Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Стили изготовления электронных устройств, коммерческие дискретные конденсаторы как стандартные компоненты для использования в электронном оборудовании.
Manufacturing styles of an electronic device
commercial discrete capacitors as customary components for use in electronic equipment
Конденсаторы производятся в различных конструкциях, формах, размерах и из широкого спектра материалов. Все они содержат как минимум два электрических проводника, называемых обкладками, разделенных изолирующим слоем (диэлектриком). Конденсаторы широко используются в качестве элементов электрических цепей во многих распространенных электрических устройствах. Вместе с резисторами и индукторами конденсаторы относятся к группе пассивных компонентов в электронном оборудовании. Конденсаторы небольшого размера используются в электронных устройствах для связи сигналов между каскадами усилителей, в качестве компонентов электрических фильтров и резонансных контуров, или в качестве элементов систем электропитания для сглаживания выпрямленного тока. Конденсаторы большего размера используются для накопления энергии в таких приложениях, как импульсные лампы, в качестве элементов некоторых типов электродвигателей или для коррекции коэффициента мощности в системах распределения переменного тока. Стандартные конденсаторы имеют фиксированное значение емкости, но переменные конденсаторы часто используются в резонансных контурах. Выбор типа зависит от требуемой емкости, рабочего напряжения, допустимого тока и других характеристик. Хотя в абсолютном выражении большинство производимых конденсаторов интегрированы в динамическую память с произвольным доступом, флэш-память и другие микросхемы, в данной статье рассматриваются дискретные компоненты.
Capacitors are manufactured in many styles, forms, dimensions, and from a large variety of materials. They all contain at least two electrical conductors, called plates, separated by an insulating layer (dielectric). Capacitors are widely used as parts of electrical circuits in many common electrical devices. Capacitors, together with resistors and inductors, belong to the group of passive components in electronic equipment. Small capacitors are used in electronic devices to couple signals between stages of amplifiers, as components of electric filters and tuned circuits, or as parts of power supply systems to smooth rectified current. Larger capacitors are used for energy storage in such applications as strobe lights, as parts of some types of electric motors, or for power factor correction in AC power distribution systems. Standard capacitors have a fixed value of capacitance, but adjustable capacitors are frequently used in tuned circuits. Different types are used depending on required capacitance, working voltage, current handling capacity, and other properties. While, in absolute figures, the most commonly manufactured capacitors are integrated into dynamic random access memory, flash memory, and other device chips, this article covers the discrete components.
Обычное строительство
Обычный конденсатор накапливает электрическую энергию в виде статического электричества за счет разделения зарядов в электрическом поле между двумя электродными пластинами. Переносчиками заряда обычно являются электроны. Количество заряда, накапливаемого на единицу напряжения, по сути, является функцией размера пластин, свойств материала пластин, свойств диэлектрического материала, расположенного между пластинами, и расстояния между ними (то есть толщины диэлектрика). Потенциал между пластинами ограничен свойствами диэлектрического материала и расстоянием между ними. Почти все обычные промышленные конденсаторы, за исключением некоторых специальных типов, таких как "сквозные конденсаторы", конструктивно выполнены как "пластинчатые конденсаторы", даже если их электроды и диэлектрик между ними намотаны или свернуты. Ёмкость, C, пластинчатого конденсатора определяется следующим образом:
A conventional capacitor stores electric energy as static electricity by charge separation in an electric field between two electrode plates. The charge carriers are typically electrons, The amount of charge stored per unit voltage is essentially a function of the size of the plates, the plate material's properties, the properties of the dielectric material placed between the plates, and the separation distance (i. e. dielectric thickness). The potential between the plates is limited by the properties of the dielectric material and the separation distance. Nearly all conventional industrial capacitors except some special styles such as "feed through capacitors", are constructed as "plate capacitors" even if their electrodes and the dielectric between are wound or rolled. The capacitance, C, of a plate capacitors is:
Ёмкость увеличивается с увеличением площади A пластин и диэлектрической проницаемости ε диэлектрического материала и уменьшается с увеличением расстояния d между пластинами. Следовательно, ёмкость максимальна в устройствах, изготовленных из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, большой площадью пластин и небольшим расстоянием между пластинами.
The capacitance increases with the area A of the plates and with the permittivity ε of the dielectric material, and decreases with the plate separation distance d. The capacitance is therefore greatest in devices made from materials with a high permittivity, large plate area, and small distance between plates.
Пленочные конденсаторы
Пленочные конденсаторы или пластиковые пленочные конденсаторы – неполяризованные конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется изолирующая пластиковая пленка. Диэлектрические пленки растягиваются до тонкого слоя, снабжаются металлическими электродами и наматываются в цилиндрическую обмотку. Электроды пленочных конденсаторов могут быть выполнены из металлизированного алюминия или цинка, нанесенных на одну или обе стороны пластиковой пленки, что приводит к образованию металлизированных пленочных конденсаторов, либо из отдельной металлической фольги, расположенной поверх пленки, называемой пленочно-фольгированными конденсаторами. Металлизированные пленочные конденсаторы обладают свойством самовосстановления. Диэлектрические пробои или короткие замыкания между электродами не приводят к выходу компонента из строя. Металлизированная конструкция позволяет производить намоточные конденсаторы с более высокими значениями емкости (до 100 мкФ и более) в корпусах меньшего размера, чем в пленочно-фольгированной конструкции. Пленочно-фольгированные или металлофольгированные конденсаторы используют две пластиковые пленки в качестве диэлектрика. Каждая пленка покрыта тонкой металлической фольгой, преимущественно алюминиевой, для формирования электродов. Преимуществом данной конструкции является простота подключения металлических фольгированных электродов, а также высокая устойчивость к импульсным токам. Ключевым преимуществом внутренней конструкции любого пленочного конденсатора является прямой контакт с электродами на обоих концах обмотки. Этот контакт обеспечивает минимальную длину токопроводящих путей. Конструкция функционирует как большое количество отдельных конденсаторов, соединенных параллельно, что снижает внутренние омические потери (эквивалентное последовательное сопротивление, или ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Присущая геометрия структуры пленочных конденсаторов обеспечивает низкие омические потери и низкую паразитную индуктивность, что делает их пригодными для применения при высоких импульсных токах (снабберах), в цепях переменного тока или для применения на более высоких частотах. В качестве диэлектрика в пленочных конденсаторах используются пластиковые пленки из полипропилена (PP), полиэстера (PET), полифениленсульфида (PPS), полиэтиленнафталата (PEN) и политетрафторэтилена (PTFE). Полипропилен занимает около 50% рынка, а полиэстер – около 40%, являясь наиболее распространенными материалами для пленочных конденсаторов. Оставшиеся 10% приходятся на все остальные материалы, включая PPS и бумагу, каждый из которых составляет примерно 3%.
Film capacitors or plastic film capacitors are non polarized capacitors with an insulating plastic film as the dielectric. The dielectric films are drawn to a thin layer, provided with metallic electrodes and wound into a cylindrical winding. The electrodes of film capacitors may be metallized aluminum or zinc, applied on one or both sides of the plastic film, resulting in metallized film capacitors or a separate metallic foil overlying the film, called film/foil capacitors. Metallized film capacitors offer self healing properties. Dielectric breakdowns or shorts between the electrodes do not destroy the component. The metallized construction makes it possible to produce wound capacitors with larger capacitance values (up to 100 μF and larger) in smaller cases than within film/foil construction. Film/foil capacitors or metal foil capacitors use two plastic films as the dielectric. Each film is covered with a thin metal foil, mostly aluminium, to form the electrodes. The advantage of this construction is the ease of connecting the metal foil electrodes, along with an excellent current pulse strength. A key advantage of every film capacitor's internal construction is direct contact to the electrodes on both ends of the winding. This contact keeps all current paths very short. The design behaves like a large number of individual capacitors connected in parallel, thus reducing the internal ohmic losses (equivalent series resistance or ESR) and equivalent series inductance (ESL). The inherent geometry of film capacitor structure results in low ohmic losses and a low parasitic inductance, which makes them suitable for applications with high surge currents (snubbers) and for AC power applications, or for applications at higher frequencies. The plastic films used as the dielectric for film capacitors are polypropylene (PP), polyester (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene naphthalate (PEN), and polytetrafluoroethylene (PTFE). Polypropylene has a market share of about 50% and polyester with about 40% are the most used film materials. The other 10% use all the other materials, including PPS and paper with roughly 3% each. + Characteristics of plastic film materials for film capacitors Film material, abbreviated codes Film characteristics PET PEN PPS PP Relative permittivity at 1 kHz 3.3 3.0 3.0 2.2 Minimum film thickness (μm) 0.7–0.9 0.9–1.4 1.2 2.4–3.0 Moisture absorption (%) low 0.4 0.05 <0.1 Dielectric strength (V/μm) 580 500 470 650 Commercial realizedvoltage proof (V/μm) 280 300 220 400 DC voltage range (V) 50–1,000 16–250 16–100 40–2,000 Capacitance range 100 pF–22 μF 100 pF–1 μF 100 pF–0.47 μF 100 pF–10 μF Application temperature range (°C) −55 to +125 /+150 −55 to +150 −55 to +150 −55 to +105 C/C0 versus temperature range (%) ±5 ±5 ±1.5 ±2.5 Dissipation factor (•10−4) at 1 kHz 50–200 42–80 2–15 0.5–5 at 10 kHz 110–150 54–150 2.5–25 2–8 at 100 kHz 170–300 120–300 12–60 2–25 at 1 MHz 200–350 – 18–70 4–40 Time constant RInsul•C (s) at 25 °C ≥10,000 ≥10,000 ≥10,000 ≥100,000 at 85 °C 1,000 1,000 1,000 10,000Dielectric absorption (%) 0.2–0.5 1–1.2 0.05–0.1 0.01–0.1Specific capacitance (nF•V/mm3) 400 250 140 50
Some film capacitors of special shapes and styles are used as capacitors for special applications, including RFI/EMI suppression capacitors for connection to the supply mains, also known as safety capacitors, snubber capacitors for very high surge currents, motor run capacitors and AC capacitors for motor run applications.
