Конденсатор – радиодеталь, состоящая из электродов и диэлектрика, который их разделяет. Предназначен он для накопления в себе электроэнергии. Основная характеристика конденсатора – его емкость, которая определяется как разность между потенциалами. Танталовые конденсаторы появились более пятидесяти лет назад. От других видов их отличает, что в качестве диэлектрика здесь является оксид тантала (Та2О5).
Они отличаются от своих алюминиевых аналогов большой температурный режим работы, высокая надежность и длительный срок службы. Постепенно они совершенствовались, что увеличило их емкость. Разработчики старались увеличить емкость этих радиодеталей и одновременно уменьшить их физический размер.
В статье подробны подробным образом рассмотрены все тонкость танталовых конденсаторов и конденсаторов в принципе. В качестве бонуса в статье присутствует видеоролик и скачиваемый файл на данную тему.
Что такое тантал и какие у него особенности
Тантал не встречается в природе в чистом виде, его получают из оксидов, например, из ниобия. Такое соединение называют танталовой рудой, если содержание тантала составляет не менее 50%. Основные месторождения такой руды находятся в Австрии, Бразилии, Канаде, Китае и некоторых африканских странах. Синтетический тантал, производимый из оловосодержащих шлаков, выпускается в Малайзии, Таиланде и Бразилии. Большая часть добываемого тантала идет на производство танталовых конденсаторов, другие области применения – это медицинские импланты, режущие инструменты, высокотемпературные сплавы, химикообрабатываемая промышленность и др.
Танталовые конденсаторы имеют в 3 раза лучшее соотношение емкость-размер по сравнению с алюминиевыми конденсаторами. Это связано в тем, что тантал имеет диэлектрическую постоянную 26, а алюминий – 8.4. Лучшее значение диаэлектрической константы имеют керамические конденсаторы, от 12 до 400К. В число других преимуществ танталовых компонентов входят возможность выдерживать обратное напряжение в размере 10% от номинального, низкие термические параметры и отсутствие коррозии электролита.
Оксидные конденсаторы
Как известно, высокие удельные характеристики оксидных конденсаторов достигаются благодаря высокоразвитой поверхности исходного электрода из вентильного металла, на котором после формовки образуется необходимый слой соответствующего оксида. В алюминиевых конденсаторах высокоразвитая поверхность электрода образуется относительно просто в результате травления поверхности специальной алюминиевой фольги. В отличие от алюминия, повышенная химическая стойкость тантала вызывает технологические трудности, когда его подвергают травлению, чтобы получить развитую поверхность фольгового электрода. Кроме того, технология травления танталовой фольги экологически далеко не безопасна.
Поэтому в традиционном базовом конструктивно-технологическом решении наиболее массовых типов танталовых конденсаторов высокоразвитая поверхность электрода реализована в виде внутренней поверхности спрессованного из специальных танталовых порошков объемно-пористого тела, в центре которого расположен проволочный анодный вывод конденсатора. До недавнего времени совершенствование конденсаторов этого вида в части улучшения их массогабаритных характеристик основывалось на применении все более мелкодисперсных танталовых порошков, имеющих все более развитую поверхность и, соответственно, все более высокий исходный удельный заряд. Если в конце прошлого века наиболее распространенными были порошки с удельным зарядом порядка нескольких тысяч микрокулон на грамм, то в современных танталовых порошках удельный заряд уже превышает 100 тыс. мкКл/г.
В результате удельные заряды танталовых конденсаторов выросли более чем на порядок. Однако анализ тенденций и направлений в сфере применения танталовых конденсаторов показывает, что указанный путь развития конденсаторов недостаточно эффективен и не может полностью удовлетворить современные требования разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. Так, в последние годы существенно расширился диапазон рабочих частот преобразователей в источниках вторичного электропитания аппаратуры (ИВЭП) – традиционной области применения танталовых конденсаторов.
Материал в тему: устройство подстроечного резистора.
Танталовые конденсаторы теперь должны работать и в импульсных режимах, в частности как высокоэффективные накопители энергии для питания приемно-передающих модулей активных фазированных антенных решеток (АФАР). Повысились требования к быстродействию вычислительных блоков аппаратуры, где танталовые низковольтные конденсаторы используются в качестве резервных источников питания. Если ранее традиционная область рабочих частот танталовых конденсаторов реально ограничивалась единицами и десятками килогерц, то сегодня спектр рабочих частот этих конденсаторов расширился до порядков сотен килогерц – единиц мегагерц.
