Filmový kondenzátor - Film capacitor

Kondenzátory z plastových fólií zalité v obdélníkových pláštích nebo ponořené v epoxidovém laku (červená barva)

Filmové kondenzátory , kondenzátory z plastových fólií , filmové dielektrické kondenzátory nebo polymerové filmové kondenzátory , obecně nazývané filmové krytky a také výkonové filmové kondenzátory , jsou elektrické kondenzátory s izolační plastovou fólií jako dielektrikum , někdy kombinované s papírem jako nosičem elektrod .

Dielektrické fólie jsou v závislosti na požadované dielektrické síle taženy speciálním procesem do extrémně tenké tloušťky a poté jsou opatřeny elektrodami. Elektrody filmových kondenzátorů mohou být pokovený hliník nebo zinek nanesené přímo na povrch plastové fólie nebo samostatná kovová fólie. Dvě z těchto vodivých vrstev jsou navinuty do vinutí ve tvaru válce, obvykle zploštělé, aby se snížily požadavky na montážní prostor na desce s plošnými spoji , nebo vrstvené jako více jednotlivých vrstev naskládaných dohromady, aby se vytvořilo tělo kondenzátoru. Filmové kondenzátory spolu s keramickými kondenzátory a elektrolytickými kondenzátory jsou nejběžnějšími typy kondenzátorů pro použití v elektronických zařízeních a používají se v mnoha střídavých a stejnosměrných mikroelektronikách a elektronických obvodech.

Související typ součásti je výkonový (filmový) kondenzátor . Ačkoli materiály a konstrukční techniky používané pro kondenzátory s velkým výkonovým filmem jsou velmi podobné těm, které se používají pro běžné filmové kondenzátory, kondenzátory s vysokým až velmi vysokým výkonem pro aplikace v energetických systémech a elektrických instalacích jsou často z historických důvodů klasifikovány samostatně. Jak moderní elektronické vybavení získalo schopnost zvládat úrovně výkonu, které byly dříve výhradní doménou součástek „elektrické energie“, rozdíl mezi hodnoceními „elektronické“ a „elektrické“ energie se stal méně zřetelným. V minulosti byla hranice mezi těmito dvěma rodinami přibližně na jalovém výkonu 200  voltů , ale moderní výkonová elektronika zvládá zvyšující se úrovně výkonu.

Přehled konstrukce a funkcí

Filmové kondenzátory jsou vyrobeny ze dvou kusů plastové fólie pokryté kovovými elektrodami, vinuté do válcovitého vinutí, s připojenými svorkami a zapouzdřené. Obecně nejsou filmové kondenzátory polarizované, takže jsou oba terminály zaměnitelné. Existují dva různé typy plastových filmových kondenzátorů vyrobených se dvěma různými konfiguracemi elektrod:

  • Fóliové/fóliové kondenzátory nebo kondenzátory z kovové fólie se vyrábějí se dvěma plastovými fóliemi jako dielektrikum . Každý je jako elektrody navrstven tenkou kovovou fólií, obvykle hliníkovou. Výhodou této konstrukce je snadné elektrické připojení k elektrodám z kovové fólie a její schopnost zvládat vysoké proudové rázy.
  • Metalizované filmové kondenzátory jsou vyrobeny ze dvou metalizovaných fólií s plastovou fólií jako dielektrikem. Velmi tenká (~ 0,03 μm) vakuově nanesená hliníková metalizace se aplikuje na jednu nebo obě strany, aby sloužila jako elektrody. Tato konfigurace může mít „samoopravné“ vlastnosti v tom smyslu, že dielektrické poruchy nebo zkraty mezi elektrodami nemusí nutně vést ke zničení součásti. S touto základní konstrukcí je možné vyrábět vysoce kvalitní výrobky, jako jsou kondenzátory "s nulovou vadou", a vyrábět navinuté kondenzátory s většími kapacitními hodnotami (až 100  μF a většími) v menších případech (vysoká objemová účinnost ) ve srovnání s fólií/fólií konstrukce. Nevýhodou metalizované konstrukce je její omezené hodnocení proudového rázu.

Klíčovou výhodou moderní konstrukce moderního filmového kondenzátoru je přímý kontakt s elektrodami na obou koncích vinutí. Tento kontakt udržuje všechny proudové cesty k celé elektrodě velmi krátké. Nastavení se chová jako velké množství paralelně zapojených jednotlivých kondenzátorů , čímž se snižují vnitřní ohmické ztráty ( ESR ) a parazitní indukčnost ( ESL ). Vlastní geometrie struktury filmových kondenzátorů má za následek velmi nízké ohmické ztráty a velmi nízkou parazitní indukčnost, což je činí zvláště vhodnými pro aplikace s velmi vysokými rázovými proudy (tlumiče) a pro aplikace střídavého napájení nebo pro aplikace na vyšších frekvencích.

Dalším rysem filmových kondenzátorů je možnost výběru různých filmových materiálů pro dielektrickou vrstvu pro výběr požadovaných elektrických charakteristik, jako je stabilita, široký teplotní rozsah nebo schopnost odolávat velmi vysokým napětím. Polypropylenové filmové kondenzátory jsou specifikovány kvůli jejich nízkým elektrickým ztrátám a jejich téměř lineárnímu chování ve velmi širokém frekvenčním rozsahu, pro stabilitu aplikací třídy 1 v rezonančních obvodech , srovnatelných pouze s keramickými kondenzátory . Pro jednoduché vysokofrekvenční filtrační obvody nabízejí polyesterové kondenzátory nízkonákladová řešení s vynikající dlouhodobou stabilitou, což umožňuje výměnu dražších tantalových elektrolytických kondenzátorů . Varianty fólie/fólie z plastových fóliových kondenzátorů jsou zvláště schopné zvládat vysoké a velmi vysoké proudové rázy.

Typické hodnoty kapacity menších filmových kondenzátorů používaných v elektronice začínají kolem 100 pikofaradů a sahají směrem nahoru k mikrofaradům.

Unikátní mechanické vlastnosti plastových a papírových fólií v některých speciálních konfiguracích umožňují jejich použití v kondenzátorech velmi velkých rozměrů. Větší filmové kondenzátory se používají jako výkonové kondenzátory v elektrických energetických instalacích a zařízeních, které jsou schopné odolat velmi vysokému výkonu nebo velmi vysokému aplikovanému napětí. Dielektrická pevnost těchto kondenzátorů může dosáhnout až čtyřmístného rozsahu napětí.

Vnitřní struktura

Vzorec pro kapacitu ( C ) deskového kondenzátoru je: ( ε je zkratka pro dielektrickou permitivitu ; A pro povrchovou plochu elektrody; a d pro vzdálenost mezi elektrodami).

Podle rovnice tenčí dielektrikum nebo větší plocha elektrody zvýší hodnotu kapacity , stejně jako dielektrický materiál s vyšší permitivitou.

Příklad výrobního postupu

Následující příklad popisuje typický tok výrobního postupu pro navinuté kondenzátory z metalizované plastové fólie.

  1. Natahování a metalizace filmu-Ke zvýšení hodnoty kapacity kondenzátoru je plastová fólie tažena pomocí speciálního vytlačovacího procesu bi-axiálního roztahování v podélném a příčném směru, tak tenkém, jak je to technicky možné a jak to umožňuje požadované průrazné napětí . Tloušťka těchto filmů může být až 0,6 μm. Ve vhodném odpařovacím systému a za podmínek vysokého vakua (asi 10 15 až 10 19 molekul vzduchu na metr krychlový) je plastová fólie metalizována hliníkem nebo zinkem . Poté se navine na takzvaný „mateřský svitek“ o šířce asi 1 metr.
  2. Řezání filmu - Dále jsou mateřské role rozřezány na malé pásy plastové fólie v požadované šířce podle velikosti vyráběných kondenzátorů.
  3. Vinutí - dvě fólie jsou srolovány dohromady do válcového vinutí. Dvě metalizované fólie, které tvoří kondenzátor, jsou navinuty mírně přesazeny jeden od druhého, takže uspořádáním elektrod jeden okraj metalizace na každém konci vinutí vybíhá do strany.
  4. Zploštění - vinutí je obvykle zploštěno do oválného tvaru působením mechanického tlaku. Protože náklady na desku s plošnými spoji se počítají na milimetr čtvereční, menší stopa kondenzátoru snižuje celkové náklady na obvod.
  5. Aplikace kovové kontaktní vrstvy („schoopage“) - Vyčnívající koncové elektrody jsou pokryty zkapalněným kontaktním kovem, jako je ( cín , zinek nebo hliník), který je na oba boční konce vinutí stříkán stlačeným vzduchem. Tento metalizační proces je pojmenován schoopage podle švýcarského inženýra Maxe Schoopa , který vynalezl aplikaci spreje na spalování cínu a olova.
  6. Léčení - vinutí, která jsou nyní elektricky propojena schoopage, musí být „zhojena“. Toho se dosáhne přiložením přesně kalibrovaného napětí na elektrody vinutí tak, aby se všechny existující defekty „vypálily“ (viz také „samoopravné“ níže).
  7. Impregnace - Pro zvýšenou ochranu kondenzátoru před vlivy prostředí, zejména vlhkostí, je vinutí impregnováno izolační kapalinou, například silikonovým olejem.
  8. Připevnění svorek - Svorky kondenzátoru jsou připájeny nebo přivařeny na koncové kovové kontaktní vrstvy schoopage.
  9. Povlak - Po připojení svorek se tělo kondenzátoru zalije do vnějšího pláště nebo se ponoří do ochranného povlaku. Pro nejnižší výrobní náklady mohou být některé filmové kondenzátory použity „nahé“, bez dalšího potahování vinutí.
  10. Elektrický závěrečný test - Všechny kondenzátory (100%) by měly být testovány na nejdůležitější elektrické parametry, kapacitu (C), ztrátový faktor (tan δ) a impedanci (Z).
Vývojový diagram procesu pro výrobu metalizovaných filmových kondenzátorů s ponořeným lakovaným povlakem

Výroba kondenzátorů navinuté fólie/kovové fólie s kovovou fólií místo metalizovaných fólií se provádí velmi podobným způsobem.

Jako alternativu k tradiční vinuté konstrukci filmových kondenzátorů je lze také vyrábět v „skládané“ konfiguraci. U této verze jsou dva metalizované filmy představující elektrody navinuty na mnohem větším jádru o průměru více než 1 m. Takzvané vícevrstvé kondenzátory (MLP, vícevrstvé polymerové kondenzátory) lze vyrobit řezáním tohoto velkého vinutí do mnoha menších jednotlivých segmentů. Řezání způsobuje defekty na vedlejších stranách kondenzátorů, které se později během výrobního procesu spálí (samouzdraví). Tímto způsobem se vyrábějí levné metalizované plastové fóliové kondenzátory pro všeobecné použití. Tato technika se také používá k výrobě "kostek" kondenzátoru pro součásti zabalené do zařízení pro povrchovou montáž (SMD).

Samoléčení metalizovaných filmových kondenzátorů

Vysoce zjednodušený diagram samoregeneračního řezu po vypálení bodového defektu mezi metalizovanými elektrodami. Dolní diagram ukazuje pohled shora na fólii po vyhoření bodové vady.
Segmentace „T metalizace“ k izolaci a snížení poškození během procesu samoléčení

Metalizované filmové kondenzátory mají „samoopravné“ vlastnosti, které nejsou k dispozici v konfiguracích fólie/fólie. Když je aplikováno dostatečné napětí, bodový defekt zkrat mezi metalizovanými elektrodami se odpařuje kvůli vysoké teplotě oblouku, protože jak dielektrický plastový materiál v bodě rozpadu, tak metalizované elektrody kolem bodu rozpadu jsou velmi tenké (asi 0,02 až 0,05 μm). Bodová vada zkratu je spálena a výsledný tlak par také odfoukne oblouk. Tento proces lze dokončit za méně než 10 μs, často bez přerušení užitečné činnosti postiženého kondenzátoru.

Tato vlastnost samoopravování umožňuje použití jednovrstvého navíjení metalizovaných filmů bez jakékoli další ochrany před defekty, a tím vede ke snížení množství fyzického prostoru potřebného k dosažení dané specifikace výkonu. Jinými slovy, takzvaná „volumetrická účinnost“ kondenzátoru se zvyšuje.

