2.3.1. Приклади застосувань конденсаторів

Як блокувальний конденсатор, який пропускає лише змінну напругу при подачі адитивної суміші зі сталою напругою.

У фільтрах і резонансних колах, де найчастіше спільно з індуктивним елементом або резистором утворюють резонансне коло або коло фільтра, наприклад в генераторі або у роздільному фільтрі аудіо колонки.

Наприклад, в перетворювачі напруги мережі є конденсатори для накопичення енергії, які використовуються для фільтрування (згладжування) вихідної сталої напруги.

В часозадавальних колах використовується зарядження розрядження конденсатора для задання часового проміжку. Прикладом цього є астабільний мультивібратор.

Як протизавадний елемент використовується конденсатор, який може поглинути короткі імпульси напруги так, наприклад, як в RC-колі, приєднаному до котушки передавача. Також використовуються конденсатори, наприклад, типу X або Y з метою послаблення завад з високими частотами (RFI).

В колах змінного струму високої напруги, часто використовують конденсатори для реалізації ємнісних подільників напруги. Вони не мають таких великих втрат як резистивні подільники напруги.

2.3.2. Типи конденсаторів

2.3.2.1. Конденсатори зі штучних матеріалів. Конденсатори зі штучних матеріалів, в яких діелектричний шар становить штучний матеріал, має малі втрати завдяки низькому опору електродів і високому опору ізоляції. Технологічність конструкції уможливлює автоматизацію продукування і, відповідно, низькі ціни. Вони є неполяризованими (не відіграє ролі, який з електродів буде додатнім, а який від’ємним) і мають дуже малий струм витоку.

Їх використовують як послідовні конденсатори або блокувальні в аналогових і цифрових колах, в часозадавальних колах і LC-фільтрах. Ємності серійних конденсаторів можуть змінюватись в межах від 10 пФ до 100 мкФ.

Е лектроди виконуються у вигляді металевої або металізованої плівок. Металізована плівка утворюється в результаті порожнинного осаджування тонкого шару металу на діелектрик. Перевагою такого способу є те, що при електричному пробитті, осаджений метал випаровується навколо місця пробиття і в такий спосіб не доходить до відповідного замикання електродів. Існує багато різних технологій виконання, нижче подано приклади найчастіше вживаних (рис. 2.17). Як показує аналіз рис. 2.17 можна так навити навої, щоб

Рис. 2.17 - Конструкція конденсаторів з плівкою із штучного матеріалу

становили вони два послідовно з’єднані конденсатори.

У давніших конструкціях конденсаторів зі штучного матеріалу, виводи були виконані дротом, під’єднаним до одного з кінців навою металізованої плівки. В сучасних конденсаторах цього типу на звернутий рулон плівки наноситься металевий контакт при використанні напиленої металізації. Завдяки цьому, можна цілу сторону намотаної плівки з’єднати з виводами і тим самим значно зменшити опір і індуктивність конденсатора.

2.3.2.2. Матеріали для виготовлення конденсаторів. Для виготовлення конденсаторів застосовується багато різних штучних матеріалів:

Поліестер (PET) є матеріалом, з якого можна отримати тонкі плівки, легкі для металізації, що уможливлює отримання конденсаторів з малими розмірами і низькою ціною. Поліестер має однак найгірші параметри серед сучасних штучних матеріалів. Поліестерні конденсатори з електродами з металевої плівки, часто позначаються КТ, а якщо вони з металізованої плівки, то позначаються МКТ. Їх використовують у найменш відповідальних місцях електричних кіл.

Полівуголь (РС) також дає змогу отримати тонкі плівки. Є відносно легким для металізації. Має нижчу діелектричну сталу ніж поліестер, що спричиняє то, що виконані з нього конденсатори є дещо більшими і дорожчими. Матеріал цей має значно нижчі електричні втрати і кращу стабільність. Конденсатори аналогічно позначаються літерами КС і відповідно МКС, оскільки є з металізованої плівки. Полівугільні конденсатори застосовуються у тих місцях електричних кіл, де можна використати їх високу стабільність, наприклад, у вбудовуваних фільтрах і генераторах.

