Основные типы диэлектриков, применяемых в производстве конденсаторов

Пленочные конденсаторы

Пленочными конденсаторами называются конденсаторы с диэлектриком из синтетических пленок, например из полистирола, полиэтилентерефталата (майлар), политетрафторэтилена (тефлон), которые используются или самостоятельно, или в сочетании с другим диэлектриком. Полистирольные конденсаторы изготовляют уже в течение многих лет. Они имеют следующие характеристики:

1)  постоянная времени очень высока: при комнатной Температуре (+25°С) превышает 10⁶ МОм* мкФ, при повышении температуры до +65° С снижается незначительно;

2)  диапазон  рабочих температур от -55 до 65° С (некоторые типы конденсаторов малой емкости могут работать при температуре до +85° С);

3)  коэффициент  мощности при 25° С порядка 0,0005 (сравним с cosφ для слюдяных конденсаторов) и не зависит от частоты;

4)  диэлектрическая  абсорбция низкая; это допускает  использование конденсаторов в  цепях с большой постоянной времени;

5)  температурный  коэффициент емкости отрицательный, может достигать  минус 200 * 10^-6 град^-1 в зависимости от конструкции конденсатора;

6)  необратимое  изменение емкости во времени  меньше 0,2%;

7)  добротность  Q выше 4000.

Полистирольные  конденсаторы выпускают для следующих областей применения: для цепей точной выдержки времени, для интегрирующих устройств, для настроенных контуров с высокой добротностью и в качестве образцов емкости.

Полиэтилентерефталат (майлар) — перспективный диэлектрик и в будущем может в значительной мере заменить собой бумагу. Однако для его свойств характерна определенная температурная и частотная зависимость. Верхний предел его рабочей температуры выше, чем у бумаги, и достигает 150° С. Однослойные секции из этой пленки пропитываются полистиролом, минеральным маслом и другими подобными веществами для заполнения сквозных отверстий; могут быть также намотаны секции с двумя (и более) слоями пленки, как в случае бумажных конденсаторов.

Пленка отличается хорошей механической прочностью и  может легко металлизироваться  методом испарения в вакууме. Так как эта пленка чувствительна к влаге, то конденсаторы необходимо герметизировать.

Конденсаторы  с диэлектриком из пленки майлар имеют  следующие характеристики:

1)  постоянная  времени при 25° С обычно  вдвое выше, чем у бумажных  конденсаторов (при 25° С выше 50 000 МОм*мкФ, при 150° С обычно выше 10 Мом*мкФ);

2)  рабочая  температура до 150° С, обычно  при условии значительного снижения  номинального напряжения;

3)  тангенс  угла потерь не более 0,01 при  85° С и не более 0,016 при  160° С;

4)  диэлектрическая абсорбция небольшая, меньше, чем у слюдяных конденсаторов, если не применена пропитка кремний органической жидкостью;

5) изменение  емкости не более ±4% при изменении  температуры от —55 до +85° С,  не более ±20% при изменении температуры от —55 до +150° С.

Конденсаторы  с диэлектриком из полиэтилентерефталата  используют в тех же цепях и  устройствах, что и обычные бумажные конденсаторы, когда требуется более высокое сопротивление изоляции, более высокая рабочая температура и меньшая абсорбция, чем для бумажного конденсатора.

Конденсаторы  с диэлектриком из пленки политетрафторэтилена (тефлон) способны работать при еще более высокой температуре (до 200°С), однако трудно изготовить пленку толщиной 6,3 и 12,7 мк с требуемыми характеристиками.

Конденсаторы этого типа имеют следующие характеристики:

1)  постоянная  времени высокая; при 25° С  она выше 10⁶ МОм*мкФ, при 200° С обычно выше 200 Мом*мкФ;

2)  диапазон  рабочих температур от —55 до +200°  С;

3)  диэлектрическая  абсорбция малая, такая же, как у полистирола;

4)  температурный  коэффициент емкости отрицательный, порядка —200*10^-6 град^-1;

5)  тангенс  угла потерь низкий, менее 0,0005 при 25° С;

6)  отклонение  емкости от номинала до ±1%;

7)  добротность  выше 5000;

8)  изменение  емкости в диапазоне температур от —55 до +200° С менее ±4%.

В связи с  дороговизной конденсаторы с диэлектриком из пленки этого типа используются только там, где необходимы высокая  рабочая температура, низкий угол потерь, высокая добротность, очень высокое  сопротивление изоляции и малое изменение емкости с температурой. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Электролитические конденсаторы 

Выдающаяся  характеристика электролитических  конденсаторов — очень высокая  удельная емкость, т. е. емкость, рассчитанная на единицу объема. Это преимущество особенно заметно при малых рабочих напряжениях. Электролитические конденсаторы можно изготовлять несколькими способами. Существенным признаком является наличие двух электродов, погруженных в электролит, с электрохимически полученной пленкой окиси,  которая работает в качестве диэлектрика на одном или на обоих электродах. 1. Полярный алюминиевый электролитический конденсатор — наиболее старый тип электролитического конденсатора. Конденсаторы наматываются,   подобно бумажным, из лент гладкой или травленой фольги. На поверхность одной из   лент,   анодной   или положительной, нанесен слой оксида. Травление фольги (или шоопирование ткани, что является другим вариантом конструкции)    увеличивает активную   поверхность, в результате чего достигается значительное увеличение емкости конденсатора.

