Помехоподавляющие, снабберные, фильтрующие: пленочные конденсаторы Hongfa и JB Capacitors

2 июля 2024

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

Несмотря на простоту исполнения и почтенный возраст технологии производства, пленочные конденсаторы до сих пор незаменимы в большинстве областей электроники. От их качества напрямую зависит работа самого устройства. Продукция китайских компаний Hongfa и JB Capacitors высоко ценится за свою надежность и отличается большим разнообразием моделей для различных областей применения.

Резистор, индуктивность и конденсатор – это «три кита» среди пассивных компонентов, на которых построена электроника. Работоспособность устройств зависит от их качества и надежности не меньше, чем от полупроводниковых устройств, а значит, к выбору пассивных компонентов необходимо отнестись со всей ответственностью. Это несколько осложняется различными изменениями на рынке, связанными с уходом одних брендов и появлением других. Давайте вспомним различные свойства конденсаторов в зависимости от технологии изготовления и используемых материалов, а также рассмотрим аспекты, помогающие сделать выбор модели, оптимально подходящей для того или иного проекта.

Принцип работы конденсатора

Накапливать энергию конденсатору позволяет его достаточно простая конструкция: два плоских электрода (обкладки), изолированных друг от друга диэлектриком (рисунок 1).

Рис. 1. Модель конденсатора и примеры изготовления его пленочного вида

Определить емкости конденсатора C достаточно просто (формула 1):

$$C=\frac{S\times \varepsilon _{a}}{d},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$
где:

• S – площадь электродов;
• d – расстояние между ними;
• ε_a – абсолютная диэлектрическая проницаемость изолятора, которая в той или иной степени может изменяться в зависимости от рабочих условий: температуры, напряжения и частоты тока.

Например, некоторые типы диэлектриков керамических конденсаторов обладают сегнетоэлектрическим характером, что вызывает сильное уменьшение диэлектрической проницаемости с ростом приложенного напряжения, и, следовательно, снижение емкости конденсатора. Этот недостаток компенсируется крайне малыми размерами, что, несомненно, для компактных приложений будет существенным плюсом. Кроме того, на конденсатор оказывают влияние колебания температуры и частота приложенного напряжения. Различные характеристики и требования к конденсаторам породили множество вариантов их конструкций и технологий изготовления. В некоторых вариантах в качестве изолятора используется пластиковая пленка (таблица 1), что и дало наименование их виду – пленочные конденсаторы.

Основными преимуществами пленочных конденсаторов являются малые значения эквивалентных последовательных сопротивления (ESR) и индуктивности (ESL), диэлектрической абсорбции и низкого теплового коэффициента емкости (ТКЕ), что гарантирует стабильность параметров при различных условиях работы. Технология изготовления и применяемые материалы позволяют получить высокие значения номинального напряжения и сопротивления изоляции при высокой нагрузочной способности и надежности эксплуатации. Кроме того, комбинация слоев диэлектрика и электродов может иметь несколько вариантов, что позволяет получить те или иные свойства конденсатора. На рисунке 1 показаны два самых обычных варианта исполнения, отличающихся различной индуктивностью: несколько большей в центре рисунка и меньшей справа. Обычно пленочный конденсатор изготавливается методом намотки ленты из металлизированной пластиковой пленки (или отдельных слоев металлической фольги и диэлектрика), но существует и технология ламинирования, когда собирается многоуровневая конструкция из отдельных прямоугольных слоев, а затем прессуется.

Отличные характеристики и относительная простота изготовления позволяют пленочным конденсаторам, в том числе блокировочным и балластным, уже много десятилетий уверенно занимать свои позиции в различных областях применения, таких как:

• аналого-цифровые преобразователи;
• частотозадающие цепи и фильтры;
• пиковые детекторы напряжения;
• цепи температурной компенсации;
• фильтры для подавления дифференциальных и синфазных помех (конденсаторы X- и Y-классов);
• снабберы;
• импульсные преобразователи напряжения;
• различные высоковольтные приложения.

Существенным ограничением применения пленочных конденсаторов является их размер, который в свою очередь вызывает изменение габаритов устройства, а также влияет на технологию монтажа: она в большинстве случаев сквозная.

Таблица 1. Виды материалов для пластиковой пленки диэлектрика конденсатора

Пленочные конденсаторы существуют в том числе с диэлектриком из полистирола и поликарбоната, однако в настоящее время их производство практически отсутствует. Конденсаторы на основе PEN, PPS и PTFE занимают очень небольшую часть рынка. Наиболее популярными являются полиэфирные и полипропиленовые.