Характеристики пластиковых материалов для пленочных конденсаторов
Film capacitors or plastic film capacitors are non polarized capacitors with an insulating plastic film as the dielectric. The dielectric films are drawn to a thin layer, provided with metallic electrodes and wound into a cylindrical winding. The electrodes of film capacitors may be metallized aluminum or zinc, applied on one or both sides of the plastic film, resulting in metallized film capacitors or a separate metallic foil overlying the film, called film/foil capacitors. Metallized film capacitors offer self healing properties. Dielectric breakdowns or shorts between the electrodes do not destroy the component. The metallized construction makes it possible to produce wound capacitors with larger capacitance values (up to 100 μF and larger) in smaller cases than within film/foil construction. Film/foil capacitors or metal foil capacitors use two plastic films as the dielectric. Each film is covered with a thin metal foil, mostly aluminium, to form the electrodes. The advantage of this construction is the ease of connecting the metal foil electrodes, along with an excellent current pulse strength. A key advantage of every film capacitor's internal construction is direct contact to the electrodes on both ends of the winding. This contact keeps all current paths very short. The design behaves like a large number of individual capacitors connected in parallel, thus reducing the internal ohmic losses (equivalent series resistance or ESR) and equivalent series inductance (ESL). The inherent geometry of film capacitor structure results in low ohmic losses and a low parasitic inductance, which makes them suitable for applications with high surge currents (snubbers) and for AC power applications, or for applications at higher frequencies. The plastic films used as the dielectric for film capacitors are polypropylene (PP), polyester (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene naphthalate (PEN), and polytetrafluoroethylene (PTFE). Polypropylene has a market share of about 50% and polyester with about 40% are the most used film materials. The other 10% use all the other materials, including PPS and paper with roughly 3% each. + Characteristics of plastic film materials for film capacitors Film material, abbreviated codes Film characteristics PET PEN PPS PP Relative permittivity at 1 kHz 3.3 3.0 3.0 2.2 Minimum film thickness (μm) 0.7–0.9 0.9–1.4 1.2 2.4–3.0 Moisture absorption (%) low 0.4 0.05 <0.1 Dielectric strength (V/μm) 580 500 470 650 Commercial realizedvoltage proof (V/μm) 280 300 220 400 DC voltage range (V) 50–1,000 16–250 16–100 40–2,000 Capacitance range 100 pF–22 μF 100 pF–1 μF 100 pF–0.47 μF 100 pF–10 μF Application temperature range (°C) −55 to +125 /+150 −55 to +150 −55 to +150 −55 to +105 C/C0 versus temperature range (%) ±5 ±5 ±1.5 ±2.5 Dissipation factor (•10−4) at 1 kHz 50–200 42–80 2–15 0.5–5 at 10 kHz 110–150 54–150 2.5–25 2–8 at 100 kHz 170–300 120–300 12–60 2–25 at 1 MHz 200–350 – 18–70 4–40 Time constant RInsul•C (s) at 25 °C ≥10,000 ≥10,000 ≥10,000 ≥100,000 at 85 °C 1,000 1,000 1,000 10,000Dielectric absorption (%) 0.2–0.5 1–1.2 0.05–0.1 0.01–0.1Specific capacitance (nF•V/mm3) 400 250 140 50
Some film capacitors of special shapes and styles are used as capacitors for special applications, including RFI/EMI suppression capacitors for connection to the supply mains, also known as safety capacitors, snubber capacitors for very high surge currents, motor run capacitors and AC capacitors for motor run applications.
Film capacitors or plastic film capacitors are non polarized capacitors with an insulating plastic film as the dielectric. The dielectric films are drawn to a thin layer, provided with metallic electrodes and wound into a cylindrical winding. The electrodes of film capacitors may be metallized aluminum or zinc, applied on one or both sides of the plastic film, resulting in metallized film capacitors or a separate metallic foil overlying the film, called film/foil capacitors. Metallized film capacitors offer self healing properties. Dielectric breakdowns or shorts between the electrodes do not destroy the component. The metallized construction makes it possible to produce wound capacitors with larger capacitance values (up to 100 μF and larger) in smaller cases than within film/foil construction. Film/foil capacitors or metal foil capacitors use two plastic films as the dielectric. Each film is covered with a thin metal foil, mostly aluminium, to form the electrodes. The advantage of this construction is the ease of connecting the metal foil electrodes, along with an excellent current pulse strength. A key advantage of every film capacitor's internal construction is direct contact to the electrodes on both ends of the winding. This contact keeps all current paths very short. The design behaves like a large number of individual capacitors connected in parallel, thus reducing the internal ohmic losses (equivalent series resistance or ESR) and equivalent series inductance (ESL). The inherent geometry of film capacitor structure results in low ohmic losses and a low parasitic inductance, which makes them suitable for applications with high surge currents (snubbers) and for AC power applications, or for applications at higher frequencies. The plastic films used as the dielectric for film capacitors are polypropylene (PP), polyester (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene naphthalate (PEN), and polytetrafluoroethylene (PTFE). Polypropylene has a market share of about 50% and polyester with about 40% are the most used film materials. The other 10% use all the other materials, including PPS and paper with roughly 3% each. + Characteristics of plastic film materials for film capacitors Film material, abbreviated codes Film characteristics PET PEN PPS PP Relative permittivity at 1 kHz 3.3 3.0 3.0 2.2 Minimum film thickness (μm) 0.7–0.9 0.9–1.4 1.2 2.4–3.0 Moisture absorption (%) low 0.4 0.05 <0.1 Dielectric strength (V/μm) 580 500 470 650 Commercial realizedvoltage proof (V/μm) 280 300 220 400 DC voltage range (V) 50–1,000 16–250 16–100 40–2,000 Capacitance range 100 pF–22 μF 100 pF–1 μF 100 pF–0.47 μF 100 pF–10 μF Application temperature range (°C) −55 to +125 /+150 −55 to +150 −55 to +150 −55 to +105 C/C0 versus temperature range (%) ±5 ±5 ±1.5 ±2.5 Dissipation factor (•10−4) at 1 kHz 50–200 42–80 2–15 0.5–5 at 10 kHz 110–150 54–150 2.5–25 2–8 at 100 kHz 170–300 120–300 12–60 2–25 at 1 MHz 200–350 – 18–70 4–40 Time constant RInsul•C (s) at 25 °C ≥10,000 ≥10,000 ≥10,000 ≥100,000 at 85 °C 1,000 1,000 1,000 10,000Dielectric absorption (%) 0.2–0.5 1–1.2 0.05–0.1 0.01–0.1Specific capacitance (nF•V/mm3) 400 250 140 50
Some film capacitors of special shapes and styles are used as capacitors for special applications, including RFI/EMI suppression capacitors for connection to the supply mains, also known as safety capacitors, snubber capacitors for very high surge currents, motor run capacitors and AC capacitors for motor run applications.
Некоторые пленочные конденсаторы специальной формы и конструкции используются для специальных применений, включая конденсаторы для подавления радиопомех (RFI/EMI), подключаемые к сети электропитания, также известные как предохранительные конденсаторы, снабберные конденсаторы для очень высоких импульсных токов, пусковые конденсаторы для двигателей и конденсаторы переменного тока для применения в двигателях.
Film capacitors or plastic film capacitors are non polarized capacitors with an insulating plastic film as the dielectric. The dielectric films are drawn to a thin layer, provided with metallic electrodes and wound into a cylindrical winding. The electrodes of film capacitors may be metallized aluminum or zinc, applied on one or both sides of the plastic film, resulting in metallized film capacitors or a separate metallic foil overlying the film, called film/foil capacitors. Metallized film capacitors offer self healing properties. Dielectric breakdowns or shorts between the electrodes do not destroy the component. The metallized construction makes it possible to produce wound capacitors with larger capacitance values (up to 100 μF and larger) in smaller cases than within film/foil construction. Film/foil capacitors or metal foil capacitors use two plastic films as the dielectric. Each film is covered with a thin metal foil, mostly aluminium, to form the electrodes. The advantage of this construction is the ease of connecting the metal foil electrodes, along with an excellent current pulse strength. A key advantage of every film capacitor's internal construction is direct contact to the electrodes on both ends of the winding. This contact keeps all current paths very short. The design behaves like a large number of individual capacitors connected in parallel, thus reducing the internal ohmic losses (equivalent series resistance or ESR) and equivalent series inductance (ESL). The inherent geometry of film capacitor structure results in low ohmic losses and a low parasitic inductance, which makes them suitable for applications with high surge currents (snubbers) and for AC power applications, or for applications at higher frequencies. The plastic films used as the dielectric for film capacitors are polypropylene (PP), polyester (PET), polyphenylene sulfide (PPS), polyethylene naphthalate (PEN), and polytetrafluoroethylene (PTFE). Polypropylene has a market share of about 50% and polyester with about 40% are the most used film materials. The other 10% use all the other materials, including PPS and paper with roughly 3% each. + Characteristics of plastic film materials for film capacitors Film material, abbreviated codes Film characteristics PET PEN PPS PP Relative permittivity at 1 kHz 3.3 3.0 3.0 2.2 Minimum film thickness (μm) 0.7–0.9 0.9–1.4 1.2 2.4–3.0 Moisture absorption (%) low 0.4 0.05 <0.1 Dielectric strength (V/μm) 580 500 470 650 Commercial realizedvoltage proof (V/μm) 280 300 220 400 DC voltage range (V) 50–1,000 16–250 16–100 40–2,000 Capacitance range 100 pF–22 μF 100 pF–1 μF 100 pF–0.47 μF 100 pF–10 μF Application temperature range (°C) −55 to +125 /+150 −55 to +150 −55 to +150 −55 to +105 C/C0 versus temperature range (%) ±5 ±5 ±1.5 ±2.5 Dissipation factor (•10−4) at 1 kHz 50–200 42–80 2–15 0.5–5 at 10 kHz 110–150 54–150 2.5–25 2–8 at 100 kHz 170–300 120–300 12–60 2–25 at 1 MHz 200–350 – 18–70 4–40 Time constant RInsul•C (s) at 25 °C ≥10,000 ≥10,000 ≥10,000 ≥100,000 at 85 °C 1,000 1,000 1,000 10,000Dielectric absorption (%) 0.2–0.5 1–1.2 0.05–0.1 0.01–0.1Specific capacitance (nF•V/mm3) 400 250 140 50
Some film capacitors of special shapes and styles are used as capacitors for special applications, including RFI/EMI suppression capacitors for connection to the supply mains, also known as safety capacitors, snubber capacitors for very high surge currents, motor run capacitors and AC capacitors for motor run applications.
Конденсаторы с пленочной силовой установкой
Спутный тип – силовой пленочный конденсатор. Материалы и технологии изготовления, используемые для больших силовых пленочных конденсаторов, в основном аналогичны применяемым в обычных пленочных конденсаторах. Однако конденсаторы с высокой и очень высокой номинальной мощностью для применения в системах электроснабжения и электроустановках часто классифицируются отдельно по историческим причинам. Стандартизация обычных пленочных конденсаторов ориентирована на электрические и механические параметры. В отличие от них, стандартизация силовых конденсаторов делает акцент на безопасности персонала и оборудования, как это определено местными регулирующими органами. По мере того как современное электронное оборудование приобрело возможность обрабатывать уровни мощности, которые ранее были прерогативой компонентов "электрической мощности", различие между "электронной" и "электрической" номинальной мощностью стало менее четким. Исторически граница между этими двумя категориями соответствовала примерно 200 вольт-ампер реактивной мощности. В силовых пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика чаще всего используется полипропиленовая пленка. К другим типам относятся металлизированные бумажные конденсаторы (МП-конденсаторы) и пленочные конденсаторы со смешанными диэлектриками, содержащими полипропиленовый диэлектрик. МП-конденсаторы применяются в недорогих решениях, а также в качестве электродов с отсутствием поля (конденсаторы с "рыхлой" фольгой) для высоких переменных токов или импульсных нагрузок. Обмотки могут быть залиты изоляционным маслом или эпоксидной смолой для уменьшения количества воздушных пузырей и предотвращения коротких замыканий. Они используются в качестве преобразователей для изменения напряжения, тока или частоты, для накопления и быстрой отдачи электрической энергии или для улучшения коэффициента мощности. Диапазон номинальных напряжений этих конденсаторов составляет приблизительно от 120 В переменного тока (электронные балласты для освещения) до 100 кВ.