Během procesu výroby metalizovaných filmových kondenzátorů se několikanásobně využívá schopnost samoléčení metalizovaných filmů. Po rozřezání metalizovaného filmu na požadovanou šířku mohou být všechny vzniklé defekty spáleny (zhojeny) aplikací vhodného napětí před navíjením. Stejná metoda se používá také po metalizaci kontaktních ploch („schoopage“) k odstranění případných vad kondenzátoru způsobených procesem sekundární metalizace.

„Dírky“ v metalizaci způsobené samoopravnými oblouky velmi mírně snižují kapacitu kondenzátoru. Rozsah tohoto snížení je však poměrně nízký; i při vypalování několika tisíc defektů je toto snížení obvykle mnohem menší než 1% z celkové kapacity kondenzátoru.

U větších filmových kondenzátorů s velmi vysokými standardy stability a dlouhé životnosti, jako jsou tlumicí kondenzátory, lze metalizaci provést pomocí speciálního vzoru izolace poruch. Na obrázku na pravé straně je taková metalizace vytvořená do vzoru „T“. Každý z těchto vzorů „T“ vytváří záměrně zúžený průřez ve vodivé metalizaci. Tato omezení fungují jako mikroskopické pojistky, takže pokud dojde ke zkratu mezi elektrodami s bodovým defektem, vysoký proud zkratu spálí pouze pojistky kolem poruchy. Postižené sekce jsou tak kontrolovaně odpojeny a izolovány, aniž by došlo k explozi obklopující větší zkratový oblouk. Proto je postižená oblast omezená a porucha je jemně kontrolována, což výrazně snižuje vnitřní poškození kondenzátoru, který tak může zůstat v provozu pouze s nekonečně malým snížením kapacity.

V polních instalacích zařízení pro distribuci elektrické energie se odolnost vůči poruchám kondenzátorové řady často zlepšuje paralelním zapojením více kondenzátorů, z nichž každý je chráněn interní nebo externí pojistkou. Pokud by se u jednotlivého kondenzátoru vyvinul interní zkrat, výsledný poruchový proud (zesílený kapacitním výbojem ze sousedních kondenzátorů) vyhodí pojistku, čímž izoluje vadný kondenzátor od zbývajících zařízení. Tato technika je analogická s technikou "metalizace T" popsanou výše, ale pracuje ve větším fyzickém měřítku. Používají se také složitější řady a paralelní uspořádání kondenzátorových bank, které umožňují kontinuitu služby navzdory jednotlivým poruchám kondenzátoru v tomto větším měřítku.

Vnitřní struktura pro zvýšení jmenovitého napětí

Příklady částečné metalizace na jedné straně pokovené izolační fólie ke zvýšení jmenovitého napětí filmových kondenzátorů. Tato technika efektivně vytváří několik malých kondenzátorů zapojených do série, aby se zvýšilo efektivní průrazné napětí

Jmenovité napětí různých materiálů fólie závisí na faktorech, jako je tloušťka fólie, kvalita materiálu (bez fyzikálních vad a chemických nečistot), okolní teplota a frekvence provozu, plus bezpečnostní rezerva proti průraznému napětí (dielektrická pevnost). Ale pro první přiblížení, jmenovité napětí filmového kondenzátoru závisí především na tloušťce plastové fólie. Například s minimální dostupnou tloušťkou filmu kondenzátorů z polyesterových fólií (asi 0,7 μm) je možné vyrábět kondenzátory se jmenovitým napětím 400 VDC. Pokud je zapotřebí vyšší napětí, obvykle se použije silnější plastová fólie. Ale průrazné napětí pro dielektrické filmy je obvykle nelineární . Pro tloušťky větší než asi 5 mils se průrazné napětí zvyšuje pouze přibližně s druhou odmocninou tloušťky filmu. Na druhé straně se kapacita lineárně snižuje se zvýšenou tloušťkou filmu. Z důvodů dostupnosti, skladování a stávajících schopností zpracování je žádoucí dosáhnout vyššího průrazného napětí při použití stávajících dostupných filmových materiálů. Toho lze dosáhnout jednostrannou částečnou metalizací izolačních fólií takovým způsobem, že se vytvoří vnitřní sériové zapojení kondenzátorů. Použitím této techniky sériového připojení lze celkové průrazné napětí kondenzátoru znásobit libovolným faktorem, ale o stejný faktor je také snížena celková kapacita.

Průrazné napětí lze zvýšit použitím jednostranných částečně metalizovaných fólií nebo je možné zvýšit průrazné napětí kondenzátoru pomocí oboustranných metalizovaných fólií. Oboustranné metalizované fólie lze také částečně kombinovat s interními sériově zapojenými kondenzátory. Tyto návrhy více technik se používají zejména pro vysoce spolehlivé aplikace s polypropylenovými fóliemi.

Vnitřní struktura pro zvýšení hodnocení rázů

Důležitou vlastností filmových kondenzátorů je jejich schopnost odolávat rázovým impulzům vysokého špičkového napětí nebo špičkového proudu. Tato schopnost závisí na všech vnitřních připojeních filmového kondenzátoru odolávajících špičkovým proudovým zatížením až do maximální specifikované teploty. Vrstvy vedlejších kontaktů (schoopage) s elektrodami mohou představovat potenciální omezení špičkové proudové zatížitelnosti.

Vrstvy elektrod jsou navinuty mírně přesazeny jeden od druhého, takže okraje elektrod mohou být uvedeny do kontaktu pomocí metody „schoopage“ kontaktování čel na koncových plochách vinutí vinutí. Toto vnitřní připojení je nakonec vytvořeno více bodovými kontakty na okraji elektrody a může být modelováno jako velký počet jednotlivých kondenzátorů, které jsou všechny zapojeny paralelně. Mnoho ztrát individuálního odporu ( ESR ) a indukčnosti ( ESL ) je zapojeno paralelně , takže tyto celkové nežádoucí parazitní ztráty jsou minimalizovány.

Ohmický ohřev kontaktního odporu se však generuje, když špičkový proud protéká těmito jednotlivými mikroskopickými kontaktními body, což jsou kritické oblasti pro celkový vnitřní odpor kondenzátoru. Pokud je proud příliš vysoký, mohou se vyvinout „horká místa“ a způsobit spálení kontaktních oblastí.

Druhé omezení proudové kapacity je způsobeno ohmickým objemovým odporem samotných elektrod. U kondenzátorů s metalizovaným filmem, které mají tloušťku vrstvy od 0,02 do 0,05 μm, je proudová kapacita omezena těmito tenkými vrstvami.

Tvarově optimalizovaná metalizace pro zvýšení hodnocení rázového proudu

Hodnocení rázových proudů filmových kondenzátorů lze zlepšit různými interními konfiguracemi. Protože metalizace je nejlevnějším způsobem výroby elektrod, je optimalizace tvaru elektrod jedním ze způsobů, jak minimalizovat vnitřní odpor a zvýšit proudovou kapacitu. Mírně silnější metalizační vrstva na schoopage kontaktních stranách elektrod má za následek nižší celkový kontaktní odpor a zvýšenou manipulaci s rázovým proudem, aniž by došlo ke ztrátě samoopravných vlastností po zbytek metalizace.

Další technikou ke zvýšení hodnocení rázového proudu pro filmové kondenzátory je oboustranná metalizace. To může zdvojnásobit hodnocení špičkového proudu. Tato konstrukce také snižuje celkovou vlastní indukčnost kondenzátoru na polovinu, protože ve skutečnosti jsou dva induktory zapojeny paralelně, což umožňuje méně nerušený průchod rychlejších impulsů (vyšší takzvané hodnocení „dV/dt“).

Oboustranný metalizovaný film je bez elektrostatického pole, protože elektrody mají na obou stranách filmu stejný napěťový potenciál, a proto nepřispívají k celkové kapacitě kondenzátoru. Tento film tedy může být vyroben z jiného a méně nákladného materiálu. Například kondenzátor z polypropylenového filmu s oboustrannou metalizací na nosiči polyesterové fólie činí kondenzátor nejen levnějším, ale také menším, protože tenčí polyesterová fólie zlepšuje objemovou účinnost kondenzátoru. Filmové kondenzátory s oboustrannou metalizovanou fólií mají účinně silnější elektrody pro vyšší zvládání rázových proudů, ale přesto si zachovávají své samoopravné vlastnosti, na rozdíl od kondenzátorů fólie/fólie.

Filmové kondenzátory s jmenovitým rázovým proudem jsou fóliové/fóliové kondenzátory s konstrukcí z kovové fólie. Tyto kondenzátory používají jako elektrody překrývající polymerní film tenké kovové fólie, obvykle hliníkové. Výhodou této konstrukce je snadné a robustní připojení elektrod z kovové fólie. V tomto provedení je kontaktní odpor v oblasti schoopage nejnižší.

Kondenzátory z kovové fólie však nemají samoopravné vlastnosti . Porucha dielektrického filmu kondenzátoru fólie/fólie vede k nevratnému zkratu. Aby se zabránilo poruchám způsobeným slabými místy v dielektriku, je zvolená izolační fólie vždy silnější, než je teoreticky požadováno specifickým průrazným napětím materiálu. Filmy menší než 4 μm se obecně nepoužívají pro filmové/fóliové kondenzátory kvůli jejich nadměrně vysokému počtu bodových vad. Taky. pouze kovové fólie lze vyrobit až do tloušťky asi 25 μm. Díky těmto kompromisům je filmový/fóliový kondenzátor nejrobustnější, ale také nejdražší metodou pro zvýšení zvládání rázových proudů.

Tři příklady různých konfigurací filmových kondenzátorů pro zvýšení hodnocení rázových proudů

Styly filmových kondenzátorů

Filmové kondenzátory pro použití v elektronických zařízeních jsou baleny v běžných a obvyklých průmyslových stylech: axiální, radiální a SMD. Balíčky tradičních axiálních typů se dnes méně používají, ale stále jsou určeny pro zapojení point-to-point a některé tradiční desky plošných spojů s průchozími otvory . Nejběžnějším tvarovým faktorem je radiální typ (jednostranný) s oběma svorkami na jedné straně těla kondenzátoru. Aby se usnadnilo automatické vkládání , jsou radiální kondenzátory z plastové fólie běžně konstruovány s roztečí svorek ve standardizovaných vzdálenostech, počínaje roztečí 2,5 mm a zvyšující se po 2,5 mm krocích. Radiální kondenzátory jsou k dispozici v plastových pouzdrech nebo ponořené v epoxidové pryskyřici, které chrání tělo kondenzátoru před vlivy prostředí. Ačkoli přechodné teplo pájení přetavením vyvolává vysoké napětí v materiálech z plastových fólií, filmové kondenzátory schopné odolat takovým teplotám jsou k dispozici v obalech pro povrchovou montáž ( SMD ).

Historický vývoj

Polyesterové kondenzátory Mullard (a Phillips) C280 s proužkovanými barevnými kódy, populární v letech 1960 až 1970

Před zavedením plastových fólií se běžně používaly kondenzátory vyrobené vložením pásu impregnovaného papíru mezi kovové pásy a navinutím výsledku do válce - papírových kondenzátorů ; jejich výroba začala v roce 1876 a od počátku 20. století se používaly jako oddělovací kondenzátory v telekomunikacích (telefonování).

S rozvojem plastových materiálů organickými chemiky během druhé světové války začal průmysl kondenzátorů nahrazovat papír tenšími polymerními fóliemi. Jeden velmi raný vývoj filmových kondenzátorů byl popsán v britském patentu 587 953 v roce 1944. Zavádění plastů do plastových filmových kondenzátorů bylo přibližně v následujícím historickém pořadí: polystyren (PS) v roce 1949, polyethylentereftalát (PET/„polyester“) a celulóza acetát (CA) v roce 1951, polykarbonát (PC/Lexan) v roce 1953, polytetrafluorethylen (PTFE/teflon) v roce 1954, polyparylen v roce 1954, polypropylen (PP) v roce 1954, polyethylen (PE) v roce 1958 a polyfenylensulfid (PPS) v 1967. V polovině šedesátých let minulého století existovala široká škála různých kondenzátorů z plastové fólie nabízených mnoha, většinou evropskými a americkými výrobci. Němečtí výrobci jako WIMA, Roederstein , Siemens a Philips udávali trendy a byli lídrem na světovém trhu poháněném spotřební elektronikou.