Основные характеристики пленочных конденсаторов

Основными являются емкость и рабочее напряжение. Именно они присутствуют в маркировке на компоненте. Однако в зависимости от условий эксплуатации и области применений, необходимо учитывать большее число характеристик и конструктивных особенностей.

Номинальное (рабочее) напряжение конденсатора – это максимальное значение напряжения, при котором компонент может безопасно эксплуатироваться во всем заявленном температурном диапазоне. Рабочее напряжение определено электрической прочностью диэлектрика, на которую влияют материал, толщина и качество его изготовления, и отрицательно зависимо от температуры (уменьшается с нагревом). Номинальное напряжение конденсаторов может быть указано отдельно для переменного и постоянного токов. Его увеличение достигается за счет изменения параметров диэлектрика, а также зависит от технологий изготовления, а именно добавления промежуточных обкладок таким образом, чтобы фактически образовалась цепь последовательно соединенных конденсаторов (рисунок 2). Однако емкость при этом уменьшается в той же степени.

Рис. 2. Увеличение номинального напряжения введением дополнительного электрода

В таблице 2 показаны еще несколько вариантов комбинации диэлектрика и электродов, применяемых производителем при производстве пленочных конденсаторов, и наименования семейств, выполненных по этим технологиям. Расшифровка условных обозначений показана на рисунке 3.

Таблица 2. Варианты чередования слоев диэлектрика и с различными видами и формами электродов пленочных конденсаторов

CL23, CL25, CL21, CL20, CBB20, CBB21, MKP62, MKP64	CBB81	CL21, CBB21, MKT61	CBB13	MKP65, MKP63
				–
	MMKP82	MMKP82, MMKP84	MMKP84

Рис. 3. Расшифровка условных обозначений к таблице 2

Превышение значения номинального напряжения приводит к электрическому пробою конденсатора. Однако отличительной способностью пленочных конденсаторов, электроды которых выполнены методом осаждения на пленку диэлектрика металла из газообразной фазы, является самовосстановление после пробоя. Изолированное состояние восстанавливается в результате мгновенного окисления участка пробитого электрода. Повысить надежность позволяет и технология нанесения электродного слоя не равномерно, а отдельными участками, соединенными между собой тонкими полосками-перемычками (рисунок 4). При пробое они разрушаются и отключают поврежденную область.

Рис. 4. Два варианта сегментной металлизации пленки

К выходу конденсатора из строя может привести не только перенапряжение, но и слишком высокая скорость нарастания (dV/dT) импульсного напряжения.

Тепловой коэффициент емкости (ТКЕ) определяет, как изменяется емкость конденсатора при повышении или понижении его температуры. В зависимости от материала пленки, температурный коэффициент может быть отрицательным, положительным либо незначительным. Последний вариант может достигаться за счет использования как PPS, так и комбинаций различных материалов, компенсирующих друг друга.

Частотные характеристики так же, как и температурный коэффициент, оказывают влияние на емкость конденсатора. На рисунке 5 показан сравнительные графики ТКЕ и частотных характеристик полиэфирных и полипропиленовых конденсаторов.

Рис. 5. Влияние частоты напряжения и температуры на емкость конденсатора

Частота напряжения влияет не только на емкость. Высокочастотный ток и пульсации приводят к саморазогреву конденсатора на 5…10°C, что сужает диапазон максимально допустимой температуры эксплуатации. Нагрев связан с потерями мощности из-за неидеального отношения активной мощности конденсатора к реактивной, которое выражается через тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ или tanδ). Чем он ниже, тем меньше потеря энергии и, соответственно, нагрев. Повышение частоты тока увеличивает tgδ, для полипропиленовых конденсаторов эта зависимость наименее выражена (рисунок 6).

Рис. 6. Влияние частоты и температуры на тангенс угла диэлектрических потерь конденсатора

В большинстве случаев именно tgδ указывается как параметр, характеризующий потери в пленочном конденсаторе, в отличие от ESR для электролитических.

Глядя на графики, изображенные на рисунках 5 и 6, можно сделать вывод, что полипропиленовый конденсатор значительно лучше полиэфирного, однако это не совсем так. Конденсаторы этих типов вполне справедливо делят рынок поровну между собой, так же, как преимущества и недостатки (таблица 3).