A related type is the power film capacitor. The materials and construction techniques used for large power film capacitors mostly are similar to those of ordinary film capacitors. However, capacitors with high to very high power ratings for applications in power systems and electrical installations are often classified separately, for historical reasons. The standardization of ordinary film capacitors is oriented on electrical and mechanical parameters. The standardization of power capacitors by contrast emphasizes the safety of personnel and equipment, as given by the local regulating authority. As modern electronic equipment gained the capacity to handle power levels that were previously the exclusive domain of "electrical power" components, the distinction between the "electronic" and "electrical" power ratings blurred. Historically, the boundary between these two families was approximately at a reactive power of 200 volt amperes. Film power capacitors mostly use polypropylene film as the dielectric. Other types include metallized paper capacitors (MP capacitors) and mixed dielectric film capacitors with polypropylene dielectrics. MP capacitors serve for cost applications and as field free carrier electrodes (soggy foil capacitors) for high AC or high current pulse loads. Windings can be filled with an insulating oil or with epoxy resin to reduce air bubbles, thereby preventing short circuits. They find use as converters to change voltage, current or frequency, to store or deliver abruptly electric energy or to improve the power factor. The rated voltage range of these capacitors is from approximately 120 V AC (capacitive lighting ballasts) to 100 kV.
Конденсаторы различного назначения
Под вышеописанными конденсаторами, покрывающими большую часть рынка дискретных конденсаторов, в электронике можно встретить новые разработки или специализированные типы конденсаторов, а также более старые модели.
Beneath the above described capacitors covering more or less nearly the total market of discrete capacitors some new developments or very special capacitor types as well as older types can be found in electronics.
Интегрированные конденсаторы
Интегрированные конденсаторы – в интегральных схемах наноразмерные конденсаторы могут быть сформированы путем создания соответствующих рисунков металлизации на изолирующей подложке. Они могут быть упакованы в виде многоэлементных конденсаторных батарей, не содержащих других полупроводниковых компонентов, в качестве дискретных элементов. Стеклянные конденсаторы – первый конденсатор Лейденской банки был изготовлен из стекла, и по состоянию на 2012 год стеклянные конденсаторы использовались в SMD-исполнении в приложениях, требующих ультранадёжной и ультрастабильной работы.
Integrated capacitors—in integrated circuits, nano scale capacitors can be formed by appropriate patterns of metallization on an isolating substrate. They may be packaged in multiple capacitor arrays with no other semiconductive parts as discrete components. Glass capacitors—First Leyden jar capacitor was made of glass, as of 2012 glass capacitors were in use as SMD version for applications requiring ultra reliable and ultra stable service.
Специальные конденсаторы
Печатные платы. Металлические проводящие области в разных слоях многослойной печатной платы могут выполнять функцию высокостабильного конденсатора в фильтрах с распределёнными элементами. Распространённой практикой в промышленности является заполнение неиспользуемых участков одного слоя печатной платы заземляющим проводником, а другого – проводником питания, формируя таким образом большой распределённый конденсатор между слоями. Провод – два куска изолированного провода, скрученных вместе. Значения ёмкости обычно находятся в диапазоне от 3 до 15 пФ. Применяется в самодельных схемах ВЧ для обратной связи в генераторах. Существуют также специализированные устройства, такие как встроенные конденсаторы с металлическими проводящими областями в разных слоях многослойной печатной платы, и самодельные решения, например, скручивание двух кусков изолированного провода. Конденсаторы, изготовленные путём скручивания двух кусков изолированного провода, называют "хитрыми" конденсаторами. "Хитрые" конденсаторы использовались в коммерческих и любительских радиоприёмниках.
Printed circuit boards—metal conductive areas in different layers of a multi layer printed circuit board can act as a highly stable capacitor in Distributed element filters. It is common industry practice to fill unused areas of one PCB layer with the ground conductor and another layer with the power conductor, forming a large distributed capacitor between the layers. Wire—2 pieces of insulated wire twisted together. Capacitance values usually range from 3 pF to 15 pF. Used in homemade VHF circuits for oscillation feedback. Specialized devices such as built in capacitors with metal conductive areas in different layers of a multi layer printed circuit board and kludges such as twisting together two pieces of insulated wire also exist. Capacitors made by twisting 2 pieces of insulated wire together are called gimmick capacitors. Gimmick capacitors were used in commercial and amateur radio receivers.
Сравнение типов
+ Особенности и применение, а также недостатки конденсаторов Тип конденсатора Диэлектрик Особенности/применение Недостатки Керамические конденсаторы Керамические конденсаторы класса 1 параэлектрическая керамика смесь диоксида титана, модифицированная добавками Предсказуемое линейное и незначительное изменение емкости с рабочей температурой. Отличные высокочастотные характеристики с малыми потерями. Для температурной компенсации в резонансных цепях. Доступны для напряжений до 15 000 В. Керамика с низкой диэлектрической проницаемостью, конденсаторы с низкой объемной эффективностью, большие размеры по сравнению с конденсаторами класса 2. Керамические конденсаторы класса 2 железоэлектрическая керамика смесь титаната бария и подходящих добавок Высокая диэлектрическая проницаемость, высокая объемная эффективность, меньшие размеры по сравнению с конденсаторами класса 1. Для буферных, байпасных и развязывающих применений. Доступны для напряжений до 50 000 В. Меньшая стабильность и более высокие потери, чем у класса 1. Емкость изменяется при изменении приложенного напряжения, частоты и под воздействием старения. Слегка микрофонные Пленочные конденсаторы Металлизированные пленочные конденсаторы PP, PET, PEN, PPS, (PTFE) Металлизированные пленочные конденсаторы значительно меньше по размеру, чем пленочные/фольговые, и обладают самовосстанавливающимися свойствами. Тонкие металлизированные электроды ограничивают максимальную токовую нагрузку и, соответственно, максимальное импульсное напряжение. Пленочные/фольговые пленочные конденсаторы PP, PET, PTFE Пленочные/фольговые пленочные конденсаторы имеют самые высокие показатели по перенапряжению/импульсному напряжению. Пиковые токи выше, чем у металлизированных типов. Отсутствуют самовосстанавливающиеся свойства: внутреннее короткое замыкание может привести к выходу из строя. Большие размеры по сравнению с металлизированными аналогами. Полипропиленовые (PP) пленочные конденсаторы Полипропилен Наиболее распространенный диэлектрик пленочных конденсаторов. Предсказуемое линейное и незначительное изменение емкости с рабочей температурой. Подходят для применения в схемах определения частоты класса 1 и прецизионных аналоговых схемах. Очень узкий диапазон емкостей. Чрезвычайно низкий тангенс угла диэлектрических потерь. Низкое влагопоглощение, поэтому подходят для конструкций без покрытия. Высокое сопротивление изоляции. Применимы в мощных приложениях, таких как снубберы или IGBT. Также используются в приложениях переменного тока, таких как двигатели или коррекция коэффициента мощности. Очень низкие диэлектрические потери. Высокочастотные и мощные приложения, такие как индукционный нагрев. Широко используются для подавления помех и обеспечения безопасности, включая подключение к сети электропитания. Максимальная рабочая температура 105 °C. Относительно низкая диэлектрическая проницаемость 2,2. ПП пленочные конденсаторы, как правило, больше, чем другие пленочные конденсаторы. Более восприимчивы к повреждениям от переходных перенапряжений или изменения полярности напряжения, чем масляные конденсаторы МКВ для импульсных мощных приложений. Полиэфирные (PET) пленочные (Mylar) конденсаторы Полиэтилентерефталат, полиэфир (Hostaphan, Mylar) Меньше по размеру, чем функционально сопоставимые полипропиленовые пленочные конденсаторы. Низкое влагопоглощение. Почти полностью заменили металлизированную бумагу и полистирольную пленку для большинства приложений постоянного тока. В основном используются для общих целей или полукритических цепей с рабочей температурой до 125 °C. Рабочее напряжение до 60 000 В постоянного тока. Применимы на низких частотах (переменного тока). Ограниченное применение в силовой электронике из-за более высоких потерь при повышении температуры и частоты. Пленочные конденсаторы из полиэтиленового нафталата (PEN) Полиэтиленовый нафталат (Kaladex) Лучшая стабильность при высоких температурах, чем у ПЭТ. Более подходят для применения при высоких температурах и для поверхностного монтажа (SMD). В основном используются для некритической фильтрации, развязки и сцепления, поскольку температурные зависимости незначительны. Более низкая относительная диэлектрическая проницаемость и более низкая диэлектрическая прочность подразумевают большие размеры для заданной емкости и номинального напряжения, чем у ПЭТ. Пленочные конденсаторы из полифениленсульфида (PPS) Полифенилен (Торелина) Небольшая температурная зависимость во всем температурном диапазоне и узкая частотная зависимость в широком диапазоне частот. Тангенс угла диэлектрических потерь достаточно мал и стабилен. Рабочие температуры до 270 °C. Подходят для поверхностного монтажа (SMD). Выдерживают повышенные температуры при оплавлении припоя для бессвинцовой пайки, предписанной директивой RoHS 2002/95/EC. Выше 100 °C тангенс угла диэлектрических потерь увеличивается, повышая температуру компонента, но могут работать без ухудшения характеристик. Стоимость обычно выше, чем у ПП. Пленочные конденсаторы из политетрафторэтилена (PTFE) (пленка Teflon) Политетрафторэтилен (Teflon) Диэлектрик с наименьшими потерями среди твердых диэлектриков. Рабочие температуры до 250 °C. Чрезвычайно высокое сопротивление изоляции. Хорошая стабильность. Используются в критически важных приложениях. Большие размеры (из-за низкой диэлектрической постоянной). Более высокая стоимость, чем у других пленочных конденсаторов. Пленочные конденсаторы из поликарбоната (PC) Поликарбонат Почти полностью заменены ПП. Ограниченное количество производителей. Пленочные конденсаторы из полистирола (PS) Полистирол (Styroflex) Хорошая термическая стабильность, высокая изоляция, низкие искажения, но не подходят для поверхностного монтажа (SMT) и сейчас почти полностью заменены ПЭТ. Ограниченное количество производителей. Пленочные конденсаторы из полисульфона Polysulfone Аналогичны поликарбонату. Выдерживают полное напряжение при сравнительно более высоких температурах. Только разработка, серийно не выпускаются (2012). Пленочные конденсаторы из полиамида Polyamide Рабочие температуры до 200 °C. Высокое сопротивление изоляции. Хорошая стабильность. Низкий тангенс угла диэлектрических потерь. Только разработка, серийно не выпускаются (2012). Пленочные конденсаторы из полиимида (Kapton) Полиимид (Kapton) Наивысшая диэлектрическая прочность среди