Поліпропілен (РР) достатньо важко вдається переробити на плівку. Вимагає для цього попереднього оброблення, щоб він міг бути металізованим. Конденсатори поліпропіленові є водночас великі і дорогі порівняно з поліестерними і полівугільними. Їх перевагою є малі втрати, висока стабільність і низька діелектрична абсорбція. Поліпропіленові конденсатори з електродами з фольги, називаються КР, а з металізованої плівки МКР. Поліпропіленові конденсатори часто використовуються в імпульсних пристроях і там, де істотною є низька діелектрична абсорбція.

Полістирен (стирол, стирофлекс) є одним з перших штучних матеріалів, який щораз ширше замінює полівуголь і поліпропілен. Металізується з великими труднощами, а низька електрична витривалість спричиняє, що полістиренова плівка може бути набагато грубшою, ніж виконана з інших штучних матеріалів. Полістирен має низькі втрати, високу стабільність і низьку електричну абсорбцію. Виконані з нього конденсатори використовуються в дуже відповідальних місцях електричних кіл, наприклад, у фільтрах.

Сульфат поліфінілу (PPS) є матеріалом, головною рисою якого є стійкість до високих температур, добра стабільність і низькі втрати. Вадою є низька електрична міцність. Це спричиняє обов’язковість застосування плівки з матеріалу більшої товщини.

2.3.2.3. Паперові конденсатори. Паперові конденсатори в більшості застосувань є замінниками конденсаторів зі штучних матеріалів. Окрім високої діелектричної сталої,

Табл. 2.6 - Порівняння властивостей штучних матеріалів

	Поліестер	Полівугілля	Поліпропилен	Полістирен
Діелектрична стала	3,3	2,8	2,2	2,5
tgδ при 1 кГц	5·10-3	1·10-3	2·10-4	2·10-4
tgδ при 100 кГц	18·10-3	10·10-3	3·10-4	3·10-4
Максимальне значення робочої температури, 0С	125	125	100	70
Діелектрична абсорбція, %	0,20-0,25	0,12-0,20	0,05-0,10	0,02-0,05
Температурний коефіцієнт ємності, ppm/0С	+400	+150	-200	-150
Допустима напруженість електричного поля, В/мм	250	180	350	150

паперові конденсатори є більшими і дорожчими від конденсаторів зі штучних матеріалів. Перевагами паперових конденсаторів є стійкість на імпульсної напруги і низький вміст вугілля (приблизно 3 %. Для порівняння в конденсаторах зі штучних матеріалів 40-70 %), що спричиняє дуже добрі саморегенерувальні властивості і малий ризик спалахування та самозаймання. Зараз вони використовуються виключно як захисні конденсатори від перешкод (конденсатори Х і У), в яких можна використати переваги паперу порівняно із штучними матеріалами.

Часом застосовується пластикова плівка разом із папером. Мова йде про змішаний діелектрик, в якому прагнуть використати переваги кожного з них.

2.3.2.4. Керамічні конденсатори. Керамічні конденсатори виготовляються з однієї або багатьох керамічних пластин з накладеним металевим електродом (рис. 2.18). Керамічний конденсатор з одинарним шаром діелектрика називається одношаровим або пластинковим конденсатором. Коли конденсатор побудований з багатьох шарів діелектрика і електродів, то він називається багатошаровим або монолітним конденсатором. Різноманітність різних матеріалів і виконань конденсаторів є великою. Керамічні конденсатори виготовляються з ємністю від 0,5 пФ до багатьох сотень мкФ. Конденсатори ємністю більшою від 10 мкФ рідко зустрічаються з огляду на їх високу ціну.

