Типи конденсаторів

Конденсатор - один з найбільш поширених електронних компонентів. Існує безліч різних типів конденсаторів, які класифікують за різними властивостями.
В основному типи конденсаторів поділяють:
За характером зміни ємності - постійної ємності, змінної ємності і підстроювальні.
По матеріалу діелектрика - повітря, парафінований папір, слюда, тефлон, полікарбонат, оксидний діелектрик (електроліт).
За способом монтажу - для друкованого або навісного монтажу.

Керамічні конденсатори
Керамічні конденсатори або керамічні дискові конденсатори зроблені з маленького керамічного диска, покритого з двох сторін провідником (зазвичай сріблом).
Завдяки досить високої відносної діелектричної проникності (від 6 до 12) керамічні конденсатори можуть вмістити досить велику ємність при відносно малому фізичному розмірі. Діапазон ємності цього типу конденсаторів - від декількох пікофарад (пФ або pF) до декількох мікроФарад (мФ або uF). Однак їх номінальна напруга, як правило, невелика.
Маркування керамічних конденсаторів зазвичай являє собою тризначний числовий код, що позначає значення ємності в пикофарадах. Перші дві цифри вказують значення ємності. Третя цифра вказує кількість нулів, які потрібно додати.
тризначний числовий код на конденсаторі
Наприклад, маркування 103 на керамічному конденсаторі означає 10 000 пікофарад або 10 наноФарад. Відповідно, маркування 104 означатиме 100 000 пікофарад або 100 наноФарад і. т. д. Іноді до цього коду додають літери, що позначають допуск. Наприклад, J = 5%, K = 10%, M = 20%.

Плівкові конденсатори.

Ємність конденсатора залежить від площі обкладок. Для того, щоб компактно розмістити велику площу, використовують плівкові конденсатори. Тут застосовують принцип «багатошаровості». Тобто створюють багато шарів діелектрика, смугастих шарами обкладок. Однак з точки зору електрики, це такі ж два провідники розділені діелектриком, як і у плаского керамічного конденсатора.
В якості діелектрика плівкових конденсаторів зазвичай використовують тефлон, парафінований папір, майлар, полікарбонат, поліпропілен, поліестер. Діапазон ємності цього типу конденсаторів становить приблизно від 5pF (пікофарад) до 100uF (микрофарад). Діапазон номінальної напруги плівкових конденсаторів досить широкий. Деякі високовольтні конденсатори цього типу досягають більше 2000 вольт.
Розрізняють два види плівкових конденсаторів за способом розміщення шарів діелектрика і обкладок – радіальні і аксіальні.
Плівкові конденсатори
Радіальний і аксіальний тип плівкових конденсаторів
Маркування ємності плівкових конденсаторів відбувається за тим же принципом що і керамічних. Це тризначний числовий код, що позначає значення ємності в пикофарадах. Перші дві цифри вказують значення ємності. Третя цифра вказує кількість нулів, які потрібно додати. Іноді до цього коду додають літери, що позначають допуск. Наприклад, J = 5%, K = 10%, M = 20%. Наприклад 103J означає 10 000 пікофарад +/- 5% або 10 наноФарад +/-5%.
Однак досить часто різні виробники крім значення ємності і точності додають символи номінального напруги, температури, серії, класу, корпусу, та інших особливих характеристик. Дані символи можуть відрізнятися і бути розміщено в різному порядку, у залежності від виробника. Тому для разшифровки маркування плівкових конденсаторів бажано користуватися документацією (Datasheets).

Електролітичні конденсатори.

