей емкости. Ёмкость керамических конденсаторов составляет от долей пикофарад до нескольких микрофарад; рабочее напряжение – от нескольких десятков вольт до десятков киловольт. Эти конденсаторы широко применяются в высокочастотных цепях.
Основой конструкции керамического конденсатора является заготовка из керамики, на две стороны которой нанесены металлические обкладки. Конструкция может быть трубчатой, дисковой или секционированной.
Трубчатая конструкция представляет собой керамическую трубку с толщиной стенок около 0,25 мм, на внутреннюю и внешнюю поверхность которой методом вжигания нанесены серебряные обкладки. Для присоединения гибких проволочных выводов внутреннюю обкладку выводят на внешнюю поверхность трубки и создают между ней и внешней обкладкой изолирующий поясок, снаружи на трубку наносится защитная пленка из изоляционного вещества (рисунок 16).
Рисунок 16 - Трубчатый керамический конденсатор
Дисковая конструкция характерна для высокочастотных керамических конденсаторов: на керамический диск с двух сторон вжигаются серебряные обкладки, к которым присоединяются гибкие выводы (рисунок 17). Емкость такого конденсатора невелика и лимитируется площадью обкладок.
Рисунок 17 - Дисковый керамический конденсатор
Литая секционированная конструкция характерна для монолитных многослойных керамических конденсаторов, получивших в последние годы широкое распространение, в том числе в аппаратуре с ИМС (рисунок 18).Такие конденсаторы изготовляют путем литья горячей керамики, в результате которого получают керамическую заготовку с толщиной стенок около 100 мкм и прорезями (пазами) между ними, толщина которых составляет порядка 130-150 мкм. Затем эта заготовка окунается в серебряную пасту, которая заполняет пазы, после чего осуществляют вжигание серебра в керамику. В результате образуются две группы серебряных пластин, расположенных в пазах керамической заготовки, к которым припаиваются гибкие выводы. Снаружи вся структура покрывается защитной пленкой. В конденсаторах, предназначенных для установки в гибридных ИМС, гибкие выводы отсутствуют, они содержат торцевые контактные поверхности, которые присоединяются к контактным площадкам ГИС.
Рисунок 18 - Секционированный конденсатор
6.Конденсаторы переменной емкости, вариконды
Конденсаторы переменной емкости можно разделить на два вида – с механическим изменением емкости (собственно и называемыми переменными или подстроечными) и с электрическим изменением емкости (вариконды и варикапы).
Подстроенные (полупеременные) конденсаторы отличаются от переменных тем, что их емкость изменяется в процессе производства или регулировки прибора, а в процессе эксплуатации емкость таких конденсаторов должна сохраняться постоянной и не изменяться под воздействием вибрации и ударов.
Подстроенные (полупеременные) конденсаторы отличаются от переменных тем, что их емкость изменяется в процессе производства или регулировки прибора, а в процессе эксплуатации емкость таких конденсаторов должна сохраняться постоянной и не изменяться под воздействием вибрации и ударов.
Переменные конденсаторы могут быть с воздушным или твердым диэлектриком. На рисунке 19 показано устройство подстроечного конденсатора с твердым диэлектриком. Такой конденсатор состоит из основания статора и вращающего сегмента – ротора. На основание и диск напылены серебряные пленки полукруглой формы, между ними находится твердый диэлектрик, не показанные на рисунке. При вращении ротора изменяется площадь перекрытия пленок, а следовательно, емкость конденсатора. Как правило, минимальная емкость (когда пленки не перекрыты) составляет несколько пикофарад, а при полном перекрытии пленок емкость конденсатора будет максимальной, величина этой емкости составляет несколько десятков пикофарад. От ротора и статора отходят внешние выводы.
Рисунок 19 - Конструкция переменного конденсатора
По типу диэлектрика конденсаторы делятся на вакуумные; воздушные; газонаполненные; с твердым и жидким диэлектриком.
На рисунке 20 показано устройство многосекционного конденсатора с воздушным диэлектриком. На керамическом основании установлены колонки для крепления пластин статора. Пластины ротора закреплены на оси ротора. Посредством пружины-токосъемника ротор подключается к соответствующим точкам принципиальной схемы.