известных пластиковых диэлектриков. Только разработка, серийно не выпускаются (2012). Силовые пленочные конденсаторы Металлизированные бумажные силовые конденсаторы Бумага, пропитанная изоляционным маслом или эпоксидной смолой Самовосстанавливающиеся свойства. Первоначально пропитывались воском, маслом или эпоксидной смолой. Версия с масляной крафт-бумагой используется в некоторых высоковольтных приложениях. В основном заменены ПП. Большие размеры. Высокая гигроскопичность, поглощение влаги из атмосферы, несмотря на пластиковые корпуса и пропитку. Влага увеличивает диэлектрические потери и снижает сопротивление изоляции. Силовые пленочные конденсаторы бумага/фольга Крафт-бумага, пропитанная маслом Бумага, покрытая металлическими фольгами в качестве электродов. Низкая стоимость. Применение с прерывистым режимом работы, приложения с высокими разрядными токами. Физически большие и тяжелые. Значительно более низкая плотность энергии, чем у диэлектрика ПП. Не самовосстанавливающиеся. Возможный катастрофический отказ из-за высокой накопленной энергии. Силовые конденсаторы ПП, силовые конденсаторы с бумагой без поля (МКВ силовые конденсаторы) Двусторонняя (без поля) металлизированная бумага в качестве электродного носителя. ПП в качестве диэлектрика, пропитанного изоляционным маслом, эпоксидной смолой или изоляционным газом Самовосстанавливающиеся. Очень низкие потери. Высокое сопротивление изоляции. Высокая устойчивость к пусковым токам. Высокая термическая стабильность. Тяжелые условия эксплуатации, такие как коммутация с высокой реактивной мощностью, высокие частоты и высокая пиковая токовая нагрузка, а также другие приложения переменного тока. Физически больше, чем силовые конденсаторы ПП. Одно- или двусторонние металлизированные силовые конденсаторы ПП в качестве диэлектрика, пропитанного изоляционным маслом, эпоксидной смолой или изоляционным газом Наивысшая емкость на единицу объема среди силовых конденсаторов. Самовосстанавливающиеся. Широкий спектр применений, таких как общего назначения, конденсаторы переменного тока, двигательные конденсаторы, сглаживающие или фильтрующие, DC-линки, снубберы или ограничители, демпфирование переменного тока, последовательные резонансные цепи постоянного тока, разряд постоянного тока, коммутация переменного тока, коррекция коэффициента мощности переменного тока. Критически важны для надежной работы при высоком напряжении и очень высоких пусковых токах, ограниченная теплостойкость (105 °C). Силовые пленочные конденсаторы бумага/фольга Пропитанный ПП или изоляционный газ, изоляционное масло, эпоксидная смола или изоляционный газ Наивысшая устойчивость к пусковым токам. Больше, чем металлизированные версии ПП. Не самовосстанавливающиеся. Электролитические конденсаторы Электролитические конденсаторы с нетвердым (мокрым, жидким) электролитом Оксид алюминия Al2O3 Очень большое отношение емкости к объему. Значения емкости до 2 700 000 мкФ/6,3 В. Напряжение до 550 В. Самая низкая стоимость на единицу емкости/напряжения. Используются там, где малые потери и высокая стабильность емкости не имеют большого значения, особенно для низких частот, таких как байпасные, развязывающие, сглаживающие и буферные приложения в...
+ Features and applications as well as disadvantages of capacitors Capacitor type Dielectric Features/applications Disadvantages Ceramic capacitors Ceramic Class 1 capacitors paraelectric ceramic mixture of Titanium dioxide modified by additives Predictable linear and low capacitance change with operating temperature. Excellent high frequency characteristics with low losses. For temperature compensation in resonant circuit application. Available in voltages up to 15,000 V Low permittivity ceramic, capacitors with low volumetric efficiency, larger dimensions than Class 2 capacitors Ceramic Class 2 capacitors ferroelectric ceramic mixture of barium titanate and suitable additives High permittivity, high volumetric efficiency, smaller dimensions than Class 1 capacitors. For buffer, by pass and coupling applications. Available in voltages up to 50,000 V. Lower stability and higher losses than Class 1. Capacitance changes with change in applied voltage, with frequency and with aging effects. Slightly microphonic Film capacitors Metallized film capacitors PP, PET, PEN, PPS, (PTFE) Metallized film capacitors are significantly smaller in size than film/foil versions and have self healing properties. Thin metallized electrodes limit the maximum current carrying capability respectively the maximum possible pulse voltage. Film/foil film capacitors PP, PET, PTFE Film/foil film capacitors have the highest surge ratings/pulse voltage, respectively. Peak currents are higher than for metallized types. No self healing properties: internal short may be disabling. Larger dimensions than metallized alternative. Polypropylene (PP) film capacitors Polypropylene Most popular film capacitor dielectric. Predictable linear and low capacitance change with operating temperature. Suitable for applications in Class 1 frequency determining circuits and precision analog applications. Very narrow capacitances. Extremely low dissipation factor. Low moisture absorption, therefore suitable for "naked" designs with no coating. High insulation resistance. Usable in high power applications such as snubber or IGBT. Used also in AC power applications, such as in motors or power factor correction. Very low dielectric losses. High frequency and high power applications such as induction heating. Widely used for safety/EMI suppression, including connection to power supply mains. Maximum operating temperature of 105 °C. Relatively low permittivity of 2.2. PP film capacitors tend to be larger than other film capacitors. More susceptible to damage from transient over voltages or voltage reversals than oil impregnated MKV capacitors for pulsed power applications. Polyester (PET) film (Mylar) capacitors Polyethylene terephthalate, Polyester (Hostaphan, Mylar) Smaller in size than functionally comparable polypropylene film capacitors. Low moisture absorption. Have almost completely replaced metallized paper and polystyrene film for most DC applications. Mainly used for general purpose applications or semi critical circuits with operating temperatures up to 125 °C. Operating voltages up to 60,000 V DC. Usable at low (AC power) frequencies. Limited use in power electronics due to higher losses with increasing temperature and frequency. Polyethylene naphthalate (PEN) film capacitors Polyethylene naphthalate (Kaladex) Better stability at high temperatures than PET. More suitable for high temperature applications and for SMD packaging. Mainly used for non critical filtering, coupling and decoupling, because temperature dependencies are not significant. Lower relative permittivity and lower dielectric strength imply larger dimensions for a given capacitance and rated voltage than PET. Polyphenylene Sulfide (PPS) film capacitors Polyphenylene (Torelina) Small temperature dependence over the entire temperature range and a narrow frequency dependence in a wide frequency range. Dissipation factor is quite small and stable. Operating temperatures up to 270 °C. Suitable for SMD. Tolerate increased reflow soldering temperatures for lead free soldering mandated by the RoHS 2002/95/European Union directive Above 100 °C, the dissipation factor increases, increasing component temperature, but can operate without degradation. Cost is usually higher than PP. Polytetrafluoroethylene (PTFE) (Teflon film) capacitors Polytetrafluoroethylene (Teflon) Lowest loss solid dielectric. Operating temperatures up to 250 °C. Extremely high insulation resistance. Good stability. Used in mission critical applications. Large size (due to low dielectric constant). Higher cost than other film capacitors. Polycarbonate (PC) film capacitors Polycarbonate Almost completely replaced by PP Limited manufacturers Polystyrene (PS) film capacitors Polystyrene (Styroflex) Good thermal stability, high insulation, low distortion but unsuited to SMT and now almost completely replaced by PET Limited manufacturers Polysulphone film capacitors Polysulfone Similar to polycarbonate. Withstand full voltage at comparatively higher temperatures. Only development, no series found (2012) Polyamide film capacitors Polyamide Operating temperatures of up to 200 °C. High insulation resistance. Good stability. Low dissipation factor. Only development, no series found (2012) Polyimide film (Kapton) capacitors Polyimide (Kapton) Highest dielectric strength of any known plastic film dielectric. Only development, no series found (2012) Film based power capacitors Metallized paper power capacitors Paper impregnated with insulating oil or epoxy resin Self healing properties. Originally impregnated with wax, oil or epoxy. Oil Kraft paper version used in certain high voltage applications. Mostly replaced by PP. Large size. Highly hygroscopic, absorbing moisture from the atmosphere despite plastic enclosures and impregnates. Moisture increases dielectric losses and decreases insulation resistance. Paper film/foil power capacitors Kraft paper impregnated with oil Paper covered with metal foils as electrodes. Low cost. Intermittent duty, high discharge applications. Physically large and heavy. Significantly lower energy density than PP dielectric. Not self healing. Potential catastrophic failure due to high stored energy. PP dielectric, field free paper power capacitors (MKV power capacitors) Double sided (field free) metallized paper as electrode carrier. PP as dielectric, impregnated with insulating oil, epoxy resin or insulating gas Self healing. Very low losses. High insulation resistance. High inrush current strength. High thermal stability. Heavy duty applications such as commutating with high reactive power, high frequencies and a high peak current load and other AC applications. Physically larger than PP power capacitors. Single or double sided metallized PP power capacitors PP as dielectric, impregnated with insulating oil, epoxy resin or insulating gas Highest capacitance per volume power capacitor. Self healing. Broad range of applications such as general purpose, AC capacitors, motor capacitors, smoothing or filtering, DC links, snubbing or clamping, damping AC, series resonant DC circuits, DC discharge, AC commutation, AC power factor correction. critical for reliable high voltage operation and very high inrush current loads, limited heat resistance (105 °C) PP film/foil power capacitors Impregnated PP or insulating gas, insulating oil, epoxy resin or insulating gas Highest inrush current strength Larger than the PP metallized versions. Not self healing. Electrolytic capacitors Electrolytic capacitors with non solid (wet, liquid) electrolyte Aluminum oxide Al2O3 Very large capacitance to volume ratio. Capacitance values up to 2,700,000 μF/6.3 V. Voltage up to 550 V. Lowest cost per capacitance/voltage values. Used where low losses and high capacitance stability are not of major importance, especially for lower frequencies, such as by pass, coupling, smoothing and buffer applications in power supplies and DC links. Polarized. Significant leakage. Relatively high ESR and ESL values, limiting high ripple current and high frequency applications. Lifetime calculation required because drying out phenomenon. Vent or burst when overloaded, overheated or connected wrong polarized. Water based electrolyte may vent at end of life, showing failures like "capacitor plague" Tantalum