Jednou z velkých výhod plastových fólií pro výrobu kondenzátorů je, že plastové fólie mají podstatně méně vad než listy papíru používané v papírových kondenzátorech. To umožňuje výrobu kondenzátorů z plastové fólie pouze s jednou vrstvou plastové fólie, zatímco papírové kondenzátory vyžadují dvojitou vrstvu papíru. Kondenzátory z plastových fólií byly výrazně menší ve fyzické velikosti (lepší objemová účinnost ), se stejnou hodnotou kapacity a stejnou dielektrickou pevností jako srovnatelné papírové kondenzátory. Tehdy nové plastové materiály také ukázaly další výhody ve srovnání s papírem. Plast je mnohem méně hygroskopický než papír, což snižuje škodlivé účinky nedokonalého utěsnění. Většina plastů navíc podléhá menším chemickým změnám po dlouhou dobu, což zajišťuje dlouhodobou stabilitu jejich elektrických parametrů. Zhruba od roku 1980 byly papírové a metalizované papírové kondenzátory (MP kondenzátory) téměř úplně nahrazeny kondenzátory z PET fólie pro většinu stejnosměrných elektronických aplikací s nízkým výkonem. Papír se nyní používá pouze v odrušovacích nebo motorových kondenzátorech RFI nebo jako smíšené dielektrikum kombinované s polypropylenovými fóliemi ve velkých AC a DC kondenzátorech pro vysoce výkonné aplikace.

Časným zvláštním typem kondenzátorů z plastové fólie byly kondenzátory z acetátu celulózy , nazývané také kondenzátory MKU. Polární izolační dielektrický acetát celulózy byl syntetickou pryskyřicí, kterou bylo možné vyrobit pro metalizované kondenzátory v tloušťce nátěrového filmu až do přibližně 3 μm. Kapalná vrstva acetátu celulózy byla nejprve nanesena na papírový nosič, poté pokryta voskem, vysušena a poté metalizována. Během navíjení těla kondenzátoru byl papír odstraněn z metalizovaného filmu. Zbývající tenká vrstva acetátu celulózy měla dielektrický rozklad 63 V, což je dost pro mnoho aplikací pro obecné účely. Velmi malá tloušťka dielektrika snížila celkové rozměry těchto kondenzátorů ve srovnání s jinými filmovými kondenzátory té doby. Filmové kondenzátory MKU se již nevyrábějí, protože kondenzátory z polyesterových fólií lze nyní vyrábět v menších velikostech, které byly na trhu typem MKU.

Od počátku technologie se filmové kondenzátory mnohem zmenšily. Díky vývoji tenčích plastových fólií se například rozměry metalizovaných kondenzátorů polyesterových fólií zmenšily přibližně o 3 až 4.

Nejdůležitějšími výhodami filmových kondenzátorů je stabilita jejich elektrických hodnot po dlouhou dobu, jejich spolehlivost a nižší náklady než u některých jiných typů pro stejné aplikace. Zejména pro aplikace s vysokými proudovými pulzními zátěžemi nebo vysokými střídavými zátěžemi v elektrických systémech jsou k dispozici výkonné filmové kondenzátory, zde nazývané „výkonové kondenzátory“ s dielektrickým hodnocením několika kilovoltů.

Výroba filmových kondenzátorů však zásadně závisí na dodavatelském řetězci materiálů. Každý z plastových fóliových materiálů používaných pro filmové kondenzátory na celém světě vyrábí pouze dva nebo tři velcí dodavatelé. Důvodem je to, že hmotnostní množství požadovaná trhem pro filmová víčka jsou poměrně malá ve srovnání s typickými sériemi výroby chemických společností. To vede k velké závislosti výrobců kondenzátorů na relativně malém počtu chemických společností jako dodavatelů surovin. Například v roce 2000 společnost Bayer AG zastavila výrobu polykarbonátových fólií kvůli nerentabilně nízkým objemům prodeje. Většina výrobců kondenzátorů z polykarbonátových fólií musela rychle změnit svou nabídku produktů na jiný typ kondenzátoru a pro nové konstrukce bylo zapotřebí mnoho drahých schválení zkoušek.

V roce 2012 bylo v kondenzátorovém průmyslu jako fóliích pro kondenzátory nadále široce používáno pouze pět plastových materiálů: PET, PEN, PP, PPS a PTFE. Jiné plastové materiály se již běžně nepoužívají, buď proto, že se již nevyrábějí, nebo byly nahrazeny lepšími materiály. Dokonce i dlouhodobě vyráběné polystyrenové (PS) a polykarbonátové (PC) filmové kondenzátory byly z velké části nahrazeny dříve uvedenými typy fólií, ačkoli alespoň jeden výrobce PC kondenzátorů si zachovává schopnost vyrábět vlastní fólie ze surové polykarbonátové suroviny. Méně obvyklé plastové fólie jsou zde stručně popsány, protože se stále vyskytují ve starších provedeních a jsou stále dostupné u některých dodavatelů.

Od jednoduchých začátků se filmové kondenzátory vyvinuly do velmi široké a vysoce specializované řady různých typů. Do konce 20. století se hromadná výroba většiny filmových kondenzátorů přesunula na Dálný východ. Několik velkých společností stále vyrábí vysoce specializované filmové kondenzátory v Evropě a USA pro napájecí a střídavé aplikace.

Dielektrické materiály a jejich podíl na trhu

Následující tabulka uvádí nejčastěji používané dielektrické polymery pro filmové kondenzátory.

Dielektrikum: obecné názvy, chemické názvy, zkratky a obchodní názvy
Dielektrikum Zkratka Jméno výrobku
Polypropylen PP Tervakoski Film, Treofan
Polyester , polyethylentereftalát PET Hostaphan, Mylar
Polyetylen naftalát PERO Kaladex
Polyfenylen sulfid PPS Torelina
Polytetrafluorethylen PTFE Teflon
Polystyren PS Styroflex
Polykarbonát PC Makrofol

Rovněž lze míchat různé filmové materiály za vzniku kondenzátorů se zvláštními vlastnostmi.

Nejpoužívanějšími filmovými materiály jsou polypropylen s tržním podílem 50%, následovaný polyesterem se 40% podílem. Zbývající 10% podíl připadá na ostatní dielektrické materiály, včetně polyfenylensulfidu a papíru, každý zhruba po 3%.

Polykarbonátové filmové kondenzátory se již nevyrábějí, protože již není k dispozici dielektrický materiál.

Charakteristika filmových materiálů pro filmové kondenzátory

Elektrické charakteristiky a teplotní a frekvenční chování filmových kondenzátorů jsou v podstatě určeny typem materiálu, který tvoří dielektrikum kondenzátoru. Následující tabulka uvádí nejdůležitější vlastnosti hlavních materiálů z plastových fólií, které se dnes používají. Vlastnosti směsných filmových materiálů zde nejsou uvedeny.

Obrázky v této tabulce jsou převzaty ze specifikací publikovaných různými různými výrobci filmových kondenzátorů pro průmyslové elektronické aplikace.

Velký rozsah hodnot faktoru rozptylu zahrnuje jak typické, tak maximální specifikace z datových listů různých výrobců. Typické elektrické hodnoty pro výkon a velké střídavé kondenzátory nebyly v této tabulce zahrnuty.

Charakteristika plastových fóliových materiálů pro filmové kondenzátory
Filmový materiál, zkrácené kódy
Charakteristika filmu PET PERO PPS PP
Relativní permitivita při 1 kHz 3.3 3,0 3,0 2.2
Minimální tloušťka filmu (μm) 0,7 ... 0,9 0,9 ... 1,4 1.2 1,9 ... 3,0
Absorpce vlhkosti (%) nízký 0,4 0,05 <0,1
Dielektrická pevnost (V/μm) ~ 580 ~ 500 ~ 470 ~ 650
Komerčně realizované
napětí odolné (V/μm)
280 300 220 400
Rozsah stejnosměrného napětí (V) 50 - 1 000 16 - 250 16—100 40 - 2 000
Rozsah kapacity 100 pF — 22 μF 100 pF — 1 μF 100 pF — 0,47 μF 100 pF — 10 μF
Rozsah teplot aplikace (° C) -55 -+125 / +150 -55 -+150 -55 -+150 -55 -+105
ΔC/C versus teplotní rozsah (%) ± 5 ± 5 ± 1,5 ± 2,5
Ztrátový faktor (• 10 −4 )
na 1 kHz 50-200 42—80 2–15 0,5 - 5
na 10 kHz 110—150 54—150 2,5—25 2—8
na 100 kHz 170–300 120 - 300 12—60 2–25
na 1 MHz 200 - 350 - 18—70 4–40
Časová konstanta R Iso • C (s) při 25 ° C ≥ 10 000 ≥ 10 000 ≥ 10 000 ≥ 100 000
při 85 ° C 1 000 1 000 1 000 10 000
Dielektrická absorpce ( %) 0,2—0,5 1—1.2 0,05—0,1 0,01—0,1
Specifická kapacita (nF • V/mm 3 ) 400 250 140 50

Polypropylenové (PP) filmové kondenzátory

Polypropylenový (PP) kondenzátor FKP 1 pro pulzní aplikace s kovovou fólií vyráběný společností WIMA

Polypropylenové filmové kondenzátory mají dielektrikum vyrobené z termoplastického, nepolárního, organického a částečně krystalického polymerního materiálu Polypropylen (PP), obchodní název Treofan, z rodiny polyolefinů . Vyrábějí se jak metalizované navinuté a skládané verze, tak typy fólií/fólií. Polypropylenová fólie je nejpoužívanější dielektrickou fólií v průmyslových kondenzátorech a také v typech výkonových kondenzátorů. Materiál z polypropylenové fólie absorbuje méně vlhkosti než polyesterová fólie, a proto je vhodný také pro „nahé“ provedení bez jakéhokoli potahu nebo dalšího balení. Maximální teplota 105 ° C však brání použití PP fólií v obalech SMD.

Teplotní a frekvenční závislosti elektrických parametrů pro kondenzátory z polypropylenové fólie jsou velmi nízké. Polypropylenové filmové kondenzátory mají v teplotním rozsahu lineární záporný teplotní koeficient kapacity ± 2,5 %. Proto jsou kondenzátory z polypropylenového filmu vhodné pro aplikace v obvodech, frekvencích určujících kmitočty, filtry, obvody oscilátoru, zvukové obvody a časovače třídy 1. Jsou také užitečné pro kompenzaci indukčních cívek v přesných filtračních aplikacích a pro vysokofrekvenční aplikace.

Kromě kvalifikace aplikační třídy pro filmovou/fóliovou verzi PP filmových kondenzátorů specifikuje norma IEC/EN 60384-13 tři „třídy stability“. Tyto třídy stability specifikují toleranci teplotních koeficientů společně s přípustnou změnou kapacity po definovaných zkouškách. Jsou rozděleny do různých stupňů teplotních koeficientů (α) s přidruženými tolerancemi a preferovanými hodnotami přípustné změny kapacity po mechanických, okolních (vlhkostních) a životních testech.

Třídy stability polypropylenových fóliových/fóliových kondenzátorů podle IEC/EN 60384-13

Třída stability
Teplotní koeficient (α)
a tolerance
v částech na milion na kelvin
10 −6 /K
Přípustná změna
kapacity
Teplota vyšší kategorie
-80 -100 -125 -160 -250 85 ° C 100 ° C
1 ± 40 ± 50 ± 60 ± 80 ± 120 ± (0,5 %+0,5 pF) ± (1 %+0,5 pF)
2 - ± 100 ± 125 ± 160 ± 250 ± (1 %+1 pF) ± (1 %+1 pF)
3 - - - ± 160 ± 250 ± (2 %+2 pF) ± (5 %+2 pF)

Tabulka není platná pro kapacitní hodnoty menší než 50 pF.

Kromě toho mají PP filmové kondenzátory nejnižší dielektrickou absorpci , což je činí vhodnými pro aplikace, jako jsou časovací kondenzátory VCO , aplikace pro vzorkování a držení a zvukové obvody. Jsou k dispozici pro tyto přesné aplikace ve velmi úzkých tolerancích kapacity.