[stextbox id=’info’]Таким образом, возникла объективная предпосылка для повышения частотной стабильности параметров, и в первую очередь – емкости конденсаторов. Однако практикуемый способ повышения удельного заряда конденсаторов за счет использования высокозарядных порошков (в рамках традиционного конструктивно-технологического решения с центральным анодным выводом) дает, к сожалению, совершенно обратный результат.[/stextbox]
Разновидности
Благодаря свойству быстро накапливать и отдавать электрическую энергию конденсаторы нашли широкое применение в качестве накопителей энергии в различных фильтрах и в импульсных устройствах. Конденсаторы различаются по следующим признакам: характеру изменения емкости, способу защиты от внешних воздействующих факторов, назначению, способу монтажа и виду диэлектрика.
По характеру изменения емкости они делятся на конденсаторы постоянной емкости, подстроенные конденсаторы и конденсаторы переменной емкости. Емкость постоянных конденсаторов является фиксированной, т.е. в процессе эксплуатации не регулируется.
Емкость подстроенных конденсаторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Подстроенные конденсаторы используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей, где требуется незначительное изменение емкости. Конденсаторы переменной емкости допускают изменение емкости в процессе функционирования аппаратуры.
Управление емкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Такие конденсаторы применяют для плавной настройки колебательных конт} ров и в цепях автоматики.
По способу защиты от внешних воздействующих факторов конденсаторы выполняются незащищенными (допускают эксплуатацию при повышенной влажности только, в составе герметизированной аппаратуры), защищенными.
Неизолированными с покрытием или без покрытия (не допускают касания шасси); изолированными (с изоляционным покрытием), уплотненными органическими материалами; герметизированными с помощью керамических и металлических корпусов или стеклянных колб, что исключает взаимодействие внутреннего пространства с окружающей средой.
В зависимости от способа монтажа конденсаторы выполняются для печатного и навесного монтажа, а также для использования в составе микромодулей и микросхем. У большинства оксидных, проходных и опорных конденсаторов одна из обкладок соединена с корпусом, служащим вторым выводом. По назначению конденсаторы подразделяются на общего назначения (обычно низковольтные, без специальных требований) и специальные. Использование конденсаторов в конкретных цепях аппаратуры (низковольтные, высоковольтные, низкочастотные, высокочастотные, импульсные, пусковые, полярные, неполярные, помехоподавляющие, дозиметрические, нелинейные и др.) зависит от вида использованного в них диэлектрика. По виду диэлектрика конденсаторы делятся на группы: с органическим, неорганическим, оксидным и газообразным диэлектриком.
Конденсаторы с органическим диэлектриком
Конденсаторы с органическим диэлектриком изготовляются намоткой конденсаторной бумаги, пленок или их комбинации с металлизированными или фольговыми электродами. Они условно подразделяются на низковольтные (до 1000…1600 В, а для оксидных до 600 В) или высоковольтные (свыше 1600 В).
В свою очередь, низковольтные конденсаторы подразделяются на низкочастотные с рабочей частотой до 105 Гц (на основе полярных и слабополярных органических пленок: бумажные, металлобумажные, полиэтилентереф-талатные, комбинированные, лакопленочные, поликарбонатные и полипропиленовые) и высокочастотные с рабочими частотами до 107 Гц (на основе неполярных органических пленок: полистирольные, фторопластовые и некоторые полипропиленовые).
Высоковольтные конденсаторы подразделяются на высоковольтные постоянного напряжения (в качестве диэлектрика используются бумага, полистирол, фторопласт, лавсан и комбинированные) и высоковольтные импульсные (на основе бумажного и комбинированного диэлектриков).
Комбинированные конденсаторы обладают повышенной электрической прочностью по сравнению с бумажными Высоковольтные импульсные конденсаторы должны пропускать большие токи без искажений, т.е. должны иметь малую собственную индуктивность.
[stextbox id=’info’]Дозиметрические конденсатооы (обычно фторопластовые) работают в цепях с низким уровнем токовых нагрузок, имеют большие сопротивления изоляции и постоянные времени Помехоподавляющие конденсаторы (обычно бумажные, комбинированные и лавсановые) предназначены для ослабления электромагнитных помех, имеют высокое сопротивление изоляции, малую собственную индуктивность, что повышает полосу подавляемых частот.[/stextbox]
Пленочные конденсаторы
Выпускаются на основе синтетических пленок толщиной 1,4…30 мкм. В зависимости .от использованного диэлектрика они подразделяются на группы, из неполярных пленок (полистирольные, фторопластовые, полипропиленовые), из полярных пленок (полиэтилентерефталатные, т.е. лавсанполикарбонатные), комбинированные (ппенка и бумага) и лакопленочные. Каждый класс конденсаторов обладает определенным комплексом свойств, и в целом пленочные конденсаторы перекрывают широкий диапазон требований современной техники.