Електролітичні конденсатори зазвичай використовуються, коли вимагається велика ємність. Конструкція цього типу конденсаторів схожа на конструкцію плівкових, тільки тут замість діелектрика використовується спеціальний папір, просочений електролітом. Обкладки конденсатора створюються з алюмінію або танталу.
Звернемо увагу, що електроліт добре проводить електричний струм! Це повністю суперечить принципу пристрою конденсатора, де два провідника повинні бути розділені діелектриком.
Справа в тому, що шар діелектрика створюється вже після виготовлення конструкції компонента. Через конденсатор пропускають струм, і в результаті електролітичного окислення на однієї з обкладок з'являється тонкий шар оксиду алюмінію або оксиду танталу (в залежності з якого металу складається обкладка). Цей шар являє собою дуже тонкий і ефективний діелектрик, що дозволяє електролітичним конденсаторів перевершувати по ємності в сотні разів «звичайні» плівкові конденсатори.
Недоліком описаного процесу окислення є полярність конденсатора. Оксидний шар має властивість односторонньої провідності. При неправильному підключенні напруги оксидний шар руйнується, і через конденсатор може піти великий струм. Це приведе до швидкого нагріву і разширению електроліту, в результаті чого може статися вибух конденсатора! Тому необхідно завжди дотримуватися полярності при підключенні електролітичного конденсатора. У зв'язку з цим на корпусі компонента виробники вказують куди підключати мінус.
З причини своєї полярності електролітичні конденсатори не можуть бути використані в мережах з змінним струмом. Але іноді можна зустріти компоненти складаються з двох конденсаторів, сполученими мінус до мінуса і формують «не полярні» конденсатори. Їх можна використовувати у мережах з змінним струмом малої напруги.
Ємність алюмінієвих електролітичних конденсаторів в основному коливається від 1 мкФ до 47000 мкФ. Номінальна напруга - від 5В до 500В. Допуск зазвичай досить великий - 20%.
Танталові конденсатори фізично менше алюмінієвих аналогів. До того ж електролітичні властивості оксиду танталу краще ніж оксиду алюмінію - у танталових конденсаторів значно менше витік струму і вище стабільність ємності. Діапазон типових ємностей від 47нФ до 1500мкФ.
Танталові електролітичні конденсатори також є полярними, проте краще переносять неправильне підключення полярності ніж їх алюмінієві аналоги. Разом з тим, діапазон типових напруг танталових компонентів значно нижче – від 1В до 125В.

Змінні конденсатори.

Змінні конденсатори широко використовуються в пристроях, де часто потрібна налаштування при роботі у приймачах, передавачах, вимірювальних приладах, генераторах сигналів, аудіо та відео апаратури. Зміна ємності конденсатора дозволяє впливати на характеристики проходячого крізь нього сигналу (форму, частоту, амплітуду і т. д.).
Ємність може змінюватись механічним способом, електричною напругою (вариконди), і з допомогою температури (термоконденсатори). Останнім часом у багатьох областях вариконды витісняються варикапами (діодами зі змінною ємністю).
Під назвою «змінні конденсатори» зазвичай мають на увазі компоненти з механічним зміною ємності. Управління ємкістю тут досягається шляхом зміни площі обкладок. Обкладки в змінних конденсаторах складаються з безлічі пластин з повітряним простором між ними в якості діелектрика.
Частина пластин фіксована, частина рухома. Положення рухомих пластин по відношенню до фіксованих визначає загальну ємність конденсатора. Чим більше загальна площа пластин тим більша ємність.

Змінні конденсатори

Підстроювальні конденсатори використовуються при разовому або періодичному регулюванні ємності, на відміну від «стандартних» змінних конденсаторів, де ємність змінюється в «режимі реального часу». Така настройка призначена для самих виробників апаратури, а не для її користувачів, і виконується спеціальною настроювальної викруткою. Звичайна сталева викрутка не підходить, так як може вплинути на ємність конденсатора. Ємність підлаштування конденсаторів як правило невелика – до 500 пікофарад.

Іоністор.

Иони́стор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор,англ. EDLC, Electric double-layer capacitor) — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролітом, «обкладками» в котором служит подвійний єлектричний шар на межіе разділу электрода и электроліта. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и хімічного джерела струму.

Історія створення

Перший конденсатор з подвійним шаром на пористих вугільних електродах був запатентований в 1957 році фірмою General Electric ^. Так як точний механізм до того моменту часу був не зрозумілий, було припущено, що енергія запасається в порах на електродах, що вказує на «надзвичайно високу ємність». Трохи пізніше, в 1966 фірма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентувала елемент, який зберігав енергію в подвійному шарі.

