Пленочные конденсаторы (от англ. «film capacitors») – сленговое название впечатляюще емкого сегмента конденсаторных устройств (capacitor unit) многослойной (Multi-Layer) конструкции, в который правомерно включать фольговые (metal-foil), металлизированные (с металлизированным диэлектриком - metallized dielectric), фольгово-металлизированные (комбинированные) конденсаторы на базе диэлектрика из бумаги и/или полимерной пленки, а также многослойные керамические конденсаторы (Multi-Layer Ceramic Capacitors - MLC) с толщиной слоя диэлектрика на уровне 0.5 мкм (0.0005 мм) и технологическим процессом производства, сходным с технологией изготовления конденсаторов с диэлектриком из бумаги/полимерной пленки (Multilayer-film technology).
Рис. (нажмите, чтобы увеличить) Технологии изготовления многослойных пленочных конденсаторов с диэлектриком из полимерной пленки (слева) и керамической фольги (ceramic foil – в центре) и многослойный керамический конденсатор (справа)
В сравнении с типовыми электролитическими конденсаторами (Aluminum Electrolytic Capacitors – AlEC) многослойные пленочные конденсаторы с диэлектриком полимерной пленкой (Multi-Layer Polymer Capacitors – MLPC) и диэлектриком из керамической (SiO2) пленки (фольги) (Multi-Layer Ceramic Capacitors – MLCС) имеют ряд преимуществ.
Так, при достаточно большой емкости, плотности энергии и низкой себестоимости (см. рис. выше) Aluminum Electrolytic Capacitors имеют самое низкое эквивалентное последовательное сопротивление ESR, коэффициент рассеяния (Dissipation factor – DF), большие потери активной мощности и низкую надежность. В то же время Multi-Layer Ceramic Capacitors характеризуются высокими рабочими температурами (до 200°C), широкой амплитудой частот, небольшим размером, но очень дорогие и чувствительны к механическим нагрузкам, в том числе возникающим из-за температурных напряжений. Многослойные пленочные конденсаторы с диэлектриком полимерной пленкой характеризуются сбалансированными рабочими характеристиками при работе в сетях высокого (выше 500 В) напряжения, оптимальной стоимостью, емкостью, ESR, надежностью, но несколько ограничены в применении из-за невысоких рабочих температур (максимальная с диэлектриком из полиэтиленнафталата и полифениленсульфида 150°C, для полипропилена 105°C).
Таблица. Параметры и различия отказов электролитических, многослойных керамических и многослойных пленочных конденсаторов с диэлектриком из полимера.
| Тип конденсатора | Режим отказа | Механизм отказа | Параметры отказа |
|---|---|---|---|
| Aluminum Electrolytic Capacitors | Разомкнутая цепь | - Самовосстанавливающийся пробой диэлектрика; - Разъединение соединения. |
Vс, Ta, iс; Вибрация |
| Короткое замыкание | - Диэлектрический пробой окисного слоя | Vс, Ta, iс; Ta, iс |
|
| Критическое снижение параметров (C, ESR, tanδ, I(LC), Rp) | - Парообразование электролита; - Электрохимическая реакция (например, деградация слоя оксида). |
Vс; | |
| Multi-Layer Polymer Capacitors | Разомкнутая цепь (типично) | - Самовосстанавливающийся пробой диэлектрика; - Температурная нестабильность диэлектрика; - Деструкция электродного слоя из-за окисления. |
Vс, Ta, dVC/dt Та, Ic Влажность |
| Короткое замыкание | - Диэлектрический пробой пленки; - Пробой диэлектрика сверхтоками; - Абсорбция влаги диэлектриком. |
Vс, Ta, dVC/dt Та, Ic Влажность |
|
| Критическое снижение параметров (C, ESR, tanδ, I(LC), Rp) | - Диэлектрические потери. | Vс, Ta, iс, влажность | |
| Multi-Layer Ceramic Capacitors | Короткое замыкание | Диэлектрический пробой Растрескивание |
Vс, Ta, iс, вибрации |
| Критическое снижение параметров (C, ESR, tanδ, I(LC), Rp) | Окисное миграция вакансий; диэлектрический пробой; деградация изоляции; микротрещины | Vс, Ta, iс, вибрации |
Формализация терминологии пленочных конденсаторов в отечественных стандартах.