pentoxide Ta2O5 Wet tantalum electrolytic capacitors (wet slug) Lowest leakage among electrolytics. Voltage up to 630 V (tantalum film) or 125 V (tantalum sinter body). Hermetically sealed. Stable and reliable. Military and space applications. Polarized. Violent explosion when voltage, ripple current or slew rates are exceeded, or under reverse voltage. Expensive. Electrolytic capacitors with solid Manganese dioxide electrolyte Aluminum oxide Tantalum pentoxide Ta2O5, Niobium pentoxide Tantalum and niobium with smaller dimensions for a given capacitance/voltage vs aluminum. Stable electrical parameters. Good long term high temperature performance. Lower ESR lower than non solid (wet) electrolytics. Polarized. About 125 V. Low voltage and limited, transient, reverse or surge voltage tolerance. Possible combustion upon failure. ESR much higher than conductive polymer electrolytics. Manganese expected to be replaced by polymer. Electrolytic capacitors with solid Polymer electrolyte (Polymer capacitors) Aluminum oxide , Tantalum pentoxide Ta2O5, Niobium pentoxide Greatly reduced ESR compared with manganese or non solid (wet) elelectrolytics. Higher ripple current ratings. Extended operational life. Stable electrical parameters. Self healing. Used for smoothing and buffering in smaller power supplies especially in SMD. Polarized. Highest leakage current among electrolytics. Higher prices than non solid or manganese dioxide. Voltage limited to about 100 V. Explodes when voltage, current, or slew rates are exceeded or under reverse voltage. Supercapacitors Supercapacitors Pseudocapacitors Helmholtz double layer plus faradaic pseudo capacitance Energy density typically tens to hundreds of times greater than conventional electrolytics. More comparable to batteries than to other capacitors. Large capacitance/volume ratio. Relatively low ESR. Thousands of farads. RAM memory backup. Temporary power during battery replacement. Rapidly absorbs/delivers much larger currents than batteries. Hundreds of thousands of charge/discharge cycles. Hybrid vehicles. Recuperation Polarized. Low operating voltage per cell. (Stacked cells provide higher operating voltage.) Relatively high cost. Hybrid capacitors Lithium ion capacitors (LIC) Helmholtz double layer plus faradaic pseudo capacitance. Anode doped with lithium ions. Higher operating voltage. Higher energy density than common EDLCs, but smaller than lithium ion batteries (LIB). No thermal runaway reactions. Polarized. Low operating voltage per cell. (Stacked cells provide higher operating voltage.) Relatively high cost. Miscellaneous capacitors Air gap capacitors Air Low dielectric loss. Used for resonating HF circuits for high power HF welding. Physically large. Relatively low capacitance. Vacuum capacitors Vacuum Extremely low losses. Used for high voltage, high power RF applications, such as transmitters and induction heating. Self healing if arc over current is limited. Very high cost. Fragile. Large. Relatively low capacitance. gas filled capacitors gas High precision. Extremely low losses. Very high stability. Up to 1600 kV rated voltage. Used as capacitance standard in measuring bridge circuits. Very high cost Metallized mica (silver mica) capacitors Mica Very high stability. No aging. Low losses. Used for HF and low VHF RF circuits and as capacitance standard in measuring bridge circuits. Mostly replaced by Class 1 ceramic capacitors Higher cost than class 1 ceramic capacitors Glass capacitors Glass Better stability and frequency than silver mica. Ultra reliable. Ultra stable. Resistant to nuclear radiation. Operating temperature: −75 °C to +200 °C and even short overexposure to +250 °C. Higher cost than class 1 ceramic Integrated capacitors oxide nitride oxide (ONO) Thin (down to 100 μm). Smaller footprint than most MLCC. Low ESL. Very high stability up to 200 °C. High reliability Customized production Variable capacitors Air gap tuning capacitors Air Circular or various logarithmic cuts of the rotor electrode for different capacitance curves. Split rotor or stator cut for symmetric adjustment. Ball bearing axis for noise reduced adjustment. For high professional devices. Large dimensions. High cost. Vacuum tuning capacitors Vacuum Extremely low losses. Used for high voltage, high power RF applications, such as transmitters and induction heating. Self healing if arc over current is limited. Very high cost. Fragile. Large dimensions. gas filled tuning capacitor Extremely low losses. Used for very high voltage high power RF applications. Very high cost, fragile, large dimensions Air gap trimmer capacitors Air Mostly replaced by semiconductive variable capacitance diodes High cost Ceramic trimmer capacitors Class 1 ceramic Linear and stable frequency behavior over wide temperature range High cost
Зависимость от температуры
Вместимость обычно изменяется с температурой. Различные диэлектрики демонстрируют значительные различия в температурной чувствительности. Температурный коэффициент выражается в частях на миллион (ppm) на градус Цельсия для керамических конденсаторов класса 1 или в процентах от общего температурного диапазона для всех остальных. + Температурные коэффициенты некоторых распространенных конденсаторов
Capacitance typically varies with temperature. The different dielectrics express great differences in temperature sensitivity. The temperature coefficient is expressed in parts per million (ppm) per degree Celsius for class 1 ceramic capacitors or in % over the total temperature range for all others. + Temperature coefficients of some common capacitors Type of capacitor,dielectric material Temperature coefficientC/C0 Application temperature range Ceramic capacitor class 1 paraelectric NP0 ± 30 ppm/K (±0.5%) −55 to +125 °C Ceramic capacitor class 2 ferroelectric X7R ±15% −55 to +125 °C Ceramic capacitor class 2, ferroelectric Y5V +22% / −82 % −30 to +85 °C Film capacitor Polypropylene ( PP) ±2.5% −55 to +85/105 °C Film capacitor Polyethylen terephthalate, Polyester (PET) +5% −55 to +125/150 °C Film capacitor Polyphenylene sulfide (PPS) ±1.5% −55 to +150 °C Film capacitor Polyethylene naphthalate (PEN) ±5% −40 to +125/150 °C Film capacitor Polytetrafluoroethylene (PTFE) ? −40 to +130 °C Metallized paper capacitor (impregnated) ±10% −25 to +85 °C Aluminum electrolytic capacitor Al2O3 ±20% −40 to +85/105/125 °C Tantalum electrolytic capacitor Ta2O5 ±20% −40 to +125 °C
Тип конденсатора, диэлектрический материал Температурный коэффициент C/C0 Диапазон рабочих температур
Керамический конденсатор класса 1, параэлектрический NP0 ± 30 ppm/K (±0.5%) −55 до +125 °C
Керамический конденсатор класса 2, ферроэлектрический X7R ±15% −55 до +125 °C
Керамический конденсатор класса 2, ферроэлектрический Y5V +22% / −82% −30 до +85 °C
Пленочный конденсатор, Полипропилен (PP) ±2.5% −55 до +85/105 °C
Пленочный конденсатор, Полиэтилентерефталат, Полиэстер (PET) +5% −55 до +125/150 °C
Пленочный конденсатор, Полифениленсульфид (PPS) ±1.5% −55 до +150 °C
Пленочный конденсатор, Полиэтиленнафталат (PEN) ±5% −40 до +125/150 °C
Пленочный конденсатор, Политетрафторэтилен (PTFE) ? −40 до +130 °C
Металлизированный бумажный конденсатор (пропитанный) ±10% −25 до +85 °C
Алюминиевый электролитический конденсатор Al2O3 ±20% −40 до +85/105/125 °C
Танталовый электролитический конденсатор Ta2O5 ±20% −40 до +125 °C
Capacitance typically varies with temperature. The different dielectrics express great differences in temperature sensitivity. The temperature coefficient is expressed in parts per million (ppm) per degree Celsius for class 1 ceramic capacitors or in % over the total temperature range for all others. + Temperature coefficients of some common capacitors Type of capacitor,dielectric material Temperature coefficientC/C0 Application temperature range Ceramic capacitor class 1 paraelectric NP0 ± 30 ppm/K (±0.5%) −55 to +125 °C Ceramic capacitor class 2 ferroelectric X7R ±15% −55 to +125 °C Ceramic capacitor class 2, ferroelectric Y5V +22% / −82 % −30 to +85 °C Film capacitor Polypropylene ( PP) ±2.5% −55 to +85/105 °C Film capacitor Polyethylen terephthalate, Polyester (PET) +5% −55 to +125/150 °C Film capacitor Polyphenylene sulfide (PPS) ±1.5% −55 to +150 °C Film capacitor Polyethylene naphthalate (PEN) ±5% −40 to +125/150 °C Film capacitor Polytetrafluoroethylene (PTFE) ? −40 to +130 °C Metallized paper capacitor (impregnated) ±10% −25 to +85 °C Aluminum electrolytic capacitor Al2O3 ±20% −40 to +85/105/125 °C Tantalum electrolytic capacitor Ta2O5 ±20% −40 to +125 °C
Зависимость от частоты
Большинство дискретных типов конденсаторов демонстрируют ту или иную степень изменения ёмкости с ростом частоты. Диэлектрическая прочность керамики класса 2 и пластиковых плёнок снижается с увеличением частоты. Следовательно, их ёмкость уменьшается с ростом частоты. Это явление для керамических диэлектриков класса 2 и пластиковых плёнок связано с диэлектрической релаксацией, в которой временная постоянная электрических диполей обуславливает частотную зависимость диэлектрической проницаемости. На графиках ниже показано типичное частотное поведение ёмкости керамических и плёночных конденсаторов. В электролитических конденсаторах с жидким электролитом происходит механическое перемещение ионов. Их подвижность ограничена, поэтому на более высоких частотах не все участки шероховатой анодной структуры покрываются зарядопереносящими ионами. Чем сильнее развита шероховатость анодной структуры, тем больше снижается ёмкость с увеличением частоты. Конденсаторы низкого напряжения с сильно шероховатыми анодами демонстрируют ёмкость при 100 кГц, составляющую примерно 10–20% от значения, измеренного при 100 Гц.
Most discrete capacitor types have more or less capacitance changes with increasing frequencies. The dielectric strength of class 2 ceramic and plastic film diminishes with rising frequency. Therefore, their capacitance value decreases with increasing frequency. This phenomenon for ceramic class 2 and plastic film dielectrics is related to dielectric relaxation in which the time constant of the electrical dipoles is the reason for the frequency dependence of permittivity. The graphs below show typical frequency behavior of the capacitance for ceramic and film capacitors. For electrolytic capacitors with non solid electrolyte, mechanical motion of the ions occurs. Their movability is limited so that at higher frequencies not all areas of the roughened anode structure are covered with charge carrying ions. As higher the anode structure is roughened as more the capacitance value decreases with increasing frequency. Low voltage types with highly roughened anodes display capacitance at 100 kHz approximately 10 to 20% of the value measured at 100 Hz.
Зависимость от напряжения
Вместимость также может изменяться в зависимости от приложенного напряжения. Этот эффект более выражен в керамических конденсаторах класса 2. Диэлектрическая проницаемость ферроэлектрического материала класса 2 зависит от приложенного напряжения. Более высокое приложенное напряжение снижает диэлектрическую проницаемость. Изменение ёмкости может достигать снижения до 80% от значения, измеренного при стандартизированном напряжении измерения 0,5 или 1,0 В. Такое поведение является небольшим источником нелинейности в фильтрах с низким уровнем искажений и других аналоговых применениях. В аудиоприложениях это может вызывать искажения (измеряемые с помощью THD). Пленочные и электролитические конденсаторы не имеют существенной зависимости от напряжения.