У результаті невеликих продажів, в 1971 році SOHIO передала ліцензію фірмі NEC, якій вдалося вдало просунути продукт на ринку під ім'ям «Supercapacitor» (Суперконденсатор). У 1978 році фірма Panasonic випустила на ринок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотий конденсатор», що працює на тому ж принципі. Ці конденсатори мали відносно високий внутрішній опір, що обмежує віддачу енергії, тому що ці конденсатори застосовувалися тільки як накопичувальні батареї для SRAM.

Перші іоністори з малим внутрішнім опором для застосування в потужних схемах були розроблені фірмою PRI в 1982 році. На ринку ці іоністори з'явилися під ім'ям «PRI Ultracapacitor».

Переваги

З появою іоністорів стало можливим використовувати конденсатори в електричних колах не тільки як перетворює елемент, але і як джерело струму.

Такі елементи мають декілька переваг над звичайними хімічними джерелами струму — гальванічним елементами та акумуляторами:

· Високі швидкості заряду й розряду.

· Простота зарядного пристрою

· Мала деградація навіть після сотень тисяч циклів заряду / розряду.

· Мала вага в порівнянні з електролітичними конденсаторами подібної ємності

· Низька токсичність матеріалів.

· Висока ефективність (ккд більше 95%).

· Неполярні (хоча на іоністорах і зазначені «+» і «-», це робиться для позначення полярності залишкової напруги після його заряду на заводі-виробнику).

Недоліки

· Питома енергія менша, ніж у традиційних джерел (1-3 Вт·год/кг при 30-40 Вт·год/кг для батарейок).

· Напруга залежить від ступеня зарядженості.

· Можливість вигоряння внутрішніх контактів при короткому замиканні.

· Малий термін служби (сотні годин) на граничних напругах заряду.

· Великий внутрішній опір в порівнянні з традиційними конденсаторами (50-100 Ом у іоністора 1Ф x 5,5 В)

· Значно більший, у порівнянні з акумуляторами саморозряд: близько 1 мкА у іоністора 2Ф x 2.5В

Густина енергії

Густина енергії іоністорів залежить від конструкції. Наприклад, густина енергії іоністора ELNA 1 Ф x 5.5 В масою 4.1 г становить 3600 Дж/кг, або 1Вт·год/кг. Це в 200 разів менше, ніжгустина енергії літій-іонних акумуляторів, і в 5,6 разів більше від густини енергії електролітичного конденсатора

Густина потужності іоністора залежить від внутрішнього опору. У того ж іоністора ELNA 1Ф x 5.5В внутрішній опір становить 30 мОм. Максимальна потужність, яку можна отримати від джерела енергії досягається при опорі навантаження рівному внутрішнього опору. Таким чином, максимальна потужність, яку можна отримати від даного іоністора становить 61 кВт / кг. Для порівняння, такий параметр у пускового свинцевого акумулятора становить 300Вт/кг

В 1997 дослідники з CSIRO розробили супер-конденсатор, який міг зберігати великий заряд за рахунок використання плівкових полімерів як діелектрика. Електроди були виготовлені з вуглецевих нанотрубок. У звичайних конденсаторів питома енергія становить 0,5 Вт·год/кг, а у конденсаторів PET вона була в 4 рази більшою.

В 2008 році індійські дослідники розробили дослідний зразок іоністора на основі графенових електродів, що має питому енергоємність до 32 Вт·год/кг, порівнянну з такої для свинцево-кислотних акумуляторів (30-40 Вт·год/кг).

Термін служби іоністорів великий. Проводилися дослідження з визначення максимального числа циклів заряд-розряд. Після 100000 циклів не спостерігалося погіршення характеристик. Згідно з недавніми заявами співробітників MIT, іоністори можуть незабаром замінити звичайні акумулятори. Крім того, в 2009 році були проведені випробування акумулятора на основі іоністора, в якому в пористий матеріал були введені наночастинки заліза. Отриманий подвійний електричний шар пропускав електрони в два рази швидше за рахунок створення «тунельного ефекту».