Disipační faktor PP filmových kondenzátorů je menší než u jiných filmových kondenzátorů. Vzhledem k nízkému a velmi stabilnímu činiteli rozptylu v širokém teplotním a frekvenčním rozsahu, a to i při velmi vysokých frekvencích, a jejich vysoké dielektrické pevnosti 650 V/μm, mohou být kondenzátory z PP fólie použity v metalizovaných a ve verzi fólie/fólie jako kondenzátory pro pulzní aplikace, jako jsou vychylovací obvody CRT-scan, nebo jako takzvané „ snubberové “ kondenzátory, nebo v IGBT aplikacích. Kondenzátory z polypropylenové fólie se navíc používají v aplikacích střídavého napájení, jako jsou kondenzátory pro běh motoru nebo kondenzátory pro korekci účiníku (PFC).

Polypropylenové filmové kondenzátory jsou široce používány pro potlačení EMI , včetně přímého připojení k elektrické síti. V této poslední aplikaci musí splňovat speciální požadavky na testování a certifikaci týkající se bezpečnosti a nehořlavosti.

Většina výkonových kondenzátorů, největší vyrobené kondenzátory, obecně používá jako dielektrikum polypropylenovou fólii. PP filmové kondenzátory se používají pro vysokofrekvenční vysoce výkonné aplikace, jako je indukční ohřev , pro aplikace s pulzní energií a jako střídavé kondenzátory pro elektrické rozvody. Hodnoty střídavého napětí těchto kondenzátorů se mohou pohybovat až do 400 kV.

Relativně nízká permitivita 2,2 je mírnou nevýhodou a filmové kondenzátory PP bývají o něco fyzicky větší než jiné filmové krytky.

Fólie kondenzátorové kvality se vyrábějí až do tloušťky 20 μm se šířkou role až 140 mm. Role jsou pečlivě vakuově baleny v párech podle specifikací požadovaných pro kondenzátor.

Polyesterové (PET) filmové kondenzátory

Polyesterové filmové kondenzátory jsou filmové kondenzátory využívající dielektrikum vyrobené z termoplastického polárního polymerního materiálu polyethylentereftalátu (PET), obchodní názvy Hostaphan nebo Mylar , z rodiny polyesterů. Vyrábějí se jak metalizované navinuté a skládané verze, tak i typy fólií/fólií. Polyesterový film adsorbuje velmi málo vlhkosti a díky této vlastnosti je vhodný pro „nahé“ provedení bez nutnosti dalšího potahování. Jedná se o levné sériově vyráběné kondenzátory v moderní elektronice, které mají relativně malé rozměry a relativně vysoké hodnoty kapacity. PET kondenzátory se používají hlavně jako kondenzátory pro všeobecné použití pro DC aplikace nebo pro polokritické obvody s provozními teplotami do 125 ° C. Maximální teplota 125 ° C také umožňuje výrobu SMD filmových kondenzátorů s PET fóliemi. Nízké náklady na polyester a relativně kompaktní rozměry jsou hlavními důvody vysoké prevalence kondenzátorů PET filmu v moderních provedeních.

Malé fyzické rozměry PET filmových kondenzátorů jsou výsledkem vysoké relativní permitivity 3,3, v kombinaci s relativně vysokou dielektrickou pevností vede k relativně vysoké objemové účinnosti . Tato výhoda kompaktnosti má své nevýhody. Kapacitní teplotní závislost kondenzátorů z polyesterových fólií je ve srovnání s jinými filmovými kondenzátory relativně vysoká, ± 5% v celém teplotním rozsahu. Závislost kapacitní frekvence na kapacitě polyesterových filmových kondenzátorů ve srovnání s jinými kondenzátory na filmu je -3% v rozsahu od 100 Hz do 100 kHz na horní hranici. Teplotní a frekvenční závislost disipačního faktoru je také vyšší u kondenzátorů z polyesterových fólií ve srovnání s jinými typy kondenzátorů s fólií.

Polyesterové kondenzátory se používají hlavně pro všeobecné použití nebo pro polokritické obvody s provozními teplotami do 125 ° C.

Polyetylenové naftalátové (PEN) filmové kondenzátory

Polyetylenové naftalátové filmové kondenzátory jsou filmové kondenzátory využívající dielektrikum vyrobené z termoplastického biaxiálního polymerního materiálu polyetylen naftalátu (PEN), obchodní názvy Kaladex, Teonex. Vyrábějí se pouze jako metalizované typy. PEN, stejně jako PET, patří do rodiny polyesterů, ale má lepší stabilitu při vysokých teplotách. Proto jsou filmové kondenzátory PEN vhodnější pro vysokoteplotní aplikace a pro balení SMD.

Teplotní a frekvenční závislost elektrických charakteristik pro kapacitní a ztrátový faktor filmových kondenzátorů PEN je podobná kondenzátorům PET filmu. Vzhledem k menší relativní permitivitě a nižší dielektrické pevnosti polymeru PEN jsou filmové kondenzátory PEN fyzicky větší pro danou kapacitu a hodnotu jmenovitého napětí. Navzdory tomu jsou filmové kondenzátory PEN upřednostňovány před PET, když je okolní teplota během provozu kondenzátorů trvale nad 125 ° C. Speciální PEN „vysokonapěťové“ (HV) dielektrikum nabízí vynikající elektrické vlastnosti během zkoušek životnosti při vysokém napětí a vysokých teplotách (175 ° C). Kondenzátory PEN se používají hlavně pro nekritické filtrování, spojování a odpojování v elektronických obvodech, kde na teplotních závislostech nezáleží.

Polyfenylensulfidové (PPS) filmové kondenzátory

Polyfenylensulfidové filmové kondenzátory jsou filmové kondenzátory s dielektrikem vyrobené z termoplastického, organického a částečně krystalického polymerního materiálu Poly (p-fenylen sulfid) (PPS), obchodní název Torelina. Vyrábějí se pouze jako metalizované typy.

Teplotní závislost kapacitance filmových kondenzátorů PPS v celém teplotním rozsahu je velmi malá (± 1,5%) ve srovnání s jinými filmovými kondenzátory. Také frekvenční závislost v rozsahu od 100 Hz do 100 kHz kapacity kondenzátorů PPS fólie je ± 0,5%, velmi nízká ve srovnání s jinými filmovými kondenzátory. Faktor ztrátového výkonu filmových kondenzátorů PPS je poměrně malý a teplotní a frekvenční závislost disipačního faktoru v širokém rozsahu je velmi stabilní. Pouze při teplotách nad 100 ° C se faktor rozptylu zvyšuje na větší hodnoty. Dielektrikum absorpce výkon je vynikající, za pouhých PTFE a PS dielektrika kondenzátorů.

Polyfenylensulfidové filmové kondenzátory jsou vhodné pro aplikace v obvodech určujících frekvenci a pro vysokoteplotní aplikace. Vzhledem ke svým dobrým elektrickým vlastnostem jsou filmové kondenzátory PPS ideální náhradou za polykarbonátové filmové kondenzátory, jejichž výroba od roku 2000 byla do značné míry ukončena.

Kromě svých vynikajících elektrických vlastností mohou filmové kondenzátory PPS odolávat teplotám až 270 ° C bez poškození kvality filmu, takže filmové kondenzátory PPS jsou vhodné pro zařízení pro povrchovou montáž (SMD) a mohou tolerovat zvýšené teploty pájení přetavením olova -pájení zdarma podle směrnice RoHS 2002/95/ES .

Náklady na filmový kondenzátor PPS jsou obvykle vyšší ve srovnání s kondenzátorem z PP filmu.

Polytetrafluorethylenové (PTFE) filmové kondenzátory

Polytetrafluorethylenové filmové kondenzátory jsou vyrobeny z dielektrika syntetického fluoropolymerového polytetrafluorethylenu (PTFE), hydrofobního pevného fluorovaného uhlovodíku. Vyrábějí se jak metalizované, tak jako typy fólií/fólií, i když špatné přilnutí k filmu ztěžuje pokovování. PTFE je často známý pod ochrannou známkou DuPont Teflon .

Polytetrafluorethylenové filmové kondenzátory se vyznačují velmi vysokou teplotní odolností až do 200 ° C a ještě dále až do 260 ° C se snížením napětí. Faktor rozptylu 2 • 10 −4 je poměrně malý. Změna kapacity v celém teplotním rozsahu +1% až -3% je o něco vyšší než u kondenzátorů z polypropylenového filmu. Protože je však nejmenší dostupná tloušťka fólie pro PTFE fólie 5,5 μm, což je přibližně dvojnásobek tloušťky polypropylenových fólií, jsou kondenzátory PTFE fólie fyzicky objemnější než kondenzátory z PP fólie. Dodal, že tloušťka filmu na povrchu není konstantní, takže teflonové fólie se obtížně vyrábějí. Počet výrobců filmových kondenzátorů z PTFE je proto omezený.

Filmové kondenzátory PTFE jsou k dispozici se jmenovitým napětím 100 V až 630 V DC. Používají se ve vojenském vybavení, v letectví, v geologických sondách, ve vypalovacích obvodech a ve vysoce kvalitních audio obvodech. Hlavní výrobci filmových kondenzátorů z PTFE se nacházejí v USA.

Polystyrenové (PS) filmové kondenzátory

Polystyrenové filmové kondenzátory, někdy známé jako "styroflexové kondenzátory", byly po mnoho let dobře známé jako levné filmové kondenzátory pro všeobecné použití, ve kterých byla zapotřebí vysoká stabilita kapacity, nízký ztrátový faktor a nízké svodové proudy. Protože ale tloušťka filmu nemohla být tenčí než 10 μm a maximální teplotní hodnocení dosáhlo pouze 85 ° C, byly filmové kondenzátory PS od roku 2012 většinou nahrazeny kondenzátory z polyesterových fólií. Někteří výrobci však stále mohou PS fólii nabízet kondenzátory ve svém výrobním programu, podložené velkým množstvím polystyrenové fólie skladované v jejich skladu. Polystyrenové kondenzátory mají důležitou výhodu - mají teplotní koeficient blízký nule, a proto jsou užitečné v laděných obvodech, kde je třeba zabránit driftu s teplotou.

Polykarbonátové (PC) filmové kondenzátory

Polykarbonátové filmové kondenzátory jsou filmové kondenzátory s dielektrikem vyrobené z polymerovaných esterů kyseliny uhličité a polykarbonátu dvojsytných alkoholů (PC), někdy označované ochrannou známkou Makrofol. Vyrábějí se jak navinuté, metalizované, tak i typy fólií/fólií.

Tyto kondenzátory mají nízký ztrátový faktor a vzhledem k jejich relativně teplotně nezávislým elektrickým vlastnostem přibližně ± 80 ppm v celém teplotním rozsahu měly mnoho aplikací pro aplikace s nízkými ztrátami a teplotní stabilitou, jako jsou časovací obvody, přesné analogové obvody, a signálové filtry v aplikacích s náročnými podmínkami prostředí. Filmové kondenzátory pro PC se vyráběly od poloviny 50. let 20. století, ale hlavní dodavatel polykarbonátových fólií pro kondenzátory přestal od roku 2000 vyrábět tento polymer ve formě filmu. V důsledku toho většina výrobců polykarbonátových filmových kondenzátorů na celém světě museli zastavit výrobu PC filmových kondenzátorů a místo toho se změnili na kondenzátory z polypropylenového filmu. Většina dřívějších aplikací PC kondenzátorů našla uspokojivé náhražky za PP filmové kondenzátory.

Existují však výjimky. Výrobce Electronic Concepts Inc, (New Jersey, USA) tvrdí, že je interním výrobcem vlastní polykarbonátové fólie, a pokračuje ve výrobě filmových kondenzátorů pro PC. Kromě tohoto výrobce kondenzátorů z polykarbonátového filmu existují ještě další specializovaní výrobci převážně z USA.

Papírové (filmové) kondenzátory (MP) a kondenzátory se smíšeným filmem

Historicky první kondenzátory typu „filmu“ byly papírové kondenzátory s konfigurací fólie/fólie. Byly poměrně objemné a nijak zvlášť spolehlivé. Od roku 2012 se papír používá ve formě metalizovaného papíru pro MP kondenzátory se samoopravnými vlastnostmi používanými pro potlačení EMI. Papír se také používá jako izolační mechanický nosič elektrod s metalizovanou vrstvou a kombinovaný s polypropylenovým dielektrikem, většinou v napájecích kondenzátorech dimenzovaných pro vysokonapěťové střídavé a vysokonapěťové stejnosměrné aplikace.