Capacitance may also change with applied voltage. This effect is more prevalent in class 2 ceramic capacitors. The permittivity of ferroelectric class 2 material depends on the applied voltage. Higher applied voltage lowers permittivity. The change of capacitance can drop to 80% of the value measured with the standardized measuring voltage of 0.5 or 1.0 V. This behavior is a small source of non linearity in low distortion filters and other analog applications. In audio applications this can cause distortion (measured using THD). Film capacitors and electrolytic capacitors have no significant voltage dependence.
Номинальное и категорийное напряжение
Напряжение, при котором диэлектрик становится проводящим, называется пробивным напряжением и определяется произведением диэлектрической прочности и расстояния между электродами. Диэлектрическая прочность зависит от температуры, частоты, формы электродов и т. д. Поскольку пробой в конденсаторе обычно приводит к короткому замыканию и разрушению компонента, рабочее напряжение ниже, чем пробивное напряжение. Рабочее напряжение задается таким образом, чтобы напряжение могло подаваться непрерывно на протяжении всего срока службы конденсатора. В IEC/EN 60384-1 допустимое рабочее напряжение называется "номинальным напряжением" или "расчетным напряжением". Номинальное напряжение (UR) – это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно подаваться при любой температуре в пределах номинального температурного диапазона. Электрическая прочность большинства конденсаторов уменьшается с повышением температуры. Некоторые применения требуют более широкого температурного диапазона. Снижение напряжения при более высокой температуре обеспечивает сохранение запаса прочности. Поэтому для некоторых типов конденсаторов стандарт IEC определяет второе "температурно-сниженное напряжение" для более высокого температурного диапазона, называемое "категорийным напряжением". Категорийное напряжение (UC) – это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может непрерывно подаваться на конденсатор при любой температуре в пределах категорийного температурного диапазона. Зависимость между этими напряжениями и температурой показана на рисунке справа.
The voltage at which the dielectric becomes conductive is called the breakdown voltage, and is given by the product of the dielectric strength and the separation between the electrodes. The dielectric strength depends on temperature, frequency, shape of the electrodes, etc. Because a breakdown in a capacitor normally is a short circuit and destroys the component, the operating voltage is lower than the breakdown voltage. The operating voltage is specified such that the voltage may be applied continuously throughout the life of the capacitor. In IEC/EN 60384 1 the allowed operating voltage is called "rated voltage" or "nominal voltage". The rated voltage (UR) is the maximum DC voltage or peak pulse voltage that may be applied continuously at any temperature within the rated temperature range. The voltage proof of nearly all capacitors decreases with increasing temperature. Some applications require a higher temperature range. Lowering the voltage applied at a higher temperature maintains safety margins. For some capacitor types therefore the IEC standard specify a second "temperature derated voltage" for a higher temperature range, the "category voltage". The category voltage (UC) is the maximum DC voltage or peak pulse voltage that may be applied continuously to a capacitor at any temperature within the category temperature range. The relation between both voltages and temperatures is given in the picture right.
Индуктивность (ESL) и саморезонансная частота
ESL в промышленных конденсаторах в основном обусловлен выводами и внутренними соединениями, используемыми для подключения обкладок конденсатора к внешней среде. Большие конденсаторы, как правило, имеют более высокую ESL, чем маленькие, поскольку расстояния до обкладок больше, и каждый миллиметр вносит вклад в индуктивность. Для любого дискретного конденсатора существует частота выше нуля, при которой он перестает вести себя как чисто емкостный элемент. Эта частота, при которой значение ESL максимально, называется собственной резонансной частотой. Собственная резонансная частота – это минимальная частота, при которой импеданс достигает минимума. Для любого применения переменного тока собственная резонансная частота является максимальной частотой, при которой конденсаторы могут использоваться в качестве емкостного компонента. Это критически важно для развязки высокоскоростных логических схем от источника питания. Развязывающий конденсатор обеспечивает кратковременный ток для микросхемы. Без развязывающих конденсаторов интегральная схема потребляет ток быстрее, чем может его обеспечить подключение к источнику питания, поскольку части схемы быстро включаются и выключаются. Для решения этой потенциальной проблемы в схемах часто используют несколько байпасных конденсаторов – небольшие (100 нФ или менее), рассчитанные на высокие частоты, большой электролитический конденсатор, рассчитанный на низкие частоты, и иногда конденсатор промежуточной емкости.
ESL in industrial capacitors is mainly caused by the leads and internal connections used to connect the capacitor plates to the outside world. Large capacitors tend to have higher ESL than small ones because the distances to the plate are longer and every mm counts as an inductance. For any discrete capacitor, there is a frequency above DC at which it ceases to behave as a pure capacitor. This frequency, where is as high as , is called the self resonant frequency. The self resonant frequency is the lowest frequency at which the impedance passes through a minimum. For any AC application the self resonant frequency is the highest frequency at which capacitors can be used as a capacitive component. This is critically important for decoupling high speed logic circuits from the power supply. The decoupling capacitor supplies transient current to the chip. Without decouplers, the IC demands current faster than the connection to the power supply can supply it, as parts of the circuit rapidly switch on and off. To counter this potential problem, circuits frequently use multiple bypass capacitors—small (100 nF or less) capacitors rated for high frequencies, a large electrolytic capacitor rated for lower frequencies and occasionally, an intermediate value capacitor.
Потоки в волне
"Пульсационный ток" – это среднеквадратичное (RMS) значение наложенного переменного тока любой частоты и формы кривой тока при непрерывной работе при заданной температуре. Он возникает главным образом в источниках питания (включая импульсные источники питания) после выпрямления переменного напряжения и протекает как ток заряда и разряда через разделительный или сглаживающий конденсатор. "Номинальный пульсационный ток" не должен приводить к повышению температуры более чем на 3, 5 или 10 °C, в зависимости от типа конденсатора, при указанной максимальной температуре окружающей среды. Пульсационный ток генерирует тепло внутри корпуса конденсатора из-за эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС) конденсатора. Компонентами ЭПС являются: диэлектрические потери, вызванные изменением напряженности поля в диэлектрике, сопротивление подводящих проводников и сопротивление электролита. Для электрических двухслойных конденсаторов (ELDC) эти значения сопротивления могут быть определены по диаграмме Найквиста комплексного импеданса конденсатора. ЭПС зависит от частоты и температуры. Для керамических и пленочных конденсаторов, как правило, ЭПС уменьшается с повышением температуры, но увеличивается с повышением частоты из-за возрастания диэлектрических потерь. Для электролитических конденсаторов до примерно 1 МГц ЭПС уменьшается с увеличением частоты и температуры. Типы конденсаторов, используемых в силовых приложениях, имеют указанное номинальное значение для максимального пульсационного тока. К ним относятся в основном алюминиевые электролитические конденсаторы, а также танталовые, некоторые пленочные и керамические конденсаторы класса 2. Алюминиевые электролитические конденсаторы, наиболее распространенный тип для источников питания, имеют меньший срок службы при более высоких пульсационных токах. Превышение этого предела может привести к взрывному разрушению. Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом из диоксида марганца также ограничены по пульсационному току. Превышение их предельных значений может привести к короткому замыканию и возгоранию компонентов. Для пленочных и керамических конденсаторов, обычно характеризуемых тангенсом угла диэлектрических потерь (tan δ), предел пульсационного тока определяется повышением температуры корпуса примерно на 10 °C. Превышение этого предела может разрушить внутреннюю структуру и вызвать короткое замыкание.
A "ripple current" is the RMS value of a superimposed AC current of any frequency and any waveform of the current curve for continuous operation at a specified temperature. It arises mainly in power supplies (including switched mode power supplies) after rectifying an AC voltage and flows as charge and discharge current through the decoupling or smoothing capacitor. The "rated ripple current" shall not exceed a temperature rise of 3, 5 or 10 °C, depending on the capacitor type, at the specified maximum ambient temperature. Ripple current generates heat within the capacitor body due to the ESR of the capacitor. The components of capacitor ESR are: the dielectric losses caused by the changing field strength in the dielectric, the resistance of the supply conductor, and the resistance of the electrolyte. For an electric double layer capacitor (ELDC) these resistance values can be derived from a Nyquist plot of the capacitor's complex impedance. ESR is dependent on frequency and temperature. For ceramic and film capacitors in generally ESR decreases with increasing temperatures but heighten with higher frequencies due to increasing dielectric losses. For electrolytic capacitors up to roughly 1 MHz ESR decreases with increasing frequencies and temperatures. The types of capacitors used for power applications have a specified rated value for maximum ripple current. These are primarily aluminum electrolytic capacitors, and tantalum as well as some film capacitors and Class 2 ceramic capacitors. Aluminum electrolytic capacitors, the most common type for power supplies, experience shorter life expectancy at higher ripple currents. Exceeding the limit tends to result in explosive failure. Tantalum electrolytic capacitors with solid manganese dioxide electrolyte are also limited by ripple current. Exceeding their ripple limits tends to shorts and burning components. For film and ceramic capacitors, normally specified with a loss factor tan δ, the ripple current limit is determined by temperature rise in the body of approximately 10 °C. Exceeding this limit may destroy the internal structure and cause shorts.
Текущий источник утечки
Для электролитических конденсаторов сопротивление изоляции диэлектрика называется "током утечки". Этот постоянный ток представлен резистором Rleak, включенным параллельно с конденсатором в эквивалентной последовательной схеме электролитических конденсаторов. Это сопротивление между выводами конденсатора также конечное. Rleak у электролитических конденсаторов ниже, чем у керамических или пленочных. Ток утечки включает в себя все незначительные дефекты диэлектрика, вызванные нежелательными химическими процессами и механическими повреждениями. Это также постоянный ток, который может протекать через диэлектрик после приложения напряжения. Он зависит от времени, в течение которого напряжение не подавалось (время хранения), термической нагрузки при пайке, приложенного напряжения, температуры конденсатора и времени измерения. Ток утечки уменьшается в первые минуты после приложения постоянного напряжения. В этот период диэлектрический оксидный слой может самовосстанавливаться, формируя новые слои. Время, необходимое для этого, обычно зависит от типа электролита. Твердые электролиты снижаются быстрее, чем жидкие, но остаются на немного более высоком уровне. Ток утечки в жидких электролитических конденсаторах, а также в твердотельных танталовых конденсаторах на основе оксида марганца, уменьшается с увеличением времени подключения напряжения благодаря эффектам самовосстановления. Хотя ток утечки электролитических конденсаторов выше, чем ток через сопротивление изоляции в керамических или пленочных конденсаторах, саморазряд современных жидких электролитических конденсаторов занимает несколько недель. Особой проблемой для электролитических конденсаторов является время хранения. Более высокий ток утечки может быть результатом более длительного времени хранения. Это поведение характерно для электролитов с высоким содержанием воды. Органические растворители, такие как GBL, не демонстрируют высокого тока утечки при длительном хранении. Ток утечки обычно измеряется через 2 или 5 минут после приложения номинального напряжения.