Действующая редакция ГОСТ 21415-75 «Конденсаторы. Термины и определения» формализовала пленочные конденсаторы, как конденсаторную сборку из нескольких конденсаторов (или единичный конденсатор) в одном корпусе с диэлектриком из органической синтетической пленки (полистирола, фторопласта, полиэтилентерефталата, поликарбоната, полипропилена), что по факту было недостаточно информативно и не гармонично с международными техническими регламентами и стандартами. Первая и не вполне удачная попытка гармонизировать отечественную терминологию с международной была предпринята в ГОСТ Р МЭК 60252-1—2005 «конденсаторы для двигателей переменного тока», где в пп. 1.3.3 – 1.3.5 ввели термины/обозначения металлофольгового конденсатора (metal foil capacitor) с разделенными диэлектриком электродами из металлической фольги (или полосок), металлизированного конденсатора (metallized capacitor) с электродами в виде осажденного на диэлектрике металла и самовосстанавливающегося конденсатора (self-healing capacitor), электрические свойства которого после локального пробоя диэлектрика самостоятельно восстанавливаются.
Рис. Самовосстановление пленочного конденсатора с двухсторонней металлизацией диэлектрика, где: 1 – диэлектрик; 2 – диэлектрик с двухсторонним покрытием токопроводящим металлом; 3 – зона пробоя; 4 – «развязывающая» зона, заполненная расплавленным при коротком замыкании полимером.
Значительный шаг в формализации унифицированной международной терминологии в РФ был сделан Решением № 295 Коллегии Евразийской экономической комиссии (от 25.12.2012), утвердившим Программу по разработке (внесению изменений, пересмотру) межгосударственных стандартов, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований технического регламента Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС 004/2011), а также межгосударственных стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения требований технического регламента Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС 004/2011) и осуществления оценки (подтверждения) соответствия продукции.
В выполнение этой программы Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии были разработаны и введены в действие гармонизированные с международными техническими регламентами стандарты:
- ГОСТ IEC 61921-2013 «Конденсаторы силовые. Конденсаторные батареи для коррекции коэффициента мощности при низком напряжении»,
- ГОСТ IEC 60931-1-2013 «Конденсаторы шунтирующие силовые несамовосстанавливающегося типа для систем переменного тока на номинальное напряжение до 1000 В включительно. Часть 1. Общие положения. Рабочие характеристики, испытания и номинальные параметры. Требования техники безопасности. Руководство по установке и эксплуатации»,
- ГОСТ IEC 60931-3-2013 «Конденсаторы шунтирующие силовые несамовосстанавливающиеся для систем переменного тока с номинальным напряжением до 1000 В включительно. Част ь 3. Внутренние плавкие предохранители»,
- ГОСТ IEC 60931-2-2013 «Конденсаторы шунтирующие силовые несамовосстанавливающиеся для систем с переменным током и номинальным напряжением до 1000 В включительно. Часть 2. Испытание на старение и испытание на разрушение»,
- ГОСТ IEC 60110-1-2013 «Конденсаторы силовые для установок индукционного нагрева. Часть 1. Общие положения»,
- ГОСТ IEC 60143-2-2013 «Конденсаторы, включаемые последовательно, для энергосистем. Часть 2. Аппаратура защиты для последовательно включаемых конденсаторных батарей»,
- а также идентичный IEC 61071(2007) ГОСТ IEC 61071-2014 «Конденсаторы силовые электронные» (введен в действие с 01.01.2015 приказом N 640-ст Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии РФ), в котором формализованы ключевые параметры эксплуатационных свойств конденсаторов и даны определения:
- конденсаторного элемента (capacitor element) – устройство из двух, разделенных диэлектриком электродов;
- конденсаторного устройства (capacitor unit) – один или более конденсаторных элементов в одном общем контейнере (корпусе);
- конденсаторной батареи (capacitor bank) – нескольких конденсаторных устройств, объединенных и соединенных для совместной работы;
- конденсатора для силового электронного оборудования (capacitor for power electronics) – конденсаторного устройства для непрерывной работы на синусоидальном и несинусоидальном токе и напряжении;
- конденсатора на металлической фольге (несамовосстанавливающийся) (metal-foil capacitor (non-self-healing)) – конденсаторного устройства с разделенными диэлектриком электродами из металлической фольги (или полосок);
- самовосстанавливающегося конденсатора с металлизированным диэлектриком (self-healing metallized dielectric capacitor) – конденсаторного устройства, у которого по меньшей мере один электрод состоит из металлического напыления на диэлектрике;
Важно: По факту действующий с 1 января 2015 года ГОСТ IEC 61071-2014 нивелировал термин «комбинированные» конденсаторы с электродами – слоями фольги и покрытием из токопроводящего металла на диэлектрике, и сегодня любой конденсатор такого типа, как и конденсатор с электродом только в виде металлического покрытия на диэлектрике является самовосстанавливающимся конденсатором (конденсаторным устройством) с металлизированным диэлектриком.