Papír jako nosič elektrod má výhody nižších nákladů a poněkud lepší přilnavosti metalizace k papíru než k polymerním filmům. Ale samotný papír jako dielektrikum v kondenzátorech není dostatečně spolehlivý pro rostoucí požadavky na kvalitu moderních aplikací. Kombinace papíru spolu s dielektrikem z polypropylenové fólie je nákladově efektivní způsob, jak zlepšit kvalitu a výkon. Lepší přilnutí metalizace na papír je výhodné zejména při vysokém proudovém pulzním zatížení a dielektrikum z polypropylenové fólie zvyšuje jmenovité napětí.

Drsnost povrchu pokoveného papíru však může způsobit mnoho malých vzduchem naplněných bublin mezi dielektrikem a metalizací, což snižuje průrazné napětí kondenzátoru. Z tohoto důvodu jsou větší filmové kondenzátory nebo výkonové kondenzátory využívající papír jako nosič elektrod obvykle naplněny izolačním olejem nebo plynem, aby se vytlačily vzduchové bubliny pro vyšší průrazné napětí.

Protože však téměř každý významný výrobce nabízí vlastní patentované filmové kondenzátory se směsnými filmovými materiály, je obtížné poskytnout univerzální a obecný přehled o specifických vlastnostech kondenzátorů se smíšeným filmem.

Jiné kondenzátory z plastové fólie

Kromě výše popsaných fólií ((polypropylen (PP), polyethylentereftalátový polyester PET), polyfenylensulfid (PPS), polyethylennaftalát (PEN), polykarbonát (PP), polystyren (PS) a polytetrafluorethylen (PTFE)), některé další plastové materiály mohou být použity jako dielektrikum ve filmových kondenzátorech. Termoplastické polymery, jako je polyimid (PI), polyamid (PA, lépe známý jako nylon nebo Perlon), polyvinylidenfluoridu (PVDF), Siloxan , polysulfonu (PEX) a aromatickými polyesteru (FPE) jsou popsány v odborné literatuře jako možné dielektrických filmů kondenzátory. Primárním důvodem zvažování nových filmových materiálů pro kondenzátory je relativně nízká permitivita běžně používaných materiálů. S vyšší permitivitou by mohly být filmové kondenzátory ještě menší, což je výhoda na trhu s kompaktnějšími přenosnými elektronickými zařízeními.

V roce 1984 byla v patentu v tisku oznámena nová technologie filmových kondenzátorů, která využívá vakuově nanášené akrylátové materiály zesítěné elektronovým paprskem jako dielektrikum ve filmových kondenzátorech. Od roku 2012 však pouze jeden výrobce uvádí na trh specifický akrylátový SMD filmový kondenzátor jako náhradu X7R MLCC.

Polyimid (PI), termoplastický polymer imidových monomerů, je navržen pro filmové kondenzátory nazývané polyimidové, PI nebo Kaptonovy kondenzátory. Kapton je obchodní název polyimidu od společnosti DuPont . Tento materiál je zajímavý díky své vysoké teplotní odolnosti až do 400 ° C. Ale od roku 2012 nebyly oznámeny žádné konkrétní filmové kondenzátory řady PI kondenzátorů . Nabízený filmový kondenzátor Kapton CapacitorCL11, vyhlášený od „dhgate“, je „typ: polypropylenový filmový kondenzátor“. Další velmi podivný Kaptonův kondenzátor najdete u YEC, čínského výrobce kondenzátorů. Zde jsou oznámené „Kaptonovy kondenzátory“ ve skutečnosti superkondenzátory , což je zcela odlišná technologie. Kaptonový film v těchto superkondenzátorech je pravděpodobně použit jako separátor mezi elektrodami tohoto dvouvrstvého kondenzátoru . Kaptonové fólie jsou často nabízeny jako lepicí fólie pro vnější izolaci kondenzátorových svazků.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) má velmi vysokou permitivitu 18 až 20, což umožňuje skladování velkého množství energie v malém prostoru ( objemová účinnost ). Má však teplotu Curie pouhých 60 ° C, což omezuje jeho použitelnost. Filmové kondenzátory s PVDF jsou popsány pro jednu velmi speciální aplikaci, v přenosných defibrilátorech .

U všech ostatních dříve jmenovaných plastových materiálů, jako jsou PA, PVDF, Siloxane, PEx nebo FPE, není známo, že by se od roku 2012 vyráběly konkrétní řady filmových kondenzátorů s těmito plastovými fóliemi v komerčních množstvích.

Standardizace filmových kondenzátorů

Standardizace všech elektrických , elektronických součástek a souvisejících technologií se řídí pravidly stanovenými Mezinárodní elektrotechnickou komisí (IEC), neziskovou , nevládní mezinárodní normalizační organizací . Normy IEC jsou harmonizovány s evropskými normami EN.

Definice charakteristik a postup zkušebních metod pro kondenzátory pro použití v elektronických zařízeních jsou uvedeny v obecné specifikaci:

  • IEC/EN 60384-1, Pevné kondenzátory pro použití v elektronických zařízeních - Část 1: Obecná specifikace

Zkoušky a požadavky, které musí splňovat filmové kondenzátory pro použití v elektronickém zařízení ke schválení jako standardizované typy, jsou stanoveny v následujících oddílových specifikacích:

Přehled standardů pro filmové kondenzátory
Standardní číslo Krátký název filmu Konstrukce kondenzátoru Terminály Napětí Standardní popis
IEC/EN 60384-2 PET metalizované olovnatý DC Pevné metalizované polyetyléntereftalátové filmové dielektrické DC kondenzátory
IEC/EN 60384-11 PET fólie/fólie olovnatý DC Pevné DC kondenzátory z polyetyléntereftalátového filmu s dielektrickou kovovou fólií
IEC/EN 60384-13 PP fólie/fólie olovnatý DC Pevné DC kondenzátory z kovové fólie z polypropylenové fólie s kovovou fólií
IEC/EN 60384-16 PP metalizované olovnatý DC Pevné metalizované polypropylenové filmové dielektrické DC kondenzátory
IEC/EN 60384-17 PP metalizované olovnatý AC Opravený dielektrický metalizovaný polypropylenový film se střídavým a pulzním proudem
IEC/EN 60384-19 PET metalizované SMD DC Pevné metalizované polyetyléntereftalátové filmové dielektrické DC kondenzátory pro povrchovou montáž
IEC/EN 60384-20 PPS metalizované SMD DC Pevné metalizované DC kondenzátory s povrchovou montáží na metalizovaný polyfenylensulfidový film
IEC/EN 60384-23 PERO metalizované SMD DC Pevné metalizované polyetylenové naftalátové filmové dielektrické čipové kondenzátory DC

Standardizace výkonových kondenzátorů je silně zaměřena na pravidla pro bezpečnost personálu a zařízení, vydaná místním regulačním úřadem. Pojmy a definice zaručující bezpečné použití výkonových kondenzátorů jsou publikovány v následujících normách:

  • IEC/EN 61071 ; Kondenzátory pro výkonovou elektroniku
  • IEC/EN 60252-1 ; Kondenzátory střídavého motoru. Všeobecné. Výkon, testování a hodnocení. Bezpečnostní požadavky. Pokyny pro instalaci a provoz
  • IEC/EN 60110-1 ; Výkonové kondenzátory pro indukční topné instalace - Obecně
  • IEC/EN 60567 ; Elektrická zařízení naplněná olejem - Odběr vzorků plynů a oleje pro analýzu volných a rozpuštěných plynů - Pokyny
  • IEC/EN 60143-1 ; Kondenzátory řady pro energetické systémy. Všeobecné
  • IEC/EN 60143-2 ; Kondenzátory řady pro energetické systémy. Ochranné vybavení pro řady kondenzátorů řady
  • IEC/EN 60143-3; Kondenzátory řady pro napájecí systémy - interní pojistky
  • IEC/EN 60252-2 ; Kondenzátory střídavého motoru. Startovací kondenzátory motoru
  • IEC/EN 60831-1 ; Boční výkonové kondenzátory samoregeneračního typu pro střídavé systémy se jmenovitým napětím do 1 kV včetně. Všeobecné. Výkon, testování a hodnocení. Bezpečnostní požadavky. Návod k instalaci a provozu
  • IEC/EN 60831-2 ; Boční výkonové kondenzátory samoregeneračního typu pro střídavé systémy se jmenovitým napětím do 1000 V včetně, včetně testu stárnutí, samoregeneračního testu a testu destrukce
  • IEC/EN 60871-1 ; Boční kondenzátory pro střídavé napájecí systémy se jmenovitým napětím nad 1000 V. Obecně
  • IEC/EN 60931-1 ; Boční kondenzátory nesamozdravovacího typu pro střídavé systémy se jmenovitým napětím do 1 kV včetně - Obecné - Výkon, testování a hodnocení - Bezpečnostní požadavky - Návod k instalaci a provozu
  • IEC/EN 60931-2 ; Kondenzátory bočníkového napájení, které se samy nehojí, pro střídavé systémy se jmenovitým napětím do 1000 V včetně a zkouška stárnutí a zkouška destrukce
  • IEC 60143-4 ; Kondenzátory řady pro energetické systémy. Tyristorem řízené kondenzátory řady
  • IEC/EN 61921 ; Výkonové kondenzátory. Banky pro korekci účiníku nízkého napětí
  • IEC/EN 60931-3 ; Kondenzátory bočníkového napájení, které se samy nehojí, pro střídavé systémy se jmenovitým napětím do 1000 V včetně včetně vnitřních pojistek
  • IEC/EN 61881-1 ; Železniční aplikace. Zařízení kolejových vozidel. Kondenzátory pro výkonovou elektroniku. Papírové/plastové filmové kondenzátory
  • IEC 62146-1 ; Třídicí kondenzátory pro vysokonapěťové jističe střídavého proudu

Výše uvedený text je přímo extrahován z příslušných norem IEC, které používají zkratky „dc“ pro stejnosměrný proud (DC) a „ac“ pro střídavý proud (AC).

Zkratky typu filmových kondenzátorů

Během raného vývoje filmových kondenzátorů se někteří velcí výrobci pokusili standardizovat názvy různých filmových materiálů. To vedlo k tomu, že byl po stažení zrušen bývalý německý standard (DIN 41 379), ve kterém byl předepsán zkrácený kód pro každý materiál a typ konfigurace. Mnoho výrobců nadále používá tyto de facto standardní zkratky.

S přemístěním podnikání na masový trh v odvětví pasivních součástek, které zahrnuje filmové kondenzátory, však mnoho nových výrobců na Dálném východě používá vlastní zkratky, které se liší od dříve zavedených zkratek.

Běžné zkratky pro typy filmových kondenzátorů
Dielektrický materiál Chemická
zkratka
Zkratka typu filmového kondenzátoru
Konstrukce fólie/fólie Metalizovaná konstrukce
Papír (P) - (MP)
Polyethylentereftalát, Polyester PET (F) KT MKT; MKS
Polyetylen naftalát PERO (F) KN MKN
Polyfenylen sulfid PPS (F) KI MKI
Polypropylen PP (F) KP MKP
Polytetrafluorethylen PTFE - -
Polystyren PS KS
Polykarbonát PC (F) KC MKC

Elektrické charakteristiky

Výrobci Wima, Vishay a TDK Epcos specifikují elektrické parametry svých filmových kondenzátorů v obecném technickém listu.

Obvod ekvivalentní sérii

Sériově ekvivalentní model obvodu filmového kondenzátoru

Elektrické vlastnosti kondenzátorů jsou harmonizovány podle mezinárodní generické specifikace IEC/EN 60384-1. V této normě jsou elektrické charakteristiky kondenzátorů popsány idealizovaným sériově ekvivalentním obvodem s elektrickými součástmi, které modelují všechny ohmické ztráty, kapacitní a indukční parametry filmového kondenzátoru:

Tyto dva reaktivní odpory mají následující vztahy s úhlovou frekvencí „ω“:

  • Kapacita (kapacitní reaktance):
  • Indukčnost (indukční reaktance):

Kapacitní standardní hodnoty a tolerance

Jmenovitá kapacita je hodnota, pro kterou byl kondenzátor navržen. Skutečná kapacita filmových kondenzátorů závisí na měřicí frekvenci a okolní teplotě. Standardizované podmínky pro filmové kondenzátory jsou měřicí frekvence 1 kHz a teplota 20 ° C. Procento povolené odchylky kapacity od jmenovité hodnoty se nazývá tolerance kapacity. Skutečná hodnota kapacity kondenzátoru by měla být v mezích tolerance, nebo je kondenzátor mimo specifikaci.