Рис. 2.18 – Конструкція багатошарового конденсатора

Керамічні матеріали діляться на три групи. Клас 1 - це матеріали з низькою діелектричною сталою. Характеризуються високою стабільністю, не тільки до змін температури, але й частоти, напруги і часу. Мають дуже низькі втрати на високих частотах. Одношарові конденсатори виготовляються з ємністю від 0,47 до 560 пФ. Багатошарові конденсатори виготовляються з діелектриком NPO, мають величину від 0,1 мкФ до 10 мкФ. Застосовуються в пристроях, в яких вимагається висока стабільність при критичних температурних умовах, наприклад, в генераторах. Діелектрики класу 1 мають майже лінійний температурний коефіцієнт і позначаються літерами P і N, яка вказує чи коефіцієнт є додатним, чи від’ємним, а також цифра, яка дорівнює коефіцієнту.

Таблиця 2.7 - Типи і позначення конденсаторів класу 1

Діелектрик	Температурний коефіцієнт ємності, ppm/0C	Кольоровий код	Опис ЕІА
Р100	+100±30	червоно/фіолетовий	M7G
NP0	0±30	чорний	C0G
N075	-75±30	червоний	U1G
N150	-150±30	помаранчевий	P2G
N220	-220±30	жовтий	R2G
N330	-330±60	зелений	S2H
N470	-470±60	блакитний	T2H
N750	-750±120	фіолетовий	U2J
N1500	-1500±250	помаранч./помаранч.	P2K

Клас 2 - це матеріали з високою діелектричною сталою. Мають нелінійну залежність ємності від температури, частоти і напруги. Існує велика кількість цього типу діелектриків з різними властивостями. Мають низькі втрати при поміркованих параметрах. Старіння в них проходить в темпі 1-5 % на декаду, тобто 10 років. Керамічним діелектриком можна повернути початкові параметри шляхом підігріву їх до температури Кюрі, яка становить приблизно 150 °С.

В класі 2 виготовляються одношарові конденсатори з ємністю 0,1 мкФ до 100 мкФ і багатошарові від 10 пФ до 10 мкФ. Застосовуються у не дуже критичних застосуваннях, наприклад, як зв’язкові та блокувальні конденсатори.

Таблиця 2.8 - Позначення конденсаторів класу 2 за стандартом EIA

Знак 1: нижня температурна межа	Знак 2: верхня температурна межа	Знак 2: зміна ємності
Z +10 0С	2 +45 0С	A ±1,0 %
Y -30 0С	4 +65 0С	B ±1,5 %
X -55 0С	5 +85 0С	C ±2,2 %
	6 +105 0С	D ±3,3 %
	7 +125 0С	E ±4,7 %
	8 +150 0С	F ±7,5 %
	9 +200 0С	P ±10 %
		R ±15 %
		S ±22 %
		T +22, -33 %
		U +22, -56 %
		V +22, -82 %

Діелектрики класу 2 позначаються літерою K і цифрою, яка відповідає

діелектричній сталій відповідно до стандарту EIA з трьома знаками, з яких два перші вказують на діапазон робочих температур, а третій вказує на зміну ємності в тих температурних межах.

Для прикладу, позначення Z5U означає, що ємність може змінюватись в межах від +22 до – 56 % в температурному діапазоні від +10 до +85 °С.

Клас 3 діелектриків базується на фероелектричних матеріалах і часто має зернисту внутрішню структуру, ємність між окремими зернами має малі значення, але в цілому об’ємі створюється загальна сумарна ємність великих значень. Матеріал має такі ж самі або ж трохи гірші параметри від кераміки класу 2, але електрична міцність до напруги є малою. Часто 16 або 50 В є максимальною робочою напругою. Екстремально висока діелектрична стала спричиняє те, що конденсатори з великими значеннями ємності можна виконувати в корпусах з малими розмірами і низькою ціною. Виготовляються з ємностями від 1000 пФ до 1 Ф.

2.3.2.5. Слюдяні конденсатори. Слюдяні конденсатори побудовані подібно до керамічних багатошарових конденсаторів, але оскільки вони не підлягають вигріванню при високих температурах, то електроди можна виконати зі срібла. Слюда є мінералом, що видобувається в індійських копальнях, де його якість є особливо високою. Це твердий і стійкий мінерал, характерний тим, що розділяється на тонкі пластини, які можна оснастити електродами. Електричні властивості, наприклад, опір ізоляції, втрати і стабільність є добрими і порівняними з іншими штучними матеріалами і керамікою. Слюдяні конденсатори є великими і дорогими, що спричиняє їх заміну, в значній мірі, поліпропіленовими конденсаторами. Їх часто застосовують у високочастотних пристроях, де вимагаються не тільки низькі втрати, але й також висока стабільність частоти при зміні температури. Виготовляються зі значеннями ємності від 1 пФ до 1 мкФ.