Таблица 3. Сравнение конденсаторов PET и PP

Изменение температуры влияет и на сопротивление диэлектрика (рисунок 7), в результате чего меняется значение тока утечки. Как правило, сопротивление изоляции применяется к конденсаторам с малой емкостью (менее 0,33 мкФ). Для конденсаторов с большей емкостью используется понятие постоянной времени, выраженной в секундах и являющейся произведением значений сопротивления изоляции и емкости.

Рис. 7. Зависимость сопротивления изоляции от диэлектрика

В процессе эксплуатации конденсатора происходит его старение. Накопление влаги и усадка материалов приводят к некоторой деградации, в частности, начинаются изменения коэффициента диэлектрических потерь и сопротивления изоляции. Для минимизации этого в некоторых случаях используется более герметичный корпус. При номинальном постоянном напряжении и температуре 70°C ожидаемый срок службы пленочного конденсатора составляет около 100 000 часов. С помощью графиков, изображенных на рисунке 8, можно примерно оценить срок жизни пленочного конденсатора при различных условиях эксплуатации.

Рис. 8. Коэффициенты изменения срока службы конденсатора в зависимости от температуры и напряжения

Если предположить, что конденсатор будет эксплуатироваться при температуре 60°C и с напряжением 80% от номинального значения, ожидаемый срок его службы возрастет в 20 раз. И даже с учетом того, что подобные расчеты могут быть неточными, срок службы пленочного конденсатора многократно превышает вероятное время существования устройства, в котором он используется. В то же время превышение температуры и напряжения может существенно ограничить срок работы конденсатора вплоть до нескольких часов, если взять худшие значения из вышеприведенных графиков.

Однако если качество изготовления конденсаторов неудовлетворительно, например, контроль за наличием примесей в пленке диэлектрика недостаточен, прогнозировать надежную работу и ожидаемые параметры конденсатора вряд ли возможно даже с учетом всех вышеприведенных факторов. Поэтому выбор производителя компонентов не менее важен, чем подбор самого компонента. Компания КОМПЭЛ тщательно подходит к возможности сотрудничества с тем или иным производителем и предлагает продукцию лучших из них.

Пленочные конденсаторы Hongfa

Китайская компания Hongfa Technology начала свою деятельность в 1984 году и стала первой в КНР компанией, сертифицированной в соответствие UL в области электроники. Hongfa имеет собственные научный центр и лабораторию, а штат превышает 15 тысяч сотрудников. Компания производит несколько видов продукции и больше известна своими электромеханическими реле. Ассортимент пленочных конденсаторов представлен компонентами следующих категорий:

• общего применения для установки на печатную плату (рисунок 9) с изготовлением на основе полиэфирной и полипропиленовой пленок (таблица 5);
• для силовой электроники с установкой на печатную плату или шасси (рисунок 10).

Рис. 9. Внешний вид пленочных конденсаторов Hongfa для установки на PCB

Сокращения, используемые в таблицах далее:

• MП – металлизированная пленка;
• Ф – фольга;
• БИН – безиндуктивный (обычно безиндуктивная намотка);
• ЛК – ламинированная (многоуровневая) конструкция;
• PET – полиэтилентерефталат (полиэфир, полиэстер);
• BoPET – майлар (лавсан);
• PP – полипропилен;
• PEN – полиэтиленнафталат;
• THB – Temperature humidity bias, стабильность параметров при тяжелых температурных условиях и влажности.

Таблица 5. Пленочные конденсаторы HongfA общего применения для установки на PCB

Пленочные конденсаторы Hongfa для силовой электроники:

• помехоподавляющие X- и Y-конденсаторы (таблица 6);
• для понижения напряжения (деления) последовательным включением в сеть переменного тока (таблица 7);
• фазосдвигающие для однофазных электродвигателей (таблица 8);
• сглаживающие (DC-Link) в цепях постоянного тока (таблица 9);
• снабберные для силовых ключей (таблица 10);
• для AC-фильтров сетей переменного тока (таблица 11).

Рис. 10. Внешний вид пленочных конденсаторов Hongfa для силовой электроники

Таблица 6. Помехоподавительные пленочные конденсаторы Hongfa для сети переменного тока

Таблица 7. Пленочные конденсаторы Hongfa для понижения напряжения (емкостные делители, балластные цепи)

Таблица 8. Пленочные конденсаторы Hongfa для электродвигателей переменного тока

Таблица 9. Сглаживающие пленочные конденсаторы постоянного тока (DC—Link) производства Hongfa

Таблица 10. Пленочные конденсаторы Hongfa с установкой на шасси для снабберных цепей

Таблица 11. Пленочные конденсаторы Hongfa для AC-фильтров сетей переменного тока

Если внимательно изучить номенклатуру конденсаторов Hongfa, то можно заметить некоторые совпадения в наименованиях семейств продукции других производителей. И это не случайно: данные конденсаторы схожи не только по названиям, но и по электрическим характеристикам, а также областям применения.