Пленочные конденсатооы отличаются более высокими электрическими и эксплуатаци энными характеристиками и меньшей трудоемкостью изготовления по сравнению с бумажными, поэтому производство их непрерывно растет. Конденсаторы выпускаются с фольговыми и металлизированными обкладками. Фольговые конденсаторы отличаются более высокими и стабильными электрическими характеристиками Конденсаторы с метал-пизированными обьладками отличаются от фольговых улучшенными удельными характеристиками. Это достигается за счет присущего таким конденсаторам свойстза самовосстановления, позволяющего повысить рабочие напряженности электрического поля.
Материал по теме: Как проверить варистор мультиметром.
Области применения фторопластовых и полистирольных конденсаторов почти не отличаются Фторопластовые конденсаторы применяют при повышенных температурах и более жестких требованиях к электрическим параметрам.
Конденсаторы с неорганическим диэлектриком
В качестве диэлектрика в них используются керамика, стекло, стеклоэмаль, стеклокерамика или слюда. Конденсаторы с такими диэлектриками подразделяются на низковольтные, высоковольтные и помехоподавляющие. Низковольтные конденсаторы, в свою очередь, делятся на низкочастотные и высокочастотные (с частотой до сотен мегагерц и более) и предназначаются: для использования в резонансных контурах и цепях, где требуются малые потери и высокая стабильность емкости (высокочастотные!. В цепях фильтров блокировки и развязки, где малые потери и стабильность емкости не имеют особого значения, используются керамические конденсаторы с большими диэлектрическими потерями (низкочастотные).
К высокочастотным конденсаторам относятся слюдяные, стеклоэмалевые, стеклокерамические и керамические; к низкочастотным – стеклокерамические и керамические. Высоковольтные конденсаторы выполняются с диэлектриком из керамики с большой диэлектрической проницаемостью и разделяются также на низкочастотные и высокочастотные. Они имеют конструкцию и выводы, рассчитанные на прохождение больших токов.
Помехоподавляющие конденсаторы разделяются на опорные с конструкцией дискового или трубчатого типа (один из выводов у них – опорная металлическая пластина с резьбовым соединением) и проходные коаксиальные и некоаксиальные); предназначены для подавления индустриальных, атмосферных и высокочастотных помех. Керамические конденсаторы являются самыми массовыми среди применяемых в радиоэлектронной аппаратуре. К основным достоинствам керамических конденсаторов относятся:
- возможность реализации широкой шкалы емкостей от долей пикофарады до единиц и десятков микрофарад;
- возможность реализации заданного температурного коэффициента емкости (ТКЕ,;
- высокая устойчивость к воздействиям внешних факторов (температура, влажность воздуха и т.п.) и высокая надежность;
- возможность использования керамических кристаллов совместно с микросхемами или в составе микросхем;
- простота технологии, делающая керамические конденсаторы массовых серий самыми дешевыми.
Керамические конденсаторы можно разделить на две группы: постоянной емкости, среди которых различают низковольтные (Uном < 1600 Б) и высоковольтные (Uном ≥ 1600 В), и подстроенные. По базовым конструкциям низковольтные керамические конденсаторы можно разделить на:
- трубчатые (КТ-1, 2, 3; К10-38);
- дисковые (КД-1, 2; K10-i9; К10-29; К10-78);
- пластинчатые (К10-7В);
- полупроводниковые (с барьерным слоем К10У-5)
- монолитные (К10-17, К10-27, К10-42; К10-43; К10-47; К10-49, К10-50, К10-60, К22-5);
- специальные – проходные и опорные (КТП. К10П-4, КО, КДО).
Однослойные конденсаторы трубчатой, дисковой и пластинчатой конструкции – самые распространенные. Они выпускаются в диапазоне емкостей от 0,47 пФ до 0,063 мкФ и напряжением до 800 В Разнообразие конструктивных вариантов исполнения однослойных конденсаторов и широкий диапазон их видоразмеров позволяют потребителю выбрать наилучший вариант по сочетанию параметров и стоимости изделий.