На рисунке 20 показано устройство многосекционного конденсатора с воздушным диэлектриком. На керамическом основании установлены колонки для крепления пластин статора. Пластины ротора закреплены на оси ротора. Посредством пружины-токосъемника ротор подключается к соответствующим точкам принципиальной схемы.
Рисунок 20 - Переменный конденсатор с несколькими обкладками
К конденсаторам с электрическим изменением емкости относятся вариконды и варикапы.
Вариконды – это конденсаторы, емкость которых зависит от напряженности электрического поля. Они выполняются на основе сегнетоэлектриков (титаната бария, стронция, кальция и т. д). Для них характерны высокие значения относительной диэлектрической проницаемости и ее сильная зависимость от напряженности электрического поля и температуры. Применяются вариконды как элементы настройки колебательных контуров. Если вариконд включить в цепь резонансного LC-контура и изменять постоянное напряжение, подводимое к нему от источника, имеющего высокое внутреннее сопротивление (оно необходимо для того, чтобы источник не ухудшал добротность колебательного контура), то можно изменять резонансную частоту этого контура.
Вариконды – это конденсаторы, емкость которых зависит от напряженности электрического поля. Они выполняются на основе сегнетоэлектриков (титаната бария, стронция, кальция и т. д). Для них характерны высокие значения относительной диэлектрической проницаемости и ее сильная зависимость от напряженности электрического поля и температуры. Применяются вариконды как элементы настройки колебательных контуров. Если вариконд включить в цепь резонансного LC-контура и изменять постоянное напряжение, подводимое к нему от источника, имеющего высокое внутреннее сопротивление (оно необходимо для того, чтобы источник не ухудшал добротность колебательного контура), то можно изменять резонансную частоту этого контура.
Зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности поля для разных сегнетоэлектриков представлены на рисунке 21. При увеличении поля, в соответствии с законом изменения поляризации Р(Е~), диэлектрическая проницаемость растет, достигает максимума и уменьшается.
Степень нелинейности оценивается по изменению диэлектрической проницаемости материала (или емкости вариконда) под воздействием постоянного и переменного напряжений, приложенных к образцам. Наиболее распространенной конструкцией варикондов является дисковая с диаметром от 1 до 25 мм и толщиной 0,4-0,8 мм; для малых номинальных значений емкости вариконды делаются в виде шарика, для средних – в виде диска, для больших – в виде блока, состоящего из нескольких параллельно включенных дисков. Для предохранения поверхности варикондов от загрязнения последние покрываются защитным лаком или компаундом.
Степень нелинейности оценивается по изменению диэлектрической проницаемости материала (или емкости вариконда) под воздействием постоянного и переменного напряжений, приложенных к образцам. Наиболее распространенной конструкцией варикондов является дисковая с диаметром от 1 до 25 мм и толщиной 0,4-0,8 мм; для малых номинальных значений емкости вариконды делаются в виде шарика, для средних – в виде диска, для больших – в виде блока, состоящего из нескольких параллельно включенных дисков. Для предохранения поверхности варикондов от загрязнения последние покрываются защитным лаком или компаундом.
Рисунок 21 - Зависимость диэлектрической проницаемости от напряжения для различных сегнетоэлектриков
Еще одним видом конденсаторов с электрическим изменением емкости являются варикапы, которые представляют из себя гибрид переменного конденсатора и диода.
7.Электролитические конденсаторы
Емкость конденсатора зависит от площади каждой обкладки, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды. Электролитический конденсатор отличается от рассмотренных выше тем, что в нем реализована идея, позволяющая максимально уменьшить толщину диэлектрика.
В электролитическом конденсаторе одной из обкладок является алюминиевая фольга, диэлектриком – слой оксида алюминия, образовавшийся на ней, а второй обкладкой – не вторая фольга, а собственно электролит, которым заполнено пространство между оксидированной и неоксидированной фольгой (рисунок 22). Бумага в данном случае насквозь пропитана электролитом и не несет функции диэлектрика – она только механически защищает слои оксидированной и неоксидированной фольги от соприкосновения, что при нарушении оксидного слоя могло бы вызвать пробой.