2.3.2.6. Електролітні конденсатори. Електролітні конденсатори мають алюмінієві або танталові електроди. Поверхня аноду (додатній полюс) є покрита дуже тонким шаром окису, котрий виконує роль діелектрика. З метою зменшення відстані між шаром окислу і катодом (від’ємний полюс), використовують електроліт з низьким опором.

2.3.2.6. Алюмінієві електролітні конденсатори. Алюмінієві електролітні конденсатори є змоченими та містять електроліт, що складається з борної кислоти, глюколю, солі і розчинника. Електроди витравлені у кислій ванні з метою отримання пористої поверхні. В цей спосіб площа поверхні зростає аж у 300 разів. Шар діелектрика (окислу) на аноді сформований (будується його) у розчині з електролітом, який містить воду, до товщини приблизно 13·10^-10 м на кожен Вольт напруги, який він має витримувати. Катод також є тонким і має шар окислу товщиною приблизно 40·10^-10 м.

Щоб запобігти взаємному контактові шарів окислу, електроди, які б могли б через це бути пошкодженими, поміщається між ними сепаратор з тонкого паперу. Корпус конденсатора під’єднаний до від’ємного полюса. Корпус не може використовуватись як вивід (рис. 2.19). Шар окислу має нелінійну характеристику, наближену до діодної. Максимальна напруга в запірному напрямку становить 1,5 В. Якщо її значення буде перевищене, то наслідки можуть бути фатальними – конденсатор вийде з ладу.

Рис. 2.19 - Конструкція мокрих електролітичних конденсаторів

Послідовний заступний опір ESR електролітичного алюмінієвого конденсатора є умовно високим, залежним від високого опору електроліту в порівнянні, наприклад, з алюмінієм чи міддю. Залежність від температури є дуже великою, особливо при низьких температурах. В нижній границі температури, ESR може бути 20 разів вищим, ніж при кімнатній температурі. Зміна ємності залежить від температури і становить ± 20 % від номінального значення ємності для цілого робочого діапазону температури.

Струми витоку через діелектрик знаходяться при номінальній напрузі. Для нижнього значення напруги значення струму зменшується. При половині номінальної напруги, струм витоку становить заледве 20 % від номінального значення. Струми витоку зростають зі зростанням температури. Поблизу верхньої межі температурного діапазону, струм може зрости у 10 разів.

Термін служби є параметром мало прецизійним. Під терміном служби електролітичного конденсатора розуміємо час роботи до моменту, коли один з параметрів таких, як, наприклад, ємність, коефіцієнт втрат і струм витоку перевищать граничні значення. Існує багато різних методів вимірювання терміну служби, що утруднює їх порівняння. Передусім в результаті різнорідних фізико-хімічних змін старіється електроліт. В сучасних електролітичних конденсаторах використовуються розчинники, які випаровуються і конденсатор висихає. Висока температура конденсатора значно прискорює процес старіння. Наприклад, зниження температури на 10°С подвоює час служби.

Електролітичні алюмінієві конденсатори мокрі виготовляються з ємностями від 0,1 мкФ до 0,5 Ф. Найвище значення електричної міцності за напругою виготовлюваних конденсаторів не перевищує 500 В. Найчастіше конденсатори цього типу використовуються як фільтрувальні елементи в перетворювачах. Для змінного струму виготовляються спеціальні конденсатори, тобто біполярні. Вони мають виводи приєднані до аноду окислу. Між анодами знаходиться катодна плівка без виводів.

2.3.2.7. Сухі алюмінієві електролітні конденсатори. Їх виготовлення розпочали на початку 1900 р. Вони значно відрізнялись від сьогоднішніх сухих алюмінієвих конденсаторів. Для відрізнення, сучасні типи конденсаторів з електролітом двоокисом марганцю або органічними напівпровідниками, часто називаємо постійні конденсатори з алюмінієвим електролітом (SAL).