- особой сегментной металлизированной конструкции (segmented metallization design) - с помещением слоя металла поверх диэлектрика в форме, позволяющей изолировать его небольшую часть в случае локального короткого замыкания/пробоя для восстановления полной работоспособности при крайне малой потере емкости;
- особой бессегментной металлизированной конструкции (special unsegmented metallization design) - с помещением слоя металла поверх диэлектрика в форме, позволяющей сохранить самовосстанавливающиеся свойства при работе на напряжении и гарантирующая работоспособность при крайне малой потере емкости и т.д.
Справка: Согласно ГОСТ IEC 60252-1-2011: металлофольговый конденсатор (metal foil capacitor) имеет электроды из металлической фольги или полосок, разделенных диэлектриком; металлизированный конденсатор (metallized capacitor) имеет электроды - металл, осажденный на диэлектрике; самовосстанавливающийся конденсатор (self-healing capacitor) отличается быстрым и самостоятельным восстановлением электрических свойств после пробоя диэлектрика. Согласно ГОСТ IEC 61921-2013 конденсаторная батарея переменного тока (а.с. capacitor bank) - комбинация одной или более конденсаторных сборок шунтирующих конденсаторных устройств совместно с ассоциированными с ними коммутационными устройствами и оборудованием (контроля, измерения, сигнализации, защиты, регулировки и т. д.), полностью собранная под ответственность изготовителя со всеми внутренними электрическими и механическими коммутациями.
Важно: Согласно ГОСТ IEC 61921-2013 в маркировке конденсаторной батареи должны присутствовать: имя или торговая марка изготовителя; идентифицирующий номер или обозначение типа; дата изготовления в непосредственной или кодовой форме; значение номинальной реактивной мощности в киловарах (кВАр); значение номинального напряжения в вольтах (В); значение номинальной частоты в герцах (Гц); значения минимальной и максимальной окружающей температуры в градусах Цельсия (*С); данные о степени защиты; значение выдерживаемого усилия при коротком замыкании в амперах (А).
Фольговые и металлизированные конденсаторы с диэлектриком из бумаги и/или полимерной пленки.
Фольговые и металлизированные, в том числе фольгово-металлизированные (металлизированные согласно ГОСТ IEC 61071-2014) конденсаторы с диэлектриком из бумаги и/или полимерной пленки классифицируются по:
- конструктивному исполнению (форм-фактору) на конденсаторы с SMD (Surface-mount - поверхностного монтажа), аксиальным (осевым), радиальным и индивидуальным (Customized) вводом/выводом контактов;
- диэлектрику (согласно DIN 41 379 и семейства технических регламентов DIN IEC 60384) на типы, представленные в таблице ниже.
Таблица. Классификация типов фольговых и металлизированных конденсаторов с диэлектриком из бумаги и/или полимерной пленки по материалу диэлектрика.
| Диэлектрик | Международная аббревиатура диэлектрика (и торговая марка/бренд производителя пленки) | Тип конденсатора по европейским техническим регламентам и DIN 41379 | ||
|---|---|---|---|---|
| Фольговые (Folkos, foil) | Металлизированные с электродом – покрытием на диэлектрике (Мetallized) | Металлизированные с электродами – фольгой и покрытием на диэлектрике (Мetallized + metal foil) | ||
| Бумага (Papier) | Р | (F) | МР | нет |
| Полиэтилентерефталат, полиэстер (Polyethylenterephthalat, Polyester) | PET (Hostaphan®, Mylar®) | (F)KT | MKT; MKS | MFT |
| Полиэтиленнафталат (Polyethylennaphtalat) | PEN (Kaladex®) | (F)KN | MKN | Не формализовано |
| Полиэтиленсульфид (Polyphenylensulfid) | PPS (Torelina®) | (F)KI | MKI | Не формализовано |
| Полипропилен (Polypropylen) | PP (Treofan®) | (F)KP | MKP | MFP |
| Полистирол (Polystyrol) | PS (Styroflex) | KS | Не формализовано | |
| Ацетат целлюлозы (Celluloseacetat) | CA | (F)KU | MKU | Не формализовано |
| Поликарбонат (Polycarbonat) | PC (Makrofol®) | (F)KC | MKC | Не формализовано |
| Многослойные со смешанным (Misch-Dielektrika) диэлектриком (металлизированной бумагой и полимером) | Р и РР (но в основном с полипропиленом) | -- | -- | MKV (с металлизированной с двух сторон бумагой), MPK (с металлизированной с одной стороны бумагой) |
Примечание: Иные обозначения типов пленочных конденсаторов не формализованы, некорректны и de jure не должны использоваться. Все металлизированные конденсаторы по умолчанию являются самовосстанавливающимися.