For electrolytic capacitors the insulation resistance of the dielectric is termed "leakage current". This DC current is represented by the resistor Rleak in parallel with the capacitor in the series equivalent circuit of electrolytic capacitors. This resistance between the terminals of a capacitor is also finite. Rleak is lower for electrolytics than for ceramic or film capacitors. The leakage current includes all weak imperfections of the dielectric caused by unwanted chemical processes and mechanical damage. It is also the DC current that can pass through the dielectric after applying a voltage. It depends on the interval without voltage applied (storage time), the thermic stress from soldering, on voltage applied, on temperature of the capacitor, and on measuring time. The leakage current drops in the first minutes after applying DC voltage. In this period the dielectric oxide layer can self repair weaknesses by building up new layers. The time required depends generally on the electrolyte. Solid electrolytes drop faster than non solid electrolytes but remain at a slightly higher level. The leakage current in non solid electrolytic capacitors as well as in manganese oxide solid tantalum capacitors decreases with voltage connected time due to self healing effects. Although electrolytics leakage current is higher than current flow over insulation resistance in ceramic or film capacitors, the self discharge of modern non solid electrolytic capacitors takes several weeks. A particular problem with electrolytic capacitors is storage time. Higher leakage current can be the result of longer storage times. These behaviors are limited to electrolytes with a high percentage of water. Organic solvents such as GBL do not have high leakage with longer storage times. Leakage current is normally measured 2 or 5 minutes after applying rated voltage.
Микрофоника
Все ферроэлектрические материалы демонстрируют пьезоэлектрический эффект. Поскольку керамические конденсаторы класса 2 используют ферроэлектрическую керамику в качестве диэлектрика, эти типы конденсаторов могут проявлять электрические эффекты, называемые микрофонией. Микрофония (микрофонический эффект) описывает способность электронных компонентов преобразовывать механические вибрации в нежелательный электрический сигнал (шум). Диэлектрик может поглощать механические силы от ударов или вибрации, изменяя свою толщину и расстояние между электродами, что влияет на ёмкость и, в свою очередь, индуцирует переменный ток. Возникающие помехи особенно критичны в аудиоприложениях, где они могут вызывать обратную связь или нежелательную запись. В обратном микрофоническом эффекте изменение электрического поля между пластинами конденсатора создает физическую силу, превращая конденсатор в динамик. Высокие импульсные нагрузки или большие пульсирующие токи могут приводить к возникновению слышимого звука непосредственно от конденсатора, вызывая потерю энергии и напряжение диэлектрика.
All ferroelectric materials exhibit a piezoelectric effect. Because Class 2 ceramic capacitors use ferroelectric ceramics dielectric, these types of capacitors may have electrical effects called microphonics. Microphonics (microphony) describes how electronic components transform mechanical vibrations into an undesired electrical signal (noise). The dielectric may absorb mechanical forces from shock or vibration by changing thickness and changing the electrode separation, affecting the capacitance, which in turn induces an AC current. The resulting interference is especially problematic in audio applications, potentially causing feedback or unintended recording. In the reverse microphonic effect, varying the electric field between the capacitor plates exerts a physical force, turning them into an audio speaker. High current impulse loads or high ripple currents can generate audible sound from the capacitor itself, draining energy and stressing the dielectric.
Поглощение диэлектриков (погружение)
Поглощение диэлектриков происходит, когда конденсатор, который долгое время оставался заряженным, при кратковременном разряде не разряжается полностью. Хотя идеальный конденсатор должен достичь нуля вольт после разряда, реальные конденсаторы вырабатывают небольшое напряжение из-за запаздывающего дипольного разряда – явление, также называемое диэлектрической релаксацией, "пропиткой" или "эффектом батареи". + Значения диэлектрического поглощения для некоторых часто используемых конденсаторов:
Dielectric absorption occurs when a capacitor that has remained charged for a long time discharges only incompletely when briefly discharged. Although an ideal capacitor would reach zero volts after discharge, real capacitors develop a small voltage from time delayed dipole discharging, a phenomenon that is also called dielectric relaxation, "soakage" or "battery action". + Values of dielectric absorption for some often used capacitors Type of capacitor Dielectric Absorption Air and vacuum capacitors Not measurable Class 1 ceramic capacitors, NP0 0.6% Class 2 ceramic capacitors, X7R 2.5% Polypropylene film capacitors (PP) 0.05 to 0.1% Polyester film capacitors (PET) 0.2 to 0.5% Polyphenylene sulfide film capacitors (PPS) 0.05 to 0.1% Polyethylene naphthalate film capacitors (PEN) 1.0 to 1.2% Tantalum electrolytic capacitors with solid electrolyte 2 to 3%, 10% Aluminium electrolytic capacitor with non solid electrolyte 10 to 15% Double layer capacitor or super capacitors data not available
In many applications of capacitors dielectric absorption is not a problem but in some applications, such as long time constant integrators, sample and hold circuits, switched capacitor analog to digital converters, and very low distortion filters, the capacitor must not recover a residual charge after full discharge, so capacitors with low absorption are specified. The voltage at the terminals generated by the dielectric absorption may in some cases possibly cause problems in the function of an electronic circuit or can be a safety risk to personnel. In order to prevent shocks most very large capacitors are shipped with shorting wires that need to be removed before they are used.
Тип конденсатора | Диэлектрическое поглощение
---|---
Воздушные и вакуумные конденсаторы | Неизмеримо
Керамические конденсаторы класса 1, NP0 | 0,6%
Керамические конденсаторы класса 2, X7R | 2,5%
Полипропиленовые пленочные конденсаторы (PP) | 0,05–0,1%
Полиэфирные пленочные конденсаторы (PET) | 0,2–0,5%
Полифениленовые сульфидные пленочные конденсаторы (PPS) | 0,05–0,1%
Полиэтиленовые нефталатовые пленочные конденсаторы (PEN) | 1,0–1,2%
Танталовые электролитические конденсаторы с твердым электролитом | 2–3%, 10%
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом | 10–15%
Конденсаторы двойного слоя или суперконденсаторы | Данные недоступны
Dielectric absorption occurs when a capacitor that has remained charged for a long time discharges only incompletely when briefly discharged. Although an ideal capacitor would reach zero volts after discharge, real capacitors develop a small voltage from time delayed dipole discharging, a phenomenon that is also called dielectric relaxation, "soakage" or "battery action". + Values of dielectric absorption for some often used capacitors Type of capacitor Dielectric Absorption Air and vacuum capacitors Not measurable Class 1 ceramic capacitors, NP0 0.6% Class 2 ceramic capacitors, X7R 2.5% Polypropylene film capacitors (PP) 0.05 to 0.1% Polyester film capacitors (PET) 0.2 to 0.5% Polyphenylene sulfide film capacitors (PPS) 0.05 to 0.1% Polyethylene naphthalate film capacitors (PEN) 1.0 to 1.2% Tantalum electrolytic capacitors with solid electrolyte 2 to 3%, 10% Aluminium electrolytic capacitor with non solid electrolyte 10 to 15% Double layer capacitor or super capacitors data not available
In many applications of capacitors dielectric absorption is not a problem but in some applications, such as long time constant integrators, sample and hold circuits, switched capacitor analog to digital converters, and very low distortion filters, the capacitor must not recover a residual charge after full discharge, so capacitors with low absorption are specified. The voltage at the terminals generated by the dielectric absorption may in some cases possibly cause problems in the function of an electronic circuit or can be a safety risk to personnel. In order to prevent shocks most very large capacitors are shipped with shorting wires that need to be removed before they are used.
Во многих применениях конденсаторов диэлектрическое поглощение не является проблемой, но в некоторых, таких как интеграторы с большим постоянной времени, схемы выборки-хранения, аналого-цифровые преобразователи с переключением конденсаторов и фильтры с очень низкими искажениями, конденсатор не должен восстанавливать остаточный заряд после полной разрядки, поэтому используются конденсаторы с низким поглощением. Напряжение на выводах, генерируемое диэлектрическим поглощением, в некоторых случаях может вызывать проблемы в работе электронной схемы или представлять опасность для безопасности персонала. Для предотвращения поражения электрическим током большинство очень больших конденсаторов поставляются с короткими замыкающими проводами, которые необходимо удалить перед использованием.
Dielectric absorption occurs when a capacitor that has remained charged for a long time discharges only incompletely when briefly discharged. Although an ideal capacitor would reach zero volts after discharge, real capacitors develop a small voltage from time delayed dipole discharging, a phenomenon that is also called dielectric relaxation, "soakage" or "battery action". + Values of dielectric absorption for some often used capacitors Type of capacitor Dielectric Absorption Air and vacuum capacitors Not measurable Class 1 ceramic capacitors, NP0 0.6% Class 2 ceramic capacitors, X7R 2.5% Polypropylene film capacitors (PP) 0.05 to 0.1% Polyester film capacitors (PET) 0.2 to 0.5% Polyphenylene sulfide film capacitors (PPS) 0.05 to 0.1% Polyethylene naphthalate film capacitors (PEN) 1.0 to 1.2% Tantalum electrolytic capacitors with solid electrolyte 2 to 3%, 10% Aluminium electrolytic capacitor with non solid electrolyte 10 to 15% Double layer capacitor or super capacitors data not available
In many applications of capacitors dielectric absorption is not a problem but in some applications, such as long time constant integrators, sample and hold circuits, switched capacitor analog to digital converters, and very low distortion filters, the capacitor must not recover a residual charge after full discharge, so capacitors with low absorption are specified. The voltage at the terminals generated by the dielectric absorption may in some cases possibly cause problems in the function of an electronic circuit or can be a safety risk to personnel. In order to prevent shocks most very large capacitors are shipped with shorting wires that need to be removed before they are used.
Длительное поведение, старение
Электрические параметры конденсаторов могут изменяться со временем как при хранении, так и в процессе эксплуатации. Причины изменения параметров различны: это может быть обусловлено свойствами диэлектрика, воздействием окружающей среды, химическими процессами или высыханием немасляных материалов.
Electrical parameters of capacitors may change over time during storage and application. The reasons for parameter changings are different, it may be a property of the dielectric, environmental influences, chemical processes or drying out effects for non solid materials.
Старение
В ферроэлектрических керамических конденсаторах класса 2 емкость со временем уменьшается. Это явление называется "старением". Старение происходит в ферроэлектрических диэлектриках, где области поляризации в диэлектрике вносят вклад в общую поляризацию. Деградация поляризованных доменов в диэлектрике снижает диэлектрическую проницаемость и, следовательно, емкость с течением времени. Старение подчиняется логарифмическому закону. Это определяет уменьшение емкости как постоянный процент за десятилетие времени после времени восстановления после пайки при определенной температуре, например, в период от 1 до 10 часов при 20 °C. Поскольку закон логарифмический, процент потери емкости удваивается между 1 ч и 100 ч и утраивается между 1 ч и 1000 ч и так далее. Старение наиболее быстрое в начале, а абсолютное значение емкости стабилизируется со временем. Скорость старения керамических конденсаторов класса 2 зависит главным образом от используемых материалов. Как правило, чем выше температурная зависимость керамики, тем выше процент старения. Типичное старение керамических конденсаторов X7R составляет около 2,5% за десятилетие. Скорость старения керамических конденсаторов Z5U значительно выше и может достигать 7% за десятилетие. Процесс старения керамических конденсаторов класса 2 может быть обращен путем нагрева компонента выше точки Кюри. Керамические конденсаторы класса 1 и пленочные конденсаторы не подвержены старению, связанному с ферроэлектрическими свойствами. Влияние окружающей среды, такое как повышенная температура, высокая влажность и механические напряжения, может в течение длительного периода привести к небольшому необратимому изменению значения емкости, которое также иногда называют старением. Изменение емкости для керамических конденсаторов класса 1 P 100 и N 470 составляет менее 1%, для конденсаторов с керамикой N 750 - N 1500 – ≤ 2%. Пленочные конденсаторы могут терять емкость из-за процессов самовосстановления или приобретать ее под воздействием влажности. Типичные изменения за 2 года при 40 °C составляют, например, ±3% для PE-пленочных конденсаторов и ±1% для PP-пленочных конденсаторов.