Рисунок 22 - Конструкция электролитического конденсатора
В электролитическом конденсаторе ленты из фольги разделяют очень тонкой бумажной прокладкой, пропитанной электролитом. Ее величина около 1 мкм, что позволяет значительно повысить емкость конденсатора. Плотное прижатие слоев обеспечивает резиновый уплотнитель, а всю конструкцию сворачивают в рулон для помещения в цилиндрический корпус. На концах фольги методами холодной сварки приваривают металлические пластины, обеспечивающие контакты для подключения к электрической схеме в качестве катода и анода, причем положительный вывод образуется на пластине с оксидным слоем. Роль катода выполняет электролит, который контактирует со всей поверхностью второй обкладки. Поскольку емкость конденсатора зависит от площади пластин, то в технологию производства включен один из способов ее увеличения – это рифление поверхности со стороны электролита методами химического травления. Оно может выполняться за счет химической эрозии либо электрохимической коррозии. На рисунке 25 видно, что слой оксидированной фольги не ровный, а рифленый, что и позволяет в 1,5-2 раза повысить площадь обкладок. Оксидный слой на фольге создается во время электрического окисления. Этот процесс происходит при прохождении первый раз тока сквозь электролит.
Конденсатор нормально работает при номинальном напряжении и температуре. Если возникает перенапряжение, то возобновляется формирование слоя оксидов и начинает выделяться большое количество тепла, что ведет к газообразованию и повышению давления внутри герметичного корпуса. Поэтому электролитические конденсаторы способны взрываться, что часто происходило со старыми конструкциями. У современных моделей создается предохранительная мембрана, которая разрушается в начале газообразования и этим предотвращает взрыв. Ее изготавливают в виде насечек букв «Т», «У» или знака «+» (рисунок 23).
Рисунок 23 - Защитная насечка на мембране
Электролитические конденсаторы униполярны: они могут работать при подведении к аноду положительного потенциала, а к катоду – отрицательного. Поэтому их применяют в цепях пульсирующего напряжения, полярность которого не изменяется, например в фильтрах питания. Несмотря на внешне практически неизменную конструкцию конденсаторов, технология их производства продолжает активно развиваться, обеспечивая повышение надежности, уменьшение габаритов и, соответственно, увеличение плотности монтажа.
Другой разновидностью электролитических конденсаторов являются оксидно-полупроводниковые, в которых в качестве катода используется диоксид марганца. В оксидно-металлических функции катода выполняет металлическая пленка оксидного слоя.
Танталовые конденсаторы, которые относятся к классу конденсаторов с оксидным диэлектриком, характеризуются наиболее высокими удельным зарядом и удельной емкостью.
Причина того, что танталовые конденсаторы вынесены в отдельный класс – ε тантала, которая составляет более 20-25. Кроме того, ввиду высокой прочности тантала ленту из него можно делать очень тонкой и вдобавок пористой, что значительно повысит его емкость.
Другой разновидностью электролитических конденсаторов являются оксидно-полупроводниковые, в которых в качестве катода используется диоксид марганца. В оксидно-металлических функции катода выполняет металлическая пленка оксидного слоя.
Танталовые конденсаторы, которые относятся к классу конденсаторов с оксидным диэлектриком, характеризуются наиболее высокими удельным зарядом и удельной емкостью.
Причина того, что танталовые конденсаторы вынесены в отдельный класс – ε тантала, которая составляет более 20-25. Кроме того, ввиду высокой прочности тантала ленту из него можно делать очень тонкой и вдобавок пористой, что значительно повысит его емкость.
Конструкция ленточного танталового конденсатора подобна обычному конденсатору с алюминиевыми электродами, а вот конструкция объемного значительно сложнее (рисунок 24). В качестве анода в танталовом конденсаторе выступает порошок из тантала высокой степени очистки. Этот порошок прессуют и нагревают в вакууме до высокой температуры (1300-2000 ℃). В результате получается пористая структура, похожая на губку. За счёт высокой пористости удаётся получить большую площадь анодной обкладки. Далее при производстве конденсатора формируется диэлектрик. Это делается с помощью электрохимического окисления. Меняя величину приложенного напряжения, формируют необходимую толщину слоя диэлектрика.