Filmové kondenzátory jsou k dispozici v různých tolerančních řadách, jejichž hodnoty jsou specifikovány v normách řady E uvedených v IEC/EN 60063. Pro zkrácené označení ve stísněných prostorech je v IEC/EN 60062 uveden písmenný kód pro každou toleranci.

  • jmenovitá kapacita, řada E96 , tolerance ± 1%, kód písmene „F“
  • jmenovitá kapacita, řada E48 , tolerance ± 2%, kód písmene „G“
  • jmenovitá kapacita, řada E24 , tolerance ± 5%, kód písmene „J“
  • jmenovitá kapacita, řada E12 , tolerance ± 10%, kód písmene „K“
  • jmenovitá kapacita, řada E6 , tolerance ± 20%, kód písmene „M“

Požadovaná tolerance kapacity je dána konkrétní aplikací. Úzké tolerance E24 až E96 budou použity pro vysoce kvalitní obvody, jako jsou přesné oscilátory a časovače. Na druhou stranu pro obecné aplikace, jako jsou nekritické filtrační nebo spojovací obvody, jsou dostačující toleranční řady E12 nebo E6.

Frekvenční a teplotní změny kapacity

Různé filmové materiály mají ve svých charakteristikách rozdíly závislé na teplotě a frekvenci. Níže uvedené grafy ukazují typické teplotní a frekvenční chování kapacity pro různé filmové materiály.

Kapacita jako funkce teploty a frekvence pro filmové kondenzátory s různými filmovými materiály

Jmenovité napětí

DC napětí

Snížení napětí mezi horní jmenovitou teplotou (85 ° C pro PP, PET a 105 ° C pro PEN, PPS) a teplotou vyšší kategorie

Jmenovité stejnosměrné napětí V R je maximální stejnosměrné napětí nebo špičková hodnota pulzního napětí nebo součet aplikovaného stejnosměrného napětí a špičkové hodnoty superponovaného střídavého napětí, které lze nepřetržitě aplikovat na kondenzátor při jakékoli teplotě mezi kategorie a jmenovitá teplota.

Průrazné napětí filmových kondenzátorů klesá s rostoucí teplotou. Při použití filmových kondenzátorů při teplotách mezi horní jmenovitou teplotou a teplotou vyšší kategorie je povoleno pouze teplotně snížené napětí kategorie V C. Faktory snížení výkonu platí pro stejnosměrné i střídavé napětí. Někteří výrobci mohou mít pro své kondenzátory zcela odlišné křivky snižování výkonu ve srovnání s generickými křivkami uvedenými na obrázku vpravo.

Přípustná špičková hodnota superponovaného střídavého napětí, nazývaného „jmenovité zvlněné napětí“, je závislá na frekvenci. Příslušné normy stanoví následující podmínky bez ohledu na typ dielektrické fólie.

Frekvence
superponovaného střídavého napětí
Procenta superponovaného špičkového střídavého napětí
ve srovnání s jmenovitým napětím
při uvedených frekvencích
50 Hz 20%
100 Hz 15%
1 kHz 3%
10 kHz 1%

AC napětí a proud

Typické křivky střídavého napětí RMS jako funkce frekvence pro čtyři různé kapacitní hodnoty řady kondenzátorů 63 V DC

Filmové kondenzátory nejsou polarizované a jsou vhodné pro manipulaci se střídavým napětím. Protože jmenovité střídavé napětí je uvedeno jako efektivní hodnota, musí být jmenovité střídavé napětí menší než jmenovité stejnosměrné napětí. Typické hodnoty pro stejnosměrná napětí a nominálně související střídavá napětí jsou uvedeny v následující tabulce:

Jmenovité stejnosměrné napětí a nominální střídavé napětí 50/60 Hz
Jmenovité stejnosměrné napětí 50 V. 63 V 100 V. 250 V. 400 V. 630 V. 1000 V. 1600 V 2000 V
Jmenovité jmenovité střídavé napětí 30 V. 40 V. 63 V 160 V. 220 V. 250 V. 350 V. 550 V. 700 V.

Střídavé napětí způsobí střídavý proud (s aplikovaným stejnosměrným předpětím se tomu také říká „zvlněný proud“), přičemž cyklické nabíjení a vybíjení kondenzátoru způsobí oscilační pohyb elektrických dipólů v dielektriku. Výsledkem jsou dielektrické ztráty , které jsou hlavní součástí ESR filmových kondenzátorů a které produkují teplo ze střídavého proudu. Maximální střídavé napětí RMS při dané frekvenci, které lze na kondenzátor nepřetržitě aplikovat (až do jmenovité teploty), je definováno jako jmenovité střídavé napětí U R AC . Jmenovitá střídavá napětí jsou obvykle uvedena při síťové frekvenci oblasti (50 nebo 60 Hz).

Jmenovité střídavé napětí se obecně vypočítává tak, že zvýšení vnitřní teploty o 8 až 10 ° K stanoví povolený limit pro filmové kondenzátory. Tyto ztráty se zvyšují s rostoucí frekvencí a výrobci specifikují křivky pro snížení maximálních přípustných střídavých napětí na vyšších frekvencích.

Kondenzátory, včetně typů fólií, konstruované pro nepřetržitý provoz při nízkofrekvenčním (50 nebo 60 Hz) síťovém napětí, typicky mezi síťovým a neutrálním vodičem nebo vodičem a zemí pro potlačení rušení, jsou vyžadovány, aby splňovaly standardní bezpečnostní hodnocení; např. X2 je navržen tak, aby fungoval mezi vodičem a neutrálem při 200-240 V stř. a Y2 mezi vedením a zemí. Tyto typy jsou navrženy pro spolehlivost a v případě selhání pro bezpečné selhání (otevřený, spíše než zkrat). Nekatastrofický režim selhání v této aplikaci je způsoben koronovým efektem : vzduch uzavřený v navíjecím prvku se stává ionizovaným a následně vodivějším, což umožňuje částečné výboje na metalizovaném povrchu filmu, což způsobuje lokální odpařování metalizace. K tomu dochází opakovaně a může to způsobit významnou ztrátu kapacity (rozpad C) během jednoho nebo dvou let. Mezinárodní norma IEC60384-14 uvádí limit 10% rozpadu C na 1 000 testovacích hodin (41 dní trvalého připojení). Některé kondenzátory jsou navrženy tak, aby tento efekt minimalizovaly. Jednou z metod, na úkor zvýšené velikosti a nákladů, je, aby kondenzátor pracující při 200-240 VAC sestával interně ze dvou částí v sérii, každá s napětím 100-120 VAC, což je nedostatečné k vyvolání ionizace. Výrobci také přijímají levnější a menší konstrukci, která má zabránit korónovému efektu bez sériově propojených sekcí, například minimalizovat uzavřený vzduch.

Přepěťová hodnocení

U metalizovaných filmových kondenzátorů je maximální možné pulzní napětí omezené kvůli omezené kapacitě přenosu proudu mezi kontaktem elektrod a samotnými elektrodami. Jmenovité pulzní napětí V p je špičková hodnota pulzního napětí, které lze kontinuálně aplikovat na kondenzátor při jmenovité teplotě a při dané frekvenci. Kapacita pulzního napětí je dána jako doba náběhu pulzního napětí dV/dT ve V/μs a také implikuje maximální kapacitu pulzního proudu. Hodnoty doby náběhu impulsu se vztahují na jmenovité napětí. U nižších provozních napětí se mohou přípustné doby náběhu impulzů zkrátit. Přípustná pulzní zatěžovací kapacita filmového kondenzátoru se obecně vypočítá tak, aby byl přijatelný vnitřní nárůst teploty o 8 až 10 ° K.

Maximální přípustná doba náběhu impulzů filmových kondenzátorů, které lze použít v rámci jmenovitého teplotního rozsahu, je uvedena v příslušných listech. Překročení maximální stanovené pulzní zátěže může vést ke zničení kondenzátoru.

Pro každou jednotlivou aplikaci je nutné vypočítat pulzní zatížení. Obecné pravidlo pro výpočet výkonu filmových kondenzátorů není k dispozici z důvodu rozdílů souvisejících s prodejcem, které vyplývají z detailů vnitřní konstrukce různých kondenzátorů. Proto je na postup výpočtu výrobce WIMA odkazováno jako na příklad obecně platných zásad.

Impedance, ztrátový faktor a ESR

Impedance

Zjednodušený sériově ekvivalentní obvod filmového kondenzátoru pro vyšší frekvence (výše); vektorový diagram s elektrickými reaktancemi a odporem ESR a pro ilustraci impedanční a ztrátový faktor tan δ

Impedance je komplexní poměr napětí na proud v střídavý proud (AC) obvodu na dané frekvenci.

V datových listech filmových kondenzátorů je uvedena pouze velikost impedance | Z | budou specifikovány a jednoduše zapsány jako „Z“. Fáze impedance je specifikována jako ztrátového činitele .

Pokud jsou známy hodnoty ekvivalentu série kondenzátoru a a a frekvence, pak lze impedanci vypočítat pomocí těchto hodnot. Impedance je pak součtem geometrického (komplexního) součtu reálných a reaktivních odporů.

Ve zvláštním případě rezonance , ve kterém oba reaktivní odpory a mají stejnou hodnotu ( ), pak bude impedance určena pouze .

Typické křivky impedancí pro filmové kondenzátory s různými hodnotami kapacity

Impedance je měřítkem schopnosti kondenzátoru procházet střídavými proudy. Čím nižší je impedance, tím snáze lze střídavými proudy procházet kondenzátorem. Filmové kondenzátory se vyznačují velmi malými hodnotami impedance a velmi vysokými rezonančními frekvencemi, zejména ve srovnání s elektrolytickými kondenzátory .

Disipační faktor (tan δ) a ESR

Ekvivalentní sériový odpor (ESR) shrnuje všechny odporové ztráty kondenzátoru. Jedná se o odpory napájecího vedení, kontaktní odpor kontaktu elektrody, odpor vedení elektrod a dielektrické ztráty v dielektrickém filmu. Největší podíl na těchto ztrátách mají obvykle disipativní ztráty v dielektriku.

U filmových kondenzátorů bude disipační faktor tan  δ specifikován v příslušných datových listech místo ESR. Faktor ztrátového výkonu je určen tangensou fázového úhlu mezi kapacitní reaktancí X C minus indukční reaktancí X L a ESR .

Pokud je indukčnost ESL malá, může být faktor rozptylu aproximován jako:

Tento důvod pro použití disipačního faktoru místo ESR je ten, že filmové kondenzátory byly původně používány hlavně ve frekvenčně určujících rezonančních obvodech. Reciproční hodnota disipačního faktoru je definována jako faktor kvality "Q" . Vysoká hodnota Q je pro rezonanční obvody známkou kvality rezonance.

Faktor rozptylu u kondenzátorů fólie/fólie je nižší než u kondenzátorů metalizovaných fólií v důsledku nižšího kontaktního odporu vůči fólii s elektrodou ve srovnání s metalizovanou fólií.

Faktor rozptylu filmových kondenzátorů je závislý na frekvenci, teplotě a čase. Zatímco závislosti na frekvenci a teplotě vyplývají přímo z fyzikálních zákonů, časová závislost souvisí se procesy stárnutí a adsorpce vlhkosti.

Izolační odpor

Typické grafy izolačního odporu různých typů filmových kondenzátorů jako funkce teploty

Nabitý kondenzátor se časem vybíjí prostřednictvím vlastního vnitřního izolačního odporu R isol . Znásobení izolačního odporu spolu s kapacitou kondenzátoru má za následek časovou konstantu, která se nazývá „časová konstanta samovybíjení“: (τ isol = R isol • C). Toto je měřítko kvality dielektrika s ohledem na jeho izolační vlastnosti a je dimenzováno v sekundách. Obvyklé hodnoty pro filmové kondenzátory se pohybují od 1 000 s do 1 000 000 s. Tyto časové konstanty jsou vždy relevantní, pokud jsou kondenzátory použity jako prvky určující čas (například časové zpoždění) nebo pro ukládání hodnoty napětí jako v obvodech nebo integrátorech vzorkování a držení .