In ferroelectric Class 2 ceramic capacitors, capacitance decreases over time. This behavior is called "aging". This aging occurs in ferroelectric dielectrics, where domains of polarization in the dielectric contribute to the total polarization. Degradation of polarized domains in the dielectric decreases permittivity and therefore capacitance over time. The aging follows a logarithmic law. This defines the decrease of capacitance as constant percentage for a time decade after the soldering recovery time at a defined temperature, for example, in the period from 1 to 10 hours at 20 °C. As the law is logarithmic, the percentage loss of capacitance will twice between 1 h and 100 h and 3 times between 1 h and 1,000 h and so on. Aging is fastest near the beginning, and the absolute capacitance value stabilizes over time. The rate of aging of Class 2 ceramic capacitors depends mainly on its materials. Generally, the higher the temperature dependence of the ceramic, the higher the aging percentage. The typical aging of X7R ceramic capacitors is about 2.5% per decade. The aging rate of Z5U ceramic capacitors is significantly higher and can be up to 7% per decade. The aging process of Class 2 ceramic capacitors may be reversed by heating the component above the Curie point. Class 1 ceramic capacitors and film capacitors do not have ferroelectric related aging. Environmental influences such as higher temperature, high humidity and mechanical stress can, over a longer period, lead to a small irreversible change in the capacitance value sometimes called aging, too. The change of capacitance for P 100 and N 470 Class 1 ceramic capacitors is lower than 1%, for capacitors with N 750 to N 1500 ceramics it is ≤ 2%. Film capacitors may lose capacitance due to self healing processes or gain it due to humidity influences. Typical changes over 2 years at 40 °C are, for example, ±3% for PE film capacitors and ±1% PP film capacitors.
Время жизни
Электролитические конденсаторы с жидким электролитом стареют по мере испарения электролита. Это испарение зависит от температуры и токовой нагрузки, которую испытывают конденсаторы. Утечка электролита влияет на ёмкость и эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС). Со временем ёмкость уменьшается, а ЭПС увеличивается. В отличие от керамических, плёночных и электролитических конденсаторов с твёрдым электролитом, "мокрые" электролитические конденсаторы достигают определённого "конца срока службы" при достижении заданного максимального изменения ёмкости или ЭПС. Конец срока службы, "наработка на отказ" или "срок службы" можно оценить по формуле, графикам или приблизительно с помощью так называемого "правила 10 градусов". Типичная спецификация для электролитического конденсатора указывает срок службы 2000 часов при 85 °C, который удваивается при каждом снижении температуры на 10 градусов, достигая примерно 15 лет при комнатной температуре. Суперконденсаторы также подвержены испарению электролита со временем. Оценка производится аналогично влажным электролитическим конденсаторам. Помимо температуры, на срок службы влияют напряжение и токовая нагрузка. Снижение напряжения ниже номинального и уменьшение токовой нагрузки, а также снижение температуры увеличивают срок службы.
Electrolytic capacitors with non solid electrolyte age as the electrolyte evaporates. This evaporation depends on temperature and the current load the capacitors experience. Electrolyte escape influences capacitance and ESR. Capacitance decreases and the ESR increases over time. In contrast to ceramic, film and electrolytic capacitors with solid electrolytes, "wet" electrolytic capacitors reach a specified "end of life" reaching a specified maximum change of capacitance or ESR. End of life, "load life" or "lifetime" can be estimated either by formula or diagrams or roughly by a so called "10 degree law". A typical specification for an electrolytic capacitor states a lifetime of 2,000 hours at 85 °C, doubling for every 10 degrees lower temperature, achieving lifespan of approximately 15 years at room temperature. Supercapacitors also experience electrolyte evaporation over time. Estimation is similar to wet electrolytic capacitors. Additional to temperature the voltage and current load influence the life time. Lower voltage than rated voltage and lower current loads as well as lower temperature extend the life time.
Уровень неудач
Конденсаторы – надежные компоненты с низким уровнем отказов, способные сохранять работоспособность на протяжении десятилетий в нормальных условиях эксплуатации. Большинство конденсаторов подвергаются финальному производственному тесту, аналогичному "форсированному режиму", для выявления ранних отказов непосредственно на производстве и снижения количества отказов после отгрузки. Надежность конденсаторов обычно указывается в количестве отказов на единицу времени (FIT) в период постоянной вероятности случайных отказов. FIT – это количество отказов, которое можно ожидать в течение одного миллиарда (10⁹) часов работы компонентов при заданных фиксированных условиях (например, 1000 устройств в течение 1 миллиона часов или 1 миллион устройств в течение 1000 часов каждый при 40 °C и 0,5 UR). Для других условий, таких как приложенное напряжение, токовая нагрузка, температура, механические воздействия и влажность, значение FIT может быть пересчитано с использованием стандартизированных коэффициентов, применяемых в промышленной или военной областях.
Capacitors are reliable components with low failure rates, achieving life expectancies of decades under normal conditions. Most capacitors pass a test at the end of production similar to a "burn in", so that early failures are found during production, reducing the number of post shipment failures. Reliability for capacitors is usually specified in numbers of Failures In Time (FIT) during the period of constant random failures. FIT is the number of failures that can be expected in one billion (109) component hours of operation at fixed working conditions (e. g. 1000 devices for 1 million hours, or 1 million devices for 1000 hours each, at 40 °C and 0.5 UR). For other conditions of applied voltage, current load, temperature, mechanical influences and humidity the FIT can recalculated with terms standardized for industrial or military contexts.
Сварка
Конденсаторы могут испытывать изменения электрических параметров под воздействием факторов окружающей среды, таких как пайка, механические напряжения (вибрация, удар) и влажность. Наибольшее влияние оказывает пайка. Тепло паяльной ванны, особенно для SMD-конденсаторов, может привести к изменению контактного сопротивления между выводами и электродами в керамических конденсаторах; в пленочных конденсаторах пленка может сжиматься, а в электролитических конденсаторах с жидким электролитом электролит может закипать. После пайки необходим период восстановления для стабилизации характеристик; некоторым типам может потребоваться до 24 часов. Некоторые параметры могут необратимо измениться на несколько процентов в результате пайки.
Capacitors may experience changes to electrical parameters due to environmental influences like soldering, mechanical stress factors (vibration, shock) and humidity. The greatest stress factor is soldering. The heat of the solder bath, especially for SMD capacitors, can cause ceramic capacitors to change contact resistance between terminals and electrodes; in film capacitors, the film may shrink, and in wet electrolytic capacitors the electrolyte may boil. A recovery period enables characteristics to stabilize after soldering; some types may require up to 24 hours. Some properties may change irreversibly by a few per cent from soldering.
Электролитическое поведение при хранении или неиспользовании
Электролитические конденсаторы с жидким электролитом подвергаются "формовке" в процессе производства, при этом в течение достаточного времени подается номинальное напряжение при повышенной температуре для восстановления всех трещин и дефектов, возникших в ходе изготовления. Некоторые электролиты с высоким содержанием воды достаточно агрессивно или даже бурно реагируют с незащищенным алюминием. Это приводит к проблеме "хранения" или "длительного неиспользования" электролитических конденсаторов, выпущенных до 1980-х годов. Химические процессы ослабляют оксидный слой при длительном неиспользовании этих конденсаторов, что может привести к выходу из строя или ухудшению характеристик, например, к повышенной утечке тока. В 1980-х годах были разработаны новые электролиты с "ингибиторами" или "пассиваторами" для снижения этой проблемы. "Предварительная подготовка" может быть рекомендована для электролитических конденсаторов с жидким электролитом, даже недавно изготовленных, которые длительное время не использовались. В процессе предварительной подготовки к конденсатору прикладывается напряжение, и через него пропускается намеренно ограниченный ток. Пропускание ограниченного тока восстанавливает оксидный слой, поврежденный в период неиспользования. Приложенное напряжение должно быть меньше или равно номинальному напряжению конденсатора. Ограничение тока может быть реализовано, например, с помощью последовательного резистора. Предварительная подготовка прекращается, когда ток утечки падает ниже допустимого уровня при заданном напряжении. По данным на 2015 год, один из производителей рекомендует проводить предварительную подготовку для конденсаторов с жидким электролитом, которые хранились более 1–10 лет, при этом максимальное время хранения зависит от типа конденсатора.
Electrolytic capacitors with non solid electrolyte are "aged" during manufacturing by applying rated voltage at high temperature for a sufficient time to repair all cracks and weaknesses that may have occurred during production. Some electrolytes with a high water content react quite aggressively or even violently with unprotected aluminum. This leads to a "storage" or "disuse" problem of electrolytic capacitors manufactured before the 1980s. Chemical processes weaken the oxide layer when these capacitors are not used for too long, leading to failure or poor performance such as excessive leakage. New electrolytes with "inhibitors" or "passivators" were developed during the 1980s to lessen this problem. "Pre conditioning" may be recommended for electrolytic capacitors with non solid electrolyte, even those manufactured recently, that have not been in use for an extended period. In pre conditioning a voltage is applied across the capacitor and a deliberately limited current is passed through the capacitor. Sending a limited current through the capacitor repairs oxide layers damaged during the period of disuse. The applied voltage is lower than or equal to the capacitor's rated voltage. Current may be limited using, for instance, a series resistor. Pre conditioning is stopped once leakage current is below some acceptable level at the desired voltage. As of 2015 one manufacturer indicates that pre conditioning may be usefully carried out for capacitors with non solid electrolytes that have been in storage for more than 1 to 10 years, the maximum storage time depending on capacitor type.
Цветовое кодирование
с 2013 года конденсаторы не применяют цветовую маркировку.
as of 2013 Capacitors do not use color coding.
Маркировка полярности
Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетвердым электролитом имеют маркировку полярности на стороне катода (минус). Алюминиевые, танталовые и ниобиевые электролитические конденсаторы с твердым электролитом имеют маркировку полярности на стороне анода (плюс). Суперконденсаторы маркируются на стороне минуса.
Aluminum e caps with non solid electrolyte have a polarity marking at the cathode (minus) side. Aluminum, tantalum, and niobium e caps with solid electrolyte have a polarity marking at the anode (plus) side. Supercapacitors are marked at the minus side.