XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Конденсаторы

Почти в любом электронном приборе сегодня можно обнаружить конденсаторы – устройства, состоящие (если совсем просто) из двух проводников и диэлектрика между ними, использующиеся для накопления заряда и энергии электрического поля [1].

История

Первый прототип конденсатора был создан в 1745 году независимо друг от друга Эвальдом Юргеном фон Клейстом и Питером ван Мушенбуком. Названо такое устройство было «лейденской банкой», в честь названия города Лейден [1].

Современность

В настоящее время существует множество разновидностей конденсаторов, использующихся в различных типах устройств, в зависимости от необходимого эффекта, вида схемы и так далее[2], [3].

Некоторые виды конденсаторов

Керамические конденсаторы

Керамические и стеклокерамические конденсаторы с твёрдым неорганическим слоем выпускаются в высоковольтном и низковольтном исполнении. Отличаются компактными размерами и надёжностью. Широко востребованы в вычислительной, бытовой, медицинской и военной технике, транспорте.

Рис. 1 - Керамические конденсаторы

По типу конструкции делятся на трубчатые (КТК), дисковые (КДК), поверхностные и другие (SMD) [3].

Бумажные и металлобумажные

В бумажных конденсаторах фольгированные обкладки разделяет диэлектрик из конденсаторной бумаги. Эти детали используются как в высокочастотных, так и в низкочастотных цепях. Бумажные конденсаторы не пользуются популярностью из-за низкой механической прочности. Более прочным вариантом является металлобумажная деталь, в которой на бумагу наносится металлический слой.

Рис. 2 - Бумажные конденсаторы

Бумажные и металлобумажные конденсаторы выпускаются в широком интервале ёмкостей и номинальных напряжений. Металлобумажные варианты выигрывают по стабильности сопротивления изоляции. Дополнительный плюс металлобумажных изделий – способность к самовосстановлению электрической прочности при единичных случаях пробоев бумаги[3]

Электролитические конденсаторы

Электролитические конденсаторы отличаются повышенной энергоёмкостью и используются в цепях переменного и постоянного тока. В них диэлектриком является металлооксидный слой, созданный электрохимическим способом. Он располагается на плюсовой обложке из того же металла. Другая обложка – жидкий или сухой электролит. Металл – алюминий, ниобий или тантал.

Рис. 3 - Электролитические конденсаторы

Конденсаторы постоянной ёмкости относятся к устаревшим. Им на смену пришли детали переменной электроёмкости. Наиболее распространены электролитические конденсаторы подстроечного типа. Их ёмкость меняется при регулировке, но при работе схемы остается постоянной. Благодаря герметичности корпуса и твердого полупроводника, изделия стабильны при хранении и могут использоваться при низких температурах (до -80°C) и высоких частотах[3].

Плёночные и металлоплёночные конденсаторы

Плёночные полистирольные изделия востребованы в схемах импульсного характера, с постоянным или высокочастотным переменным током. Такая продукция выпускается с обкладками из фольги или с плёночным диэлектриком, на который наносится тонкий металлизированный слой. Для изготовления пленочного диэлектрика используются поликарбонат, тефлон, полипропилен, металлизированная бумага. Диапазон ёмкостей – от 5 пкФ до 100 мкФ. Очень популярны высоковольтные исполнения плёночных конденсаторов – до 2000 В.

Рис. 4 - Плёночные и металлоплёночные конденсаторы

Выпускаются различные типы плёночных конденсаторов, которые различаются по:

размещению слоев диэлектрика и обкладок – аксиальные и радиальные;

материалу изготовления корпуса – полимерные и пластмассовые, выпускают модели без корпуса с эпоксидным покрытием;

форма – цилиндрическая и прямоугольная.

Основное преимущество такой продукции – способность к самовосстановлению, защищающая ее от вероятности преждевременного отказа. Другие плюсы – хорошие электрохимические характеристики, тепловая стабильность, способность к высоким нагрузкам при переменном токе. Благодаря выше перечисленным свойствам, плёночные и металлоплёночные изделия применяются в измерительной технике, радиоэлектронике, вычислительной технике [3].