Продукция JB CAPACITORS

Китайская компания JB Capacitors была создана в 1980 году на острове Тайвань, но через несколько лет производственные, административные, научно-исследовательские мощности и отделы разработки были перемещены на материк. Производитель специализируется в основном на конденсаторах, но не ограничивается пленочными. В ее номенклатуре присутствуют керамические, электролитические, подстроечные и танталовые конденсаторы, а также суперконденсаторы. Пленочные конденсаторы компания выпускала изначально, а в 2015 году открыла производство конденсаторов для High-End-аудиоаппаратуры.

Внешний вид конденсаторов JB Capacitors для установки на печатную плату показан на рисунке 11. В устройствах общего назначения используются металлизированные пленки:

• полиэфирная (таблица 12);
• полипропиленовая (таблица 13).

Рис. 11. Внешний вид пленочных конденсаторов JB Capacitors общего назначения для установки на PCB

Таблица 12. Пленочные металлизированные полиэфирные конденсаторы JB Capacitors общего назначения

Таблица 13. Пленочные металлизированные полипропиленовые конденсаторы JB Capacitors общего назначения

В таблицах 14 и 15 приведены несколько семейств пленочных конденсаторов производства компании JB Capacitors (рисунок 12). Они предназначены для использования в первичной сети 100…240 В AC в для понижения напряжения путем последовательного включения, а также в качестве компонентов X- и Y-фильтров.

Рис. 12. Внешний вид пленочных конденсаторов JB Capacitors для работы с сетью переменного тока

Таблица 14. Пленочные металлизированные полипропиленовые конденсаторы JB Capacitors для понижения напряжения (емкостные делители, балластные цепи)

Таблица 15. Помехоподавительные пленочные конденсаторы JB Capacitors для сети переменного тока

Для запуска и работы однофазных двигателей переменного тока компания JB Capacitors предлагает семейство пленочных конденсаторов JFS различной конструкции (рисунок 13). В таблице 16 в скобках дополнительно даны наименования семейств. 

Рис. 13. Внешний вид пленочных конденсаторов JB Capacitors для электродвигателей переменного тока

Таблица 16. Пленочные конденсаторы JB Capacitors для электродвигателей переменного тока

Среди конденсаторов JB Capacitors для силовой электроники есть высоковольтное семейство JFS-30, внешний вид которого показан на рисунке 14. Эти конденсаторы способны надежно и стабильно работать с высоким напряжением (до 3 кВ) переменного тока в течение длительного времени. Они применяются в промышленности, микроволновых печах и так далее. Композитная диэлектрическая структура JFS-30, полученная методом масляной иммерсии, обеспечивает малые диэлектрические потери и высокую точность емкости, диапазон которой составляет 0,5…1,4 мкФ. Рабочая температура находится в пределах -10…85°C.

Рис. 14. Пленочный конденсатор JFS-30

Также JB Capacitors выпускает ряд семейств конденсаторов для High-End-аудиоаппаратуры(таблица 17). Среди их достоинств можно отметить не только высокое качество, но и внешний вид, положительно сказывающийся на дизайне устройств (рисунок 15).

Рис. 15. Пленочные конденсаторы JB Capacitors для High-End-аудиоаппаратуры

Таблица 17. Пленочные полипропиленовые конденсаторы JB Capacitors для аудиоаппаратуры

Первые пленочные конденсаторы появились в середине XX века. Несмотря на такой внушительный «возраст», а также на появление новых технологий производства и материалов, обычные пленочные конденсаторы практически не сдают своих позиций, их востребованность не уменьшается. Эти простые компоненты используются в большинстве областей электроники, и от них зависит надежность работы невероятного разнообразия устройств. Продукция компаний Hongfa и JB Capacitors, представленная в статье – это не только еще несколько вариантов конденсаторов, поставки которых гарантированы в нынешних условиях рынка, но и залог качественной, надежной и долговечной работы оборудования.

Дополнительную информацию об условиях поставки, технических характеристиках, особенностях применения пленочных конденсаторов Hongfa и JB Capacitors можно получить, сделав запрос специалистам КОМПЭЛ.