Рисунок 24 - Конструкция объемного танталового конденсатора
На пористой поверхности танталового анода образуется плёнка диэлектрика – пентаоксида тантала Ta2O5. Благодаря этому оксиду удаётся получить очень тонкую и непроводящую плёнку. Полученный диэлектрик имеет аморфную структуру и не проводит ток. Также существует кристаллический Ta2O5, но в отличие от аморфного он является проводником. Толщина слоя диэлектрика у танталового конденсатора составляет от 10 до 100 нанометров. В качестве электролита в танталовых конденсаторах используется диоксид марганца MnO2. Данный оксид является твердотельным полупроводниковым материалом. Полученную ранее губчатую структуру из пористого танталового порошка с образованным слоем диэлектрика пропитывают солями марганца. Далее с помощью окислительно-восстановительной реакции под нагревом формируют слой твёрдого электролита. Процесс повторяется несколько раз.
Для наилучшего контакта с выводом катода твёрдый электролит MnO2 покрывают слоем графита, а на его поверхность наносят металл. При эксплуатации таких конденсаторов нельзя допускать их перегрева, так как под действием внешней температуры и высокого напряжения в диэлектрике образуются участки с кристаллическим Ta2O5. Это приводит к резкому возрастанию токов утечки и пробою. При малых областях кристаллизации Ta2O5 может проявляться эффект восстановления.
Обычно танталовые конденсаторы встречаются на печатных платах в виде SMD-элементов жёлто-оранжевого цвета. Несмотря на свои скромные размеры, они обладают ёмкостью в несколько десятков – сотен микрофарад и рассчитаны на рабочее напряжение от 4 до 75 вольт. Танталовые конденсаторы для монтажа в отверстия обычно имеют каплевидную форму, покрыты жёлто-оранжевым компаундом и имеют со стороны плюсового вывода метку в виде линии. Маркировка танталовых конденсаторов похожа на маркировку керамических. Ёмкость указывается тремя цифрами, последняя указывает на количество нулей. Таким образом, запись 226 говорит о том, что ёмкость равна 22000000 пФ = 22000 нФ = 22 мкФ.
Для наилучшего контакта с выводом катода твёрдый электролит MnO2 покрывают слоем графита, а на его поверхность наносят металл. При эксплуатации таких конденсаторов нельзя допускать их перегрева, так как под действием внешней температуры и высокого напряжения в диэлектрике образуются участки с кристаллическим Ta2O5. Это приводит к резкому возрастанию токов утечки и пробою. При малых областях кристаллизации Ta2O5 может проявляться эффект восстановления.
Обычно танталовые конденсаторы встречаются на печатных платах в виде SMD-элементов жёлто-оранжевого цвета. Несмотря на свои скромные размеры, они обладают ёмкостью в несколько десятков – сотен микрофарад и рассчитаны на рабочее напряжение от 4 до 75 вольт. Танталовые конденсаторы для монтажа в отверстия обычно имеют каплевидную форму, покрыты жёлто-оранжевым компаундом и имеют со стороны плюсового вывода метку в виде линии. Маркировка танталовых конденсаторов похожа на маркировку керамических. Ёмкость указывается тремя цифрами, последняя указывает на количество нулей. Таким образом, запись 226 говорит о том, что ёмкость равна 22000000 пФ = 22000 нФ = 22 мкФ.
8.Ионисторы
Ионистор – это некий гибрид конденсатора и аккумулятора. В зарубежной литературе ионистор называют сокращённо EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor, то есть конденсатор с двойным электрическим слоем. Работа ионистора основана на электрохимических процессах. Отличие ионистора от конденсатора заключается в том, что между его электродами нет специального слоя из диэлектрика. Взамен этого электроды у ионистора сделаны из веществ, обладающих противоположенными типами носителей заряда.
Электрическая ёмкость конденсатора зависит от площади обкладок: чем она больше, тем больше ёмкость. Поэтому электроды ионисторов чаще всего делают из вспененного углерода или активированного угля (рисунок 25).
Благодаря этому приёму удаётся получить большую площадь своеобразных «обкладок». Электроды разделяются сепаратором, и всё это находится в электролите. Сепаратор необходим только для защиты электродов от короткого замыкания. Электролит же выполняется на основе растворов кислот и щелочей и является кристаллическим и твёрдым.