Недавні відкриття у сфері мікро-суперконденсарів

Використання мініатюрних суперконденсаторів (конденсаторів великої місткості) як заміна акумуляторних батарей може значно підвищити термін служби майбутніх мобільних телефонів, портативних комп'ютерів і іншої електронної техніки. Це, ймовірно, стане можливим завдяки дослідженням, проведеним групою учених з Університету Дрекселя (Drexel University) у Філадельфії, які розробили нову технологію виробництва мініатюрних суперконденсаторів, використовуючи методику мікрообробки матеріалів, подібну якою використовують для виробництва мікрокристалів напівпровідникових електронних приладів. Акумуляторні батареї накопичують енергію, використовуючи хімічні реакції між реактивами, що входять до складу їх електроліту. Завдяки цьому вони зазвичай мають більшу енергетичну місткість, ніж конденсатори. Але конденсатори накопичують енергію просто у вигляді електричного заряду, не змінюючи свою внутрішню структуру. Саме тому вони можуть без втрати місткості винести мільйони циклів зарядження і розрядження, тоді як акумуляторні батареї витримують від тисячі до декількох тисяч таких циклів. Технологія виробництва мініатюрних суперконденсаторів, спільно розроблена Юрієм Гогоці (Yury Gogotsi) з Університету Дрекселя і Джоном Чміола (John Chmiola), хіміком з Національної лабораторії Лоуренса в Берклі, полягає в тому, що травлення електродів з вуглецевої плівки, нанесеної на підкладку з карбіду титану. Отримана таким чином поверхня електродів (обкладань) конденсаторів має велику площу, завдяки чому нові суперконденсатори мають місткість в два рази вище, ніж виготовлені за іншою технологією конденсатори великої місткості. У два рази вища місткість конденсатора пояснюється тим, що конденсатор зможе накопичити вдвічі більше енергії. Вбудувавши такі мікроконденсатори великої місткості безпосередньо в схеми електронних пристроїв можна значно зменшити габарити і вагу цих пристроїв. Крім цього, завдяки унікальним електричним властивостям суперконденсаторів, ці електронні пристрої функціонуватимуть довше не потребуючи заміни старої акумуляторної батареї на нову. Такі конденсатори великої місткості, що працюють паралельно із звичайними акумуляторними батареями, зможуть знайти застосування в системах зберігання енергії, отриманої від поновлюваних джерел енергії, значно підвищуючи ресурс акумуляторних батарей. У подальших планах учених, які продовжують роботу по вдосконаленню розробленої технології, на першому плані стоїть досягнення місткості суперконденсаторів, зв'язаною з місткістю акумуляторних батарей схожих габаритних розмірів. Вони сподіваються, що коли це станеться, зважаючи на практично невичерпний ресурс конденсаторів, ринок електронних пристроїв, електричних автомобілів і безпілотних літальних апаратів чекає «акумуляторна» революція.

 

Джерела:

http://blog.i.ua/user/2700683/1042339/

http://hightolow.ru/capacitor2.php

H. I. Becker: Low voltage electrolytic capacitor, US-Patent 2800616

Вгору↑ RA Rightmire,, «Electrical energy storage apparatus», US Patent 3288641

Вгору↑ http://vicgain.sdot.ru/ionistor/ionist1.htm

Вгору↑ SRCVivekchand; Chandra Sekhar Rout, KSSubrahmanyam, A. Govindaraj and CNRRao (2008). ias.ac.in/chemsci/Pdf-Jan2008/9.pdf Graphene-based electrochemical supercapacitors. J. Chem. Sci., Indian Academy of Sciences. 120, January 2008. с. 9–13.

Вгору↑ Чи Існує Мікро-Суперконденсатор у Майбутньому? (en). Science Daily. Архів оригіналу за 2013-07-06. Процитовано 2010-05-05.

 

Конденсатор, электрический // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Учебник физики для средних специальных учебных заведений. Авторы: Л. С. Жданов, Г. Л. Жданов.