Dielektrická absorpce (namáčení)

Dielektrická absorpce je název, podle kterého se kondenzátor, který byl nabíjen po dlouhou dobu, vybíjí pouze neúplně, když je krátce vybit. Je to forma hystereze v kondenzátorových napětích. Ačkoli ideální kondenzátor by po vybití zůstal na nulových voltech, skutečné kondenzátory budou vyvíjet malé zbytkové napětí, což je jev, kterému se také říká „namáčení“.

Následující tabulka uvádí typické hodnoty dielektrické absorpce pro běžné filmové materiály

Dielektrický filmový materiál Dielektrická absorpce
Polyester (PET) 0,2 až 0,5%
Polypropylen (PP) 0,01 až 0,1%
Polyethylen naftalát (PEN) 1,0 až 1,2%
Polyfenylensulfid (PPS) 0,05 až 0,1%

Polypropylenové filmové kondenzátory mají nejnižší hodnoty napětí generované dielektrickou absorpcí. Proto jsou ideálně vhodné pro přesné analogové obvody nebo pro integrátory a obvody vzorkování a přidržení .

Stárnutí

Filmové kondenzátory podléhají určitým velmi malým, ale měřitelným procesům stárnutí. Primárním degradačním procesem je malé smrštění plastové fólie, ke kterému dochází hlavně během procesu pájení, ale také během provozu při vysokých okolních teplotách nebo při vysokém proudovém zatížení. Kromě toho může dojít k určité absorpci vlhkosti ve vinutí kondenzátoru za provozních podmínek ve vlhkém podnebí.

Tepelné napětí během procesu pájení může například změnit hodnotu kapacity kondenzátorů s olověným filmem o 1% až 5% z počáteční hodnoty. U zařízení pro povrchovou montáž může proces pájení změnit hodnotu kapacity až o 10%. Faktor rozptylu a izolační odpor filmových kondenzátorů lze také změnit výše popsanými vnějšími faktory, zejména absorpcí vlhkosti v podnebí s vysokou vlhkostí.

Výrobci filmových kondenzátorů mohou pomocí lepšího zapouzdření zpomalit proces stárnutí způsobený absorpcí vlhkosti. Toto dražší zpracování výroby může být způsobeno skutečností, že filmové kondenzátory se stejným základním designem těla mohou být dodávány v různých hodnoceních stability životnosti, které se nazývají výkonnostní třídy . Kondenzátory výkonové třídy 1 jsou „longlife“, kondenzátory výkonové třídy 2 jsou kondenzátory „obecného účelu“. Specifikace těchto tříd jsou definovány v příslušné normě IEC/EN 60384-x (viz normy).

Přípustné změny kapacity, disipačního faktoru a izolačního odporu se liší podle materiálu fólie a jsou uvedeny v příslušném datovém listu. Variace v průběhu času, které překračují uvedené hodnoty, jsou považovány za selhání degradace.

Míra selhání a délka života

Filmové kondenzátory jsou obecně velmi spolehlivé součásti s velmi nízkou mírou selhání a s předpokládanou délkou života za normálních podmínek desítky let. Očekávaná životnost filmových kondenzátorů je obvykle specifikována z hlediska použitého napětí, proudového zatížení a teploty.

Značení

Byly vyrobeny barevné filmové kondenzátory, ale je obvyklé tisknout podrobnější informace o těle. Podle normy IEC 60384.1 by kondenzátory měly být označeny otisky následujících informací:

  • jmenovitá kapacita
  • jmenovité napětí
  • tolerance
  • kategorie napětí
  • rok a měsíc (nebo týden) výroby
  • název nebo obchodní značka výrobce
  • klimatická kategorie
  • označení typu výrobce

Kondenzátory potlačující RFI síťového napětí musí být také označeny příslušným schválením bezpečnostní agentury.

Kapacitu, toleranci a datum výroby lze označit krátkými kódy. Kapacita je často indikována sub-vícenásobným indikátorem nahrazujícím snadno vymazanou desetinnou čárku, jako: n47 = 0,47 nF, 4n7 = 4,7 nF, 47n = 47 nF

Aplikace

Filmové kondenzátory, keramické kondenzátory a elektrolytické kondenzátory mají mnoho běžných aplikací, což vede k překrývání použití

Ve srovnání s dalšími dvěma hlavními kondenzátorovými technologiemi, keramickými a elektrolytickými kondenzátory , mají filmové kondenzátory vlastnosti, díky nimž jsou zvláště vhodné pro mnoho univerzálních a průmyslových aplikací v elektronických zařízeních.

Dvě hlavní výhody filmových kondenzátorů jsou velmi nízké hodnoty ESR a ESL. Filmové kondenzátory jsou fyzicky větší a dražší než hliníkové elektrolytické kondenzátory (e-caps), ale mají mnohem vyšší schopnosti rázového a pulzního zatížení. Jelikož filmové kondenzátory nejsou polarizované, mohou být použity v aplikacích střídavého napětí bez předpětí DC a mají mnohem stabilnější elektrické parametry. Polypropylenové filmové kondenzátory mají relativně malou teplotní závislost kapacity a disipačního faktoru, takže je lze použít v frekvenčně stabilních aplikacích třídy 1, které nahrazují keramické kondenzátory třídy 1.

Elektronické obvody

Polypropylenové filmové kondenzátory splňují kritéria pro stabilitu kondenzátorů třídy 1 a mají nízké elektrické ztráty a téměř lineární chování ve velmi širokém teplotním a frekvenčním rozsahu. Používají se pro oscilátory a rezonanční obvody ; pro aplikace elektronických filtrů s faktorem vysoké kvality (Q), jako jsou hornoprůchodové filtry , nízkoprůchodové filtry a pásmové filtry, jakož i pro ladicí obvody; pro zvukové crossovery v reproduktorech ; ve vzorkovacích a přidržených A/D převodnících a v detektorech špičkového napětí. Těsné kapacitní tolerance jsou vyžadovány pro aplikace časování v signálních světlech nebo generátorech šířky impulzů pro řízení rychlosti motorů, fóliové kondenzátory z PP jsou také vhodné, protože mají velmi nízký svodový proud.

Filmové kondenzátory PP třídy 1 jsou schopny zvládnout vyšší proud než stabilita keramické kondenzátory třídy 1. Díky přesným negativním teplotním charakteristikám polypropylenu jsou kondenzátory PP užitečné pro kompenzaci teplotně indukovaných změn v jiných součástech.

Rychlé hodnocení doby vzestupu pulsu, vysoká dielektrická pevnost ( průrazné napětí ) a nízký ztrátový faktor (vysoké Q) jsou důvody pro použití kondenzátorů z polypropylenového filmu při zpětném ladění a aplikacích pro korekci S ve starších CRT trubkových televizních a zobrazovacích zařízeních . Z podobných důvodů fungují filmové kondenzátory PP, často ve verzích se speciálními svorkami pro vysoké špičkové proudy, dobře jako tlumiče pro výkonové elektronické obvody. Vzhledem ke svým vysokým pulzním rázovým schopnostem jsou PP kondenzátory vhodné pro použití v aplikacích, kde jsou potřeba vysokonapěťové impulsy, jako například v lokalizátorech poruch kabelů s časovou doménou reflektometru (TDR), ve svářečkách , defibrilátorech , ve vysoce výkonných pulzních laserech , nebo pro generování vysoce energetických světelných nebo rentgenových záblesků.

Polypropylenové filmové kondenzátory se navíc používají v mnoha AC aplikacích, jako jsou fázové měniče pro PFC v zářivkách nebo jako motorové kondenzátory.

U jednoduchých vysokofrekvenčních filtračních obvodů nebo v obvodech regulátoru napětí nebo zdvojovače napětí poskytují levné metalizované kondenzátory z polyesterové fólie dlouhodobou stabilitu a mohou nahradit dražší tantalové kondenzátory . Protože kondenzátory procházejí střídavými signály, ale blokují stejnosměrné, jsou filmové kondenzátory s vysokým izolačním odporem a nízkou vlastní indukčností vhodné jako kondenzátory pro spojování signálů pro vyšší frekvence. Z podobných důvodů jsou filmové kondenzátory široce používány jako oddělovací kondenzátory k potlačení šumu nebo přechodových jevů.

Filmové kondenzátory vyrobené z levnějších plastů se používají pro nekritické aplikace, které nevyžadují extrémně stabilní vlastnosti v širokém teplotním rozsahu, například pro vyhlazování nebo spojování střídavého signálu. Nyní se místo polystyrenových kondenzátorů (KS), které se staly méně dostupnými, často nyní používají kondenzátory z polyesterového filmu (KT) „skládaného“ typu.

Metalizované filmové kondenzátory mají samoopravné vlastnosti a malé nedokonalosti nevedou ke zničení součásti, což činí tyto kondenzátory vhodné pro kondenzátory potlačující RFI/EMI s ochranou proti poruchám před úrazem elektrickým proudem a šířením plamene, i když opakované koronové výboje, které uzdravení může vést k významné ztrátě kapacity.

PTFE filmové kondenzátory se používají v aplikacích, které musí odolávat extrémně vysokým teplotám. například ve vojenském vybavení, v letectví, v geologických sondách nebo ve vypalovacích obvodech.

Bezpečnostní a potlačovací filmové kondenzátory EMI/RFI

Potlačovací filmové kondenzátory s potlačením elektromagnetického rušení (EMI) nebo radiofrekvenčního rušení (RFI), známé také jako „bezpečnostní kondenzátory síťového filtru“ nebo „bezpečnostní kondenzátory“, se používají jako klíčové součásti ke snížení nebo potlačení elektrického šumu způsobeného provozem elektrického nebo elektronická zařízení a zároveň omezená ochrana před úrazem elektrickým proudem .

Potlačovací kondenzátor je účinná součást snižující rušení, protože jeho elektrická impedance klesá se zvyšující se frekvencí, takže při vyšších frekvencích zkratují elektrický šum a přechodové děje mezi vedeními nebo k zemi. Proto zabraňují tomu, aby zařízení a stroje (včetně motorů, měničů a elektronických předřadníků, stejně jako tlumičů a polovodičových relé a tlumičů jisker) vysílaly a přijímaly elektromagnetické a vysokofrekvenční rušení a také přechodové jevy napříč řádky (kondenzátory X ) a připojení mezi vodičem a zemí (kondenzátory Y). Kondenzátory X účinně absorbují symetrické, vyvážené nebo diferenciální interference. Na druhé straně jsou kondenzátory Y připojeny v linkovém bypassu mezi fází linky a bodem nulového potenciálu, aby absorbovaly asymetrické, nevyvážené nebo společné režimy interference.

Odrušovací kondenzátory EMI/RFI jsou navrženy a instalovány tak, aby zbývající interference nebo elektrický šum nepřekračovaly limity směrnice EMC EN 50081 Odrušovací součásti jsou připojeny přímo k síťovému napětí polostále po dobu 10 až 20 let nebo déle, a jsou proto vystaveny přepětí a přechodové jevy, které by mohly poškodit kondenzátory. Z tohoto důvodu musí odrušovací kondenzátory splňovat požadavky na bezpečnost a hořlavost mezinárodních bezpečnostních norem, jako jsou následující:

  • Evropa: EN 60384-14,
  • USA: UL 60384-14, UL 1283
  • Kanada: CAN/CSA-E60384-14, CSA C22.2, č. 8
  • Čína: CQC (GB/T 6346.14-2015 nebo IEC 60384-14)

Kondenzátory RFI, které splňují všechny stanovené požadavky, jsou opatřeny certifikační značkou různých národních agentur pro bezpečnostní normy. Pro aplikace elektrického vedení jsou kladeny zvláštní požadavky na hořlavost povlaku a epoxidovou pryskyřici impregnující nebo potahující těleso kondenzátoru. Aby bylo možné získat bezpečnostní schválení, jsou kondenzátory hodnocené na výkonové řady X a Y destruktivně testovány až do selhání. I když jsou tyto bezpečně dimenzované kondenzátory vystaveny velkému přepětí, musí selhat způsobem bezpečným proti selhání , který neohrozí personál ani majetek.