Конденсаторы с оксидным диэлектриком
Оксидные конденсаторы (старое название – электролитические) разделяются на: общего назначения, неполярные, высокочастотные, импульсные, пусковые и помехоподавляющие. В качестве диэлектриками в них используется оксидный слой, образуемый электрохимическим путем на аноде – металлической обкладке из некоторых металлов. В зависимости от материала анода оксидные конденсаторы подразделяют на алюминиевые, танталовые и ниобиевые.
Второй обкладкой конденсатора (катодом) служит электролит, пропитывающий бумажную или тканевую прокладку в оксидно электролитических (жидкостных! алюминиевых и танталовых конденсаторах, жидкий или гелеобразный электролит в танталовых объемно-пористых конденсаторах и полупроводник (двуокись марганца) в оксидно-полупроводниковых конденсаторах.
Конденсаторы с оксидным диэлектриком – низковольтные, с относи!ельно большими потерями, но в отличие от других типов низковспьтных конденсаторов имеют несравнимо большие емкости (от единиц до сотен тысяч микрофарад). Они используются в фильтрах источников электропитания, цепях развязки, шунтирующих и переходных цепях полупроводниковых, устройств на низких частотах.
Алюминиевые оксидно-электролитические конденсаторы являются одними из самых массовых Они выпускаются на напряжения от 3 до 450 (500) В с диапазоном емкостей от десятых долей до сотен тысяч микрофарад и предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего токов, а также в импульсных режимах. Конденсаторь: К50-35 из группы общего назначения имеют униполярную (одностороннюю) проводимость, вследствие чего их эксплуатация возможна только при положительном потенциале на аноде. Тем не менее это наиболее распространенные оксидные конденсаторы.
[stextbox id=’info’]Они могут быть жидкостными, объемно-пористыми и оксидно-полупроводниковыми. Неполярные конденсаторы с оксидным диэлектриком могут включаться в цепь постоянного и пульсирующего тока без учета полярности, а также допускать смену полярности в процессе эксплуатации.[/stextbox]
Неполярные конденсаторы выпускаются оксидно-электролитические (жидкостные) алюминиевые и танталовые, а также оксидно-полупроводниковые танталовые. Эти типы конденсаторов (алюминиевые, жидкостные и танталовые оксидно-полупроводниковые) широко применяются в источниках вторичного электропитания, в качестве накопительных и фильтрующих элементов в цепях развязок и переходных цепях полупроводниковых устройств в диапазоне частот пульсирующего тока от десятков герц до сотен килогерц. По частотным характеристикам они уступают конденсаторам на неорганической основе. Для расширения возможностей использования оксидных конденсаторов в более широком диапазоне частот необходимо снижать их полное сопротивление.
Это оказалось возможным при появлении совершенно новых конструктивных решений – четырехвыводных конструкций и плоской конструкции, позволяющих их эксплуатацию на значительно более высоких частотах. Импульсные конденсаторы К50-17 используются в электрических цепях с относительно длительным зарядом и быстрым разрядом, например в устройствах фотовспышек. Такие конденсаторы должны быть энергоемкими, иметь малое полное сопротивление и большое рабочее напряжение. Наилучшим образом этому требованию удовлетворяют оксидно-электролитическиг алюминиевые конденсаторы с напряжением до 500 В.
Пусковые конденсаторы К50-19 используются в асинхронных двигателях, в которых емкость включается только на момент пуска двигателя. При наличии пусковой емкости вращающееся поле двигателя при пуске приближается к круговому, а магнитный поток увеличивается. Все это способствует повышению пускового момента, улучшает характеристики двигателя. В связи с тем, что пусковые конденсаторы включаются в сеть переменного тока, они должны быть неполярными и иметь сравнительно большое для оксидных конденсаторов рабочее напряжение переменного тока, несколько превышающее напряжение промышленной сети.
На практике используются пусковые конденсаторы емкостью порядка десятков и сотен микрофарад, созданные на основе алюминиевых оксидных пленок с жидким электролитом. В группу оксидных помехоподавляющих конденсаторов входят только проходные оксидно-полупроводниковые танталовые конденсаторы. Они, как и проходные конденсаторы других типов, выполняют роль фильтра нижних частот, но в отличие от них имеют гораздо большие значения емкостей, что дает возможность сдвигать частотную характеристику в область более низких частот.
Более подробно о танталовых конденсаторах можно узнать прочитав статью “Маркировка конденсаторов”. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.
Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:
www.radioradar.net
www.platan.ru
www.electronics.ru
Предыдущая