При длительном хранении электролитические конденсаторы необходимо       периодически подформовывать.   Через 6 месяцев хранения при комнатной температуре, если ток утечки конденсаторов велик, оксидная пленка  должна быть вновь подформована.

Электрические свойства электролитических алюминиевых конденсаторов изменяются в широких пределах в зависимости от условий эксплуатации. Некоторые примеры приведены ниже.

а)  Емкость. При повышении температуры от 25 до 85° С емкость несколько возрастает (на 10%) и уменьшается при снижении температуры до —20° С. При более низких температурах емкость быстро падает. Емкость также несколько снижается с повышением частоты: в интервале частот от 60 Гц до 10 КГц она снижается примерно на 10%.

б)  Коэффициент  мощности. При 120 Гц и 25° С cosφ = = 0,02÷0,35; при 85° С он обычно незначительно уменьшается и резко возрастает при —40° С. Значительное увеличение cosφ наблюдается также при возрастании частоты. Вместо того чтобы характеризовать потери значением cosφ или tgδ, в обычной практике используют величину r_s последовательного сопротивления, эквивалентного потерям. Как cosφ, так tgδ зависят и от реактивной, и от активной составляющих сопротивления конденсатора. Эквивалентное последовательное сопротивление характеризует только активную часть полного сопротивления, а величина его определяется потерями в металлических частях и удельным сопротивлением электролита. Обычно величина r_s определяется главным образом проводимостью электролита и в меньшей степени сопротивлением металлических электродов, контактов и выводов.

в)   Ток  утечки. Сопротивление изоляции электролитических конденсаторов очень мало, а потому обычно вместо него рассматривается величина тока утечки конденсатора. Ток утечки изменяется с температурой: он очень мал при -40 ° С, но при 85° С почти в 3 раза превышает свои значение  при 25° C. Ток утечки увеличивается также с увеличением напряжения на выводах конденсатора; в первый момент после приложения напряжения ток очень высок но быстро спадает со временем. Через 1—5 мин величина тока утечки стабилизируется. Конденсаторы с различными номинальными данными сравниваются по величине отношения тока утечки к произведению из емкости на напряжение. Этот метод оценки до некоторой степени сравним с применением величины постоянной времени для оценки качества бумажных и пленочных конденсаторов.

г) Полное сопротивление  конденсатора. Увеличение полного сопротивления Z наблюдается при понижении температуры: при —40° С оно в 5—7 раз больше, чем при +25° С. При более низких температурах рост Z еще больше. При увеличении частоты Z заметно снижается; так, например, если производить измерение при температуре 85° С, то полное сопротивление конденсатора уменьшается с 20 Ом при частоте 120 Гц до 0,3 Ом при 10 КГц.

Оксидный слой в электролитическом конденсаторе формуется при номинальном напряжении, поэтому снижение рабочего напряжения при повышении температуры дает мало выгоды. Для обеспечения максимальной надежности и длительного срока службы допускаемое рабочее напряжение конденсатора должно быть не более 80% номинального напряжения: Тогда при воздействии перенапряжений не будет превышен номинальный предел. Перенапряжения, равные по величине номинальному напряжению, можно прикладывать к конденсатору не более чем на 30 сек с интервалами 10 мин.

Оксидная пленка «стремится переформоваться» при любом напряжении, которое поддерживается в течение некоторого времени постоянным, поэтому необходимо избегать пользования электролитических конденсаторов в схемах, где постоянное напряжение может значительно изменяться на длительное время в процессе работы.

В большинстве  электролитических конденсаторов  с металлическим корпусом электролит не может быть полностью изолирован от корпуса. Между отрицательной обкладкой и корпусом (земля)  имеется сопротивление неопределенной величины. В устройствах, где отрицательная обкладка конденсатора не должна быть при потенциале земли, конденсатор помещают в изоляционную трубку. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованной литературы

1. Гусев В. Н., Смирнов В. Ф. Электрические конденсаторы постоянной емкости.- М.: Советское радио, 1968.
2. Дж. В. А. Дэммер, Г.М. Норденберг. Конденсаторы постоянной и переменной емкости. М.-Л., Госэнергоиздат, 1963.
3. Справочник «Конденсаторы» М. «Радио и связь» 1987
4. . В. А. Ацюковский - «Емкостные датчики перемещения»