Většina kondenzátorů s potlačením EMI/RFI je polyesterová (PET) nebo metalizovaná polypropylenová (PP) fóliová kondenzátor. Některé typy metalizovaných papírových kondenzátorů (MP) se však pro tuto aplikaci stále používají, protože stále mají určité výhody v odolnosti proti ohni .

Předřadníky osvětlení

Otevřené předřadník elektronického osvětlení s „nahým“ kondenzátorem s nezapouzdřeným filmem (šedý obdélník, uprostřed fotografie) pro korekci účiníku

Předřadník je zařízení k zajištění správné start a provoz elektrických podmínek na jedno světlo nebo více zářivek , a zároveň omezuje množství proudu. Známým a široce používaným příkladem je tradiční indukční předřadník používaný v zářivkách , aby se omezil proud trubicí, který by se jinak zvýšil kvůli charakteristice záporného odporu elektronky na destruktivní úrovně . Nevýhodou použití induktoru je to, že proud je posunut mimo fázi s napětím, což vytváří špatný účiník .

Moderní elektronické předřadníky obvykle mění frekvenci výkonu ze standardního síťového kmitočtu 50 nebo 60 Hz až na 40 kHz nebo vyšší, často využívají topologii obvodu s přepínaným režimem napájení (SMPS) s PFC. Vstupní střídavý výkon je nejprve usměrněn na stejnosměrný proud a poté je rozřezán na vysokou frekvenci, aby se zlepšil účiník. U dražších předřadníků je filmový kondenzátor často spárován s induktorem pro korekci účiníku. Na obrázku vpravo je plochý šedý obdélníkový komponent uprostřed předřadného obvodu kondenzátor z polyesterové fólie používaný pro PFC.

Tlumicí / tlumicí kondenzátory

Kondenzátory Snubber jsou navrženy pro provoz s vysokým špičkovým proudem potřebný pro ochranu před přechodovým napětím. Taková napětí jsou způsobena vysokou proudovou rychlostí „di/dt“ generovanou v aplikacích spínací výkonové elektroniky.

Snubbers jsou obvody pohlcující energii používané k eliminaci špiček napětí způsobených indukčností obvodu při otevření spínače. Účelem tlumiče je zlepšit elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) odstraněním přechodového napětí, ke kterému dochází při náhlém rozepnutí spínače, nebo potlačením jiskření kontaktů spínače (například automobilová zapalovací cívka s mechanickým přerušovačem) nebo omezením napětí rychlost polovodičových spínačů, jako jsou tyristory , GTO tyristory , IGBT a bipolární tranzistory . Snubber kondenzátory (nebo „tlumicí kondenzátory“ s vyšším výkonem) vyžadují velmi nízkou vlastní indukčnost a velmi nízkou konstrukci kondenzátoru ESR. Očekává se také, že tato zařízení budou vysoce spolehlivá, protože pokud selže obvody RC, ve většině případů dojde ke zničení výkonového polovodiče.

Obvody tlumičů obvykle obsahují filmové kondenzátory, většinou víčka z polypropylenových fólií. Nejdůležitějšími kritérii pro tuto aplikaci jsou nízká vlastní indukčnost, nízké ESR a velmi vysoký špičkový proud. Takzvané „tlumicí“ kondenzátory mají někdy některé další speciální konstrukční vlastnosti. Vlastní indukčnost je snížena štíhlejšími konstrukcemi s užší šířkou elektrod. Oboustrannou metalizací nebo konstrukcí fólie/fólie elektrod lze také snížit ESR, což zvyšuje schopnost špičkového proudu. Speciálně rozšířené svorky, které lze namontovat přímo pod polovodičové obaly, mohou pomoci zvýšit manipulaci s proudem a snížit indukčnost.

Nejoblíbenější jednoduchý tlumící obvod se skládá z filmového kondenzátoru a rezistoru v sérii, zapojených paralelně s polovodičovou součástkou k potlačení nebo tlumení nežádoucích špiček napětí. Kondenzátor dočasně absorbuje špičkový proud indukčního vypnutí, takže výsledný napěťový špička je omezena. Ale trend v moderní polovodičové technologii směřuje k aplikacím s vyšším výkonem, což zvyšuje špičkové proudy a rychlosti spínání. V tomto případě je hranice mezi standardním elektronickým filmovým kondenzátorem a výkonovým kondenzátorem rozmazaná, takže větší tlumicí kondenzátory patří spíše do oblasti energetických systémů, elektrických instalací a zařízení.

Překrývající se kategorie filmových a výkonových kondenzátorů jsou viditelné, když jsou použity jako tlumící kondenzátory na rostoucím trhu vysoce výkonné elektroniky s IGBT a tyristory. Přestože výkonové kondenzátory používají polypropylenovou fólii, stejně jako menší kondenzátory s tenkým filmem patří do rodiny výkonových kondenzátorů a nazývají se „tlumící“ kondenzátory.

Výkonové filmové kondenzátory

Výkonové kondenzátory pro tlumení vyššího výkonu v tyristorovém elektronickém ovládání přenosu HVDC v Hydro-Québec plní stejné tlumící funkce jako filmové tlumiče, ale patří do rodiny výkonových kondenzátorů
Jedna z několika bank kondenzátorů energetických fólií pro ukládání energie pro generování magnetického pole v Hadron-Electron Ring Accelerator ( HERA ), která se nachází v areálu DESY v Hamburku
Kondenzátorová banka s 75 MVA pro PFC přenosových vedení 150 kV

Relativně jednoduchá výrobní technika vinutí dává filmovým kondenzátorům možnost dosáhnout i velmi velkých velikostí pro aplikace ve vysokém výkonovém rozsahu, jako takzvané „výkonové kondenzátory“. Ačkoli jsou materiály a konstrukce výkonových kondenzátorů většinou podobné kondenzátorům s menším filmem, jsou z historických důvodů specifikovány a uváděny na trh odlišně.

„Filmové kondenzátory“ byly vyvinuty společně s rostoucím trhem technologie vysílání a elektronických zařízení v polovině 20. století. Tyto kondenzátory jsou standardizovány podle pravidel IEC/EN 60384-1 „Kondenzátory pro použití v elektronických zařízeních“ a různé „filmové materiály“ mají své vlastní dílčí normy, řadu IEC/EN 60384- n . „Výkonové kondenzátory“ začínají na kapacitě manipulace s výkonem přibližně 200 voltů v ampérech, například pro předřadné kondenzátory v zářivkách. Standardizace výkonových kondenzátorů se řídí pravidly IEC/EN 61071 a IEC/EN 60143-1 a má pro různé různé aplikace své vlastní dílčí normy, například pro železniční aplikace.

Výkonové kondenzátory lze použít pro celou řadu aplikací, i když jsou přítomna extrémně nesinusová napětí a pulzní proudy. K dispozici jsou střídavé i stejnosměrné kondenzátory. Střídavé kondenzátory slouží jako tlumicí nebo tlumící kondenzátory, pokud jsou zapojeny do série s odporem, a jsou také určeny pro tlumení nežádoucích špiček napětí způsobených takzvaným efektem ukládání nosiče náboje při spínání výkonových polovodičů. Kromě toho se kondenzátory střídavého proudu používají v nízko rozladěných nebo úzce vyladěných filtračních obvodech pro filtrování nebo pohlcování harmonických. Jako kondenzátory s pulzním výbojem jsou užitečné v aplikacích s reverzním napětím, například v magnetizačním zařízení.

Podobně různorodý je i rozsah použití DC kondenzátorů. Vyhlazovací kondenzátory se používají ke snížení střídavé složky kolísavého stejnosměrného napětí (například v napájecích zdrojích pro rozhlasové a televizní vysílače) a pro zařízení pro testování vysokého napětí, řadiče stejnosměrného proudu, měřicí a řídicí technologii a kaskádové obvody pro generování vysokého stejnosměrného napětí. K ukládání energie v přechodových obvodech stejnosměrného proudu se používají podpůrné kondenzátory, stejnosměrné filtry nebo kondenzátory s vyrovnávacím obvodem, například ve frekvenčních měničích pro vícefázové pohony a měniče výkonu tranzistorů a tyristorů. Musí být schopny absorbovat a uvolňovat velmi vysoké proudy během krátkých časových období, přičemž špičkové hodnoty proudů jsou podstatně větší než hodnoty RMS .

Přepěťové (pulzní) kondenzátory jsou také schopné dodávat nebo absorbovat extrémní krátkodobé rázové rázy. Obvykle jsou provozovány ve vybíjecích aplikacích s nevratnými napětími a při nízkých opakovacích frekvencích, například v laserové technologii a generátorech osvětlení.

Výkonové kondenzátory mohou dosáhnout poměrně velkých fyzických rozměrů. Obdélníková pouzdra s vnitřně propojenými jednotlivými kondenzátory mohou dosahovat velikostí D × Š × V = (350 × 200 × 1000) mm a výše.

Výhody

  • Polypropylenové filmové kondenzátory se mohou kvalifikovat pro aplikace třídy 1
  • Velmi nízké disipační faktory (tan δ), vysoce kvalitní faktory (Q) a nízké hodnoty indukčnosti (ESL)
  • Žádná mikrofonie ve srovnání s keramickými kondenzátory
  • Metalizovaná konstrukce má samoopravné vlastnosti
  • Vysoká jmenovitá napětí, možná až do rozsahu kV
  • Mnohem vyšší zvlněný proud ve srovnání s elektrolytickými kondenzátory
  • Mnohem nižší stárnutí ve srovnání s elektrolytickými kondenzátory podobných hodnot
  • Možné vysoké a velmi vysoké impulzy rázového proudu

Nevýhody

  • Větší fyzická velikost ve srovnání s elektrolytickými kondenzátory
  • Omezený počet typů v balení pro povrchovou montáž (SMT)
  • Typy fólií/fólií nemají schopnost samoléčení (nevratný zkrat)
  • Může být hořlavý při přetížení

Výrobci

Mix produktů hlavních výrobců filmových kondenzátorů
Výrobce verze
SMD
kondenzátory
Filmové kondenzátory PP/PET/
PPS/PEN


Potlačovací
kondenzátory EMI/RFI
Tlumivé
a
střídavé nebo pulzní
kondenzátory
PTFE
PC
a
speciální
filmové
kondenzátory
Aerovox Corp. - X X X X
Kondenzátory Ansar - X X X X
Společnost American Capacitor Corp. - X - X X
Kondenzátory ASC [American Shizuki Corp.] - X X X X
AVX/Kyocera Ltd., Thomson CSF X X X X -
Bishop Electronics - X - - -
Kondenzátorový průmysl - - X - -
Cornell-Dubilier X X X X -
Custom Electronics, Inc. - - - X X
Dearborne - X - X X
Electronics DEKI - X X X -
TDK Epcos - X X X -
EFC [elektronické filmové kondenzátory] - X X X X
Electrocube - X X X X
Společnost Electronic Concepts Inc. X X - X X
Eurofarad - X X X X
Hitachi AIC Inc. X X - X -
Hitano Enterprise Corp. - X X - -
ICW [BorgWarner Incl. ClartityCap] - X X X X
Illinoisský kondenzátor - X X X -
ITW Paktron X X X X -
Jensenovy kondenzátory - X X X X
KEMET Corporation , vč. Arcotronics, Evox-Rifa X X X X -
Meritek Electronics Corp. - X X - -
Kondenzátory MFD - X - X X
NIC X X X - -
Nichicon - X - - -
Nippon Chemi-Con vč. United Chemi-con jejich americká dceřiná společnost - X - X -
Panasonic X X X - -
Richey Capacitor Inc. - X X - -
RFE International, Inc. - X X X X
Rubycon - X - X -
SAMWHA Capacitor Co., Ltd. X X X X X
Solen Electronique Inc. - X - X X
Společnost Suntan Technology Company Limited X X X - -
Přepěťové součásti - X X - -
Tecate Group - X X X -
TSC - X X - X
Vishay Intertechnology Inc. vč. Roederstein, BCc - X X X -
WIMA X X X X -
Würth Elektronik eiSos GmbH & Co.KG - X X - -

Viz také

Reference

Tento článek čerpá z odpovídajícího článku Kunststoff-Folienkondensator ve Wikipedii v německém jazyce , přístupné ve verzi ze dne 12. března 2012.

externí odkazy