SMD-конденсаторы

Компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа. Бывают керамическими, плёночными и танталовыми.

Рис. 5 - SMD-конденсаторы

Имеют компактные габариты, стандартизированную форму корпуса и характеристики, во многом совпадающие с многослойными конденсаторами. Используются в печатных платах как по отдельности, так и наборами^[3].

Использование полимерных материалов. Гибридные и полимерные конденсаторы

В полимерных конденсаторах проводящий слой полимера выступает в качестве электролита. В гибридных конденсаторах полимер используется в сочетании с жидким электролитом. В любом случае, полимерные конденсаторы превосходят обычные электролитические и керамические конденсаторы по целому ряду характеристик: от электрических параметров до стабильности и долговечности.

Различные полимерные и гибридные конденсаторы оказываются весьма близки по уровню напряжений, частотным характеристикам, рабочим параметрам окружающей среды и другим требованиям эксплуатации.

Некоторые примеры

Рис. 6 - Полимерный танталовый конденсатор

Рис. 7 - Многослойный полимерный конденсатор

Преимущества

Несмотря на различия в конструктивном исполнении и перечне используемых материалов, представленные выше (и не только) типы полимерных конденсаторов имеют целый ряд общих важных достоинств: отличные частотные характеристики, высокая стабильность ёмкости, повышенная безопасность, компактность и надёжность.

Ионистор

Как пример продвинутого устройства, работающего по тому же принципу, что и транзистор (им, по сути, и являющееся).

Рис. 8 - Суперконденсатор [6]

Концепция

В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала за счёт использования электролитов, а площадь пористых материалов обкладок — колоссальна, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера.

История

Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric. Предполагалось, что энергия запасается в порах на электродах. Позднее, в 1966 году фирма Standard Oil of Ohio (SOHIO) запатентовала элемент, сохранявший энергию в двойном слое. Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под названием «PRI Ultracapacitor» [5].

Достоинства и недостатки

К достоинствам ионисторов в сравнении с обычными конденсаторами относят большие максимальные токи зарядки и разрядки, малую деградацию (даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда), высокое внутреннее сопротивление, длительный срок службы, малый вес, низкую токсичность используемых материалов, неполярность, малую зависимость от окружающей температуры, а также большую механическую прочность.

Недостатками считают высокую цену ионисторов с большими разрядными токами (из-за чего пока что проблематично их широкое применение), зависимость напряжения от степени заряженности, возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании для ионисторов большой ёмкости с низким внутренним сопротивлением, низкое рабочее напряжение по сравнению с большинством конденсаторов других типов, значительно больший (чем у аккумуляторов) саморазряд и существенно меньшую скорость отдачи заряда по сравнению с обычными конденсаторами.

Заключение

С каждым годом мы наблюдаем развитие технологий: как появление чего-то нового, так и удешевление чего-то старого, что даёт возможность массового применения всё более современных устройств. Конденсаторы неплохо демонстрируют это и, как что-то, что используется сегодня практически во всех приборах, своим развитием продвигают вперёд и многие другие сферы науки и техники.

Список литературы (источники)

[Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_конденсатор(дата обращения: 19.12.2022).

[Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_конденсатор#Применение_конденсаторов_и_их_работа (дата обращения: 19.12.2022).

[Электронный ресурс]. URL: https://www.radioelementy.ru/articles/vidy-i-analogi-kondensatorov/ (дата обращения: 19.12.2022).

[Электронный ресурс]. URL: https://www.electronshik.ru/news/show/12590 (дата обращения: 19.12.2022).

[Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионистор (дата обращения: 19.12.2022).

[Электронный ресурс]. URL: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/ionistor/ (дата обращения: 19.12.2022).

Код для цитирования: Скопировать