Таблица. Свойства диэлектриков пленочных конденсаторов.
| Свойства | Материал диэлектрика | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| PET | PEN | PPS | PP | ||
| Диэлектрическая проницаемость при 1 кГц | 3,3 | 3,0 | 3,0 | 2,2 | |
| Минимальная толщина пленки, мкм | 0,7 | 0,9 | 1,2 | 3,0 | |
| Поглощение влаги, % | низкое | 0,4 | 0,05 | <0,1 | |
| Электрическая прочность, В / мкм | 580 | 500 | 470 | 650 | |
| Номинальное напряжение (для сети постоянного тока), В | 50 ... 1000 | 16 ... 250 | 16 ... 100 | 40 ... 2000 | |
| Максимальный рабочий диапазон емкости | 100 пФ ... 22 мкФ | 100 пФ ... 1 мкФ | 100 пФ ... 0.47мкФ | 100 пФ ... 10 мкФ | |
| Максимальная рабочая температура, ° C | 125/150 | 150 | 150 | 105 | |
| Потери емкости (ΔC/C) в диапазоне температур, % | ± 5 | ± 5 | ± 1,5 | ± 2,5 | |
| Тангенс угла диэлектрических потерь (× 10 -4 ) | при 1 кГц | 50 ... 100 | 42 ... 80 | 2 ... 15 | 1 ... 5 |
| при 10 кГц | 110 ... 150 | 54 ... 150 | 2.5 ... 25 | 2 ... 8 | |
| на частоте 100 кГц | 170 ... 300 | 120 ... 300 | 12 ... 60 | 2 ... 25 | |
| при 1 МГц | 200 ... 350 | - | 18 ... 70 | 4 ... 40 | |
| Постоянная времени R Iso • C, сек | при 25 ° C | ≥ 10000 | ≥ 10000 | ≥ 10000 | ≥ 100,000 |
| при 85 ° C | 1000 | 1000 | 1000 | 10000 | |
| Диэлектрическая абсорбция, % | 0,2 ... 0,5 | 1 ... 1,2 | 0,05 ... 0,1 | 0,01 ... 0,1 | |
| Макс спец. емкость, нФ * В / мм³ | 400 | 250 | 140 | 50 | |
Все пленочные конденсаторы с полимерным диэлектриком в зависимости от форм-фактора выпускаются по двум разновидностям одной базовой MLP (Multilayer Polymer) технологии – Winding-film technology (намотка в рулон с последующей разрезкой рулона на отдельные части мерных длин) или Stacked-film technology (вырезка из рулона отдельных сегментов).
Рис. Производство пленочных конденсаторов с полимерным диэлектриком по Winding-film technology
Рис. (слева направо) Производство пленочных конденсаторов с полимерным диэлектриком по Stacked-film technology, формирование контактов вывода/ввода.
Пленочные конденсаторы производства завода "Нюкон"
Имея более чем 15 летний опыт производства конденсаторов по технологии сухой металлизированной пленки, компания Нюкон достигла выдающихся в Российской Федерации успехов в вопросе качества и надежности выпускаемой продукции. Для производства конденсаторов применяется только высокотехнологичное оборудование и качественные материалы, большая часть технологических операций производства автоматизирована.
Исходные материалы и сырье проходят процедуру входного контроля, а после завершения каждой технологической операции контроль на соответствие параметров полуфабрикатов или готовой продукции. Завершается производство финальным тестированием каждой единицы выпускаемой продукции в соответствии с положениями международных электротехнических стандартов на конденсаторы МЭК 60252, 60831, 61048, 61071, 61881.
Реализация данных мер позволяют конденсаторам компании "Нюкон" стоять в одном ряду с конденсаторами ведущих европейских производителей не уступая им по техническим параметрам и надежности, но существенно выигрывая в цене.
Продукция завода представлена обширной линейки серийно выпускаемой продукции всех типов конденсаторов:
- светотехнические;
- моторные;
- конденсаторы коррекции коэффициента мощности;
- конденсаторы силовой электроники.
При этом, компания "Нюкон", обладая собственным мощным проектным и конструкторским отделами, также выполняет проектирование и производство конденсаторов по индивидуальному техническому заданию Заказчика, и имеет возможность предоставить бесплатные образцы конденсаторов своим Партнерам для их испытаний в составе разрабатываемого Партнерами изделия.
За свою 15 летнюю историю компания "Нюкон" многократно и успешно участвовала в проектах по разработке и изготовлению конденсаторов специального применения.