Електроліт на базі двоокису марганцю має низький опір. Алюмінієві електроди витравлюються і занурюються у формувальну купель з метою виготовлення шару окислу. Поміж таким чином виконаних електродів, уводиться сепаратор із скляного волокна, покритий двоокисом марганцю. Вся конструкція є завернута або зігнута для отримання форми конденсатора. Наступним операцією є приєднання виводів і розміщення усієї конструкції у відповідному корпусі.

Так виконані конденсатори мають багато переваг, що відрізняють їх від інших типів електролітичних конденсаторів, наприклад, довгий час служби – оскільки електроліт не може випаруватись, широкий діапазон робочих температур від -55 до +175 °С, а деяких типів - від -80 до +200 °С. Електрична міцність до 30 % від номінального значення напруги в зворотному напрямку на протязі довгих проміжків часу. Невелика залежність від температури (також перегрівання не спричиняє аварійних наслідків у вигляді коротких замикань). Температура так сильно не впливає на час служби як для інших електролітів. Він, однак, залежить від напруги. Їх виготовляють з ємністю від 0,1 до 2200 мкФ.

В другому з обговорюваних типів конденсаторів застосовується як електроліт «органічний напівпровідник». Складається він з комплексу солей, званих TCNQ, котрі мають дуже добрі електричні і термічні характеристики. Цей конденсатор також має витравлені електроди, розділені сепаратором. Його заступний послідовний опір ESR порівнюється з керамічними конденсаторами і конденсаторами, виконаними зі штучних матеріалів.

Цей тип конденсаторів надається для застосування у фільтрах перетворювачів, перетворювачах із змінними частотами, де наслідком виникнення великих частот є те, що значення опру ESR стає істотнішим, ніж ємність. Він також не витримує високих температур, як і конденсатор з двоокису марганцю. Найбільшою дозволеною робочою температурою є +105 °С, а при низьких температурах (аж до –55 °С) він має, як і двоокис марганцю, дуже малу похибку ємності і опору ESR. Він витримує змінну напругу приблизно до 10 % від номінального значення напруги в запірному напрямку. Час служби більше залежить від температури, ніж у звичайних мокрих електролітах. Він збільшується від 2000 годин при +105 °С до 20000 годин при +85 °С. Наслідком перенапруги може бути коротке замикання, але коли струм є меншим від 1 А, а значення робочої температури є нижчим від +200 °С (температура розкладання електроліту) конденсатор не буде пошкоджений тривалий час. Їх виготовляють зі значенням ємності від 0,1 до 220 мкФ.

2.3.2.8. Танталові конденсатори. Танталові конденсатори як діелектрик використовують окис танталу, з хорошими електричними властивостями. Анод конденсатора виконаний методом спікання порошків танталу (рис. 2.20). Приблизно 50 % об’єму складається з пор, що спричиняє те, що внутрішня поверхня є в 100 разів більшою від зовнішньої. Після покриття шаром окислу танталу в кислотному формувальному середовищі, елементи конденсатора занурюються в розчині двоокису марганцю, який заповнює всі пори. Щоб отримати контакт з катодом, який складається із провідної срібної фарби, елемент конденсатора покривають шаром вугілля у вигляді графіту. Старіші типи танталових конденсаторів з мокрим електролітом в срібному корпусі, замінені сухими типами з огляду на високу собівартість виробництва.