Благодаря этому приёму удаётся получить большую площадь своеобразных «обкладок». Электроды разделяются сепаратором, и всё это находится в электролите. Сепаратор необходим только для защиты электродов от короткого замыкания. Электролит же выполняется на основе растворов кислот и щелочей и является кристаллическим и твёрдым.
Рисунок 25 - Конструкция ионистора
При подаче напряжения на электроды конденсатора частицы активированного угля поляризуются, и на их поверхности формируется заряд того или иного знака. Ионы электролита движутся к частицам активированного угля и собираются вокруг них, образуя двойной электрический слой. Сосредоточившись на границе раздела сред электрода и электролита, катионы и анионы уравновешивают заряд электродов. Отрицательные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются электродами, которые заряжены положительно, и наоборот. В итоге всего этого процесса и образуется электрический слой. Заряд в ионисторе сохраняется на границе раздела частиц активированного угля углерода и электролита. Толщина электрического слоя, который образован анионами и катионами, составляет очень малую величину, порой равную 1-5 нм. В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) очень мала, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Типичная ёмкость ионистора – несколько фарад при номинальном напряжении 2-10 вольт.
Электролит ионисторов может быть водным либо органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают небольшим внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них ограничено 1 В. А ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким внутренним сопротивлением, но обеспечивают напряжение заряда 2…3 В.
В ионисторах достижима энергетическая плотность от 1 до 10 Вт/кг. Она больше, чем у типичных конденсаторов, но меньше, чем у аккумуляторов. Относительно низкое внутреннее сопротивление ионисторов обеспечивает хорошую проводимость.
Чаще всего ионисторы используют для питания микросхем памяти, и иногда ими подменяют электрохимические батареи. Кроме того, их используют в цепях фильтрации и сглаживающих фильтрах. Ионисторы могут работать и в буфере с батареями в целях защиты их от резких скачков тока нагрузки: при низком токе нагрузки батарея подзаряжает ионистор, и, если ток резко возрастет, ионистор отдаст запасенную энергию, чем уменьшит нагрузку на батарею. При таком варианте использования его размещают либо непосредственно возле аккумуляторной батареи, либо внутри ее корпуса.
Преимущества ионисторов – большой срок службы, быстрый заряд, неограниченное число циклов заряд/разряд. Недостатки ионисторов – не обеспечивают достаточного накопления энергии, маленькая энергетическая плотность, высокий саморазряд.
Электролит ионисторов может быть водным либо органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают небольшим внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них ограничено 1 В. А ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким внутренним сопротивлением, но обеспечивают напряжение заряда 2…3 В.
В ионисторах достижима энергетическая плотность от 1 до 10 Вт/кг. Она больше, чем у типичных конденсаторов, но меньше, чем у аккумуляторов. Относительно низкое внутреннее сопротивление ионисторов обеспечивает хорошую проводимость.
Чаще всего ионисторы используют для питания микросхем памяти, и иногда ими подменяют электрохимические батареи. Кроме того, их используют в цепях фильтрации и сглаживающих фильтрах. Ионисторы могут работать и в буфере с батареями в целях защиты их от резких скачков тока нагрузки: при низком токе нагрузки батарея подзаряжает ионистор, и, если ток резко возрастет, ионистор отдаст запасенную энергию, чем уменьшит нагрузку на батарею. При таком варианте использования его размещают либо непосредственно возле аккумуляторной батареи, либо внутри ее корпуса.
Преимущества ионисторов – большой срок службы, быстрый заряд, неограниченное число циклов заряд/разряд. Недостатки ионисторов – не обеспечивают достаточного накопления энергии, маленькая энергетическая плотность, высокий саморазряд.
В заключении раздела целесообразно привести рисунок, иллюстрирующий соотношение основных характеристик наиболее распространенных классов конденсаторов. Как видно из рисунка 26, для работы при больших напряжениях предпочтительнее использовать керамические конденсаторы или конденсаторы на основе бумажной или полимерной изоляции, однако их емкость не превышает единиц миллифарад. Если необходим конденсатор, обладающий большей емкостью, то используют обычно либо электролитические конденсаторы, либо ионисторы, но в данном случае их рабочие напряжения не превышают десятков или единиц вольт соответственно.
Рисунок 26 - Емкости и рабочие напряжения основных типов конденсаторов