Р ис. 2.20 - Конструкція електролітичних танталових конденсаторів

Танталові конденсатори мають низьке значення опору ESR завдяки низькому опору танталу і двоокислу танталу. Вони також мають значно менші розміри, ніж електролітичні алюмінієві конденсатори з порівняльними параметрами. Використовуються в електролітних пристроях як зв’язкові та блокувальні конденсатори, накопичувачах енергії, в часових пристроях, де малі зміни ємності є важливою рисою. Великою вадою танталових конденсаторів є тенденція до короткого замикання, якщо напруга або температура перевищать граничне значення. Це може спричинити розірвання конденсатора. Раніше в пристроях з танталовими конденсаторами, радили застосовувати послідовний резистор опору зі значенням 3 Ом на Вольт, щоб обмежити струми заряджання і розрядження, що очевидно спричиняло втрати потужності і виділення тепла. В сучасних конденсаторах рекомендується опір порядку 0,1 Ом на Вольт, що означає, що найчастіше не потрібен жоден послідовний резистор, оскільки опір мідних доріжок і дротів дає достатній захист під час короткого замикання. Максимальна зворотна напруга становить приблизно 15 % від значення номінальної напруги при 25 °С, але зменшується зі зростанням температури. При 85 °С її значення становить тільки 5 % у запірному напрямку. Танталові електроліти мають добру температурну стабільність. Їх виготовляють з ємностями 0,1 до 1000 мкФ.

2.3.2.9. Двошаровий конденсатор. Двошаровий конденсатор (конденсатор back-up, supercap, goldcap і т.д.) є чимось середнім між конденсатором і електричною батареєю. На відміну від інших типів він не має діелектрика. Побудований з багатьох поодиноких елементів, що з’єднані послідовно, кожен з яких складається з двох шарів активованого вугілля, зволоженого електролітом (рис. 2.21). Шари вугілля розділені сепараторами, що пропускають іони і закриті в герметичній гумовій заслоні. Коли до конденсатора прикласти напругу, то частини вугілля в анодному шарі зарядяться позитивно, а катодні - негативно, в той час як від’ємні іони електроліту проходять через сепаратор і збираються довкола додатних часток вугілля. Подібно збираються додатні іони в шарі катоду. В такий спосіб можна накопичувати великі електричні заряди. Один грам вугільного порошку теоретично може дати ємність від 200 до 400 Фарад. Оскільки електроліт в комірках містить воду, то максимальна електрична міцність становить 1,2 В на комірку. Вище від цієї напруги вода підлягає гідролізу на кисень і водень. Вони мають велике значення заступного опору ESR від 1 до 300 Ом,

Рис. 2.21 - Конструкція двошарових конденсаторів

які значно обмежують струм розряду. Їх можна зарядити протягом 1 хвилини і вони мають час служби довший, ніж 10000 циклів зарядження і розрядження або 10 років роботи з дозарядженням. Струм витоку (саморозрядження) становить приблизно 1 мкА, що призводить до саморозряду конденсатора через один місяць до напруги приблизно 50 % від початкового значення напруги. Велика залежність від температури спричиняє великі зміни ємності, так в межах від -25 до +70 °С ємність змінюється від -50 до +150 % відповідно. Заступний опір ESR при -25 °С є в 3 рази вищим від опору при кімнатній температурі. Вони є не полярними, але вивід, який приєднаний до корпусу, рекомендується прийняти за від’ємний полюс.

Таблиця 2.9 – Співвідношення між значеннями ємностей

Співвідношення між кратними частками одиниць
0,000001 мкФ =	0,001 нФ =	1 пФ
0,00001 мкФ =	0,01 нФ =	10 пФ
0,0001 мкФ =	0,1 нФ =	100 пФ
0,001 мкФ =	1 нФ =	1 000 пФ
0,01 мкФ =	10 нФ =	10 000 пФ
0,1 мкФ =	100 нФ =	100 000 пФ
1 мкФ =	1 000 нФ =	1 000 000 пФ
10 мкФ =	10 000 нФ =	10 000 000 пФ
100 мкФ =	100 000 нФ =	100 000 000 пФ

Цей тип конденсаторів вготовляється з ємностями від 10 мкФ до 22 Ф, але пошукові роботи вказують на можливість виготовлення ще більших ємностей. Ці конденсатори назагал застосовуються виключно як резерв напруги, між іншим в пристроях пам’яті і мікропроцесорах. Їх також використовують для зберігання енергії на малих проміжках часу, наприклад, як додаткова енергія, щоб запустити двигун, перемкнути перемикач або згенерувати потужний імпульс запалювання.