4348 подписчиков

Про конденсаторы. И зачем там приставка супер?

30 декабря 202130 дек 2021

275

15 мин

Оглавление

Конденсатор
Воздушные конденсатор
Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Изначально я планировал написать статью только про ионисторы (суперконденсаторы), но получилось вообще про все конденсаторы, а не только про супер. Для того что бы понять принцип, особенности работы, строения ионисторов нужно вспомнить о обычных конденсаторах, принципах их работы и их типах. Поэтому, прежде чем говорить о суперконденсаторе мы поговорим и вспомним о обычном конденсаторе и в большей степени о электролитическом конденсаторе так как именно он, из обычных конденсаторов, обладает наибольшей емкостью.

Конденсатор

Конечно, мы прекрасно помним, что он состоит из двух обкладок разделенных диэлектриком. При подключении этих самых обкладок к источнику постоянного тока в них накапливается заряд на одной обкладке плюс, а на другой минус. Способность вместить заряженные частицы называется электрической ёмкость, чем она больше чем больший заряд способен накопить конденсатор. Электрическая ёмкость измеряется в Фарадах (Ф, F) - 1 фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между его обкладками напряжение 1 вольт: 1 Ф = 1 Кл / 1 В.

Из рисунка выше понятно, что электрическая емкость прямо пропорциональна площади обкладок, диэлектрической проницаемости и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Все это выражается формулой она похожа на формулу выше, но применяется для простого плоского конденсатора:

или

С = (ε x ε0 x S)/d

где:

С — емкость конденсатора, ф
ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика
ε0 — диэлектрическая постоянная, ф/м (значение равняется 8, 854 × 10-12 ф/м)
S — площадь самой наименьшей пластины, м2
d — расстояние между пластинами, м
Площади обкладок (S)

Чем больше площадь обкладок тем больше емкость, именно поэтому обкладки в конденсаторах сворачивают рулоном, а в некоторых других случаях прибегают к другим ухищрением и о них ниже.

Расстояние между пластинами, обкладками (d)

Чем оно меньше тем лучше, тем больший заряд вместит конденсатор

Напряжение (U)

Исходя из самого определения Фарада, емкость зависит от напряжения, чем оно выше тем больше емкость.

Диэлектрическая проницаемость среды диэлектрика (ε)

Относительная диэлектрическая проницаемость среды ε это безразмерная физическая величина, относительная потому как рассчитывается по отношению к диэлектрической проницаемости в вакууме где она равна единице. Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме, т. е. отталкиваются от вакуума где диэлектрическая проницаемость равна единице

Так для:

Вакуума: 1.0;
Водорода: 1,00026;
Углекислый газа: 1,00099;
Воздух (760 мм рт. ст.): 1,00057;
Водяной пар: 1,0126;
Трансформаторное масло: 2,24;
Полиэтилен: 2,3;
Бумага конденсаторная: 2,5 - 2,55;
Целлулоид: 3,0;
Поваренная соль: 5,26;
Алмаз: 5,7;
Стекло: 5-16;
Текстолит: 7,5;
Кремний: 12,0;
Этиловый спирт: 26.8;
Вода: 81;
Титанат бария: 1400±250;

Очень важно какой материал применяется для изоляции обкладок от этого будет зависит собственно диэлектрическая проницаемость и расстояние между обкладками поэтому конденсаторы делятся на:

Воздушные конденсатор

Между пластинами нет диэлектрика, то есть он есть и это воздух. А что дешево! Можно сэкономить на диэлектрике. Чаще всего бывают переменной емкости.

Бумажные и металлобумажные конденсаторы

Бумага достаточно дешева поэтому ее и используют в качестве диэлектрика, а еще на бумагу можно напылить слой металла получится металлобумажный конденсатор.

Пленочные конденсаторы

Вместо бумаги можно использовать пленку полиэстер, полипропилен, поликарбонат и так далее. И опять можно использовать пленку как диэлектрик, а можно использовать пленку как подложку для напыления металла.

Керамические конденсаторы

Многослойные и однослойные керамические конденсаторы, диэлектриком является керамика и на нее напыляют один или множество слоев металла.

Электролитические конденсаторы

И огромную группу я оставил напоследок так как о ней придется поговорить достаточно много. Инженерная мысль не стоит на месте, в один прекрасный момент решили, а почему бы не сделать один из электродов жидким? Сказано - сделано! Один электрод остался, а роль другого выполняет раствор проводящий ток - электролит. Самое простое и дешевое решение пропитать бумагу, что и делают. Поэтому в электролитических конденсаторах бумага является не диэлектриком как в бумажных, а по сути одной из обкладок (вернее каркасом - наполнителем), а роль диэлектрика выполняет оксид на металлической пленки (оксид алюминия или тантала). Схематически строение электролита, так называют электролитические конденсаторы вы можете видеть ниже.

Строение электролитического конденсатора

Итак, классический и самый распространённый электролитической конденсатор состоит из алюминиевых лент с обязательной оксидной пленкой, между которых проложена бумага пропитанная специально подобранным электролитом который выполняет роль одной из обкладок зазор получается минимальным, а значит возрастает емкость. Кроме того электролит способен "вылечивать" минимальные повреждение оксидной пленки. В связи с односторонней проводимостью оксидной пленки подключать такие конденсаторы нужно строго соблюдая полярность поэтому и называются они полярные. Если вы подключите их неправильно выйдет белый дым и все престанет работать! Только настоящий электронщик знает, что электрического тока нет, а есть только белый дым и если его выпустить, все, электроника перестает работать!

Формовка

Из рисунка выше понятно, что оксидный слой тонкий с одной стороны это хорошо так как емкость конденсатора увеличивается, но с другой стороны вероятность его повредить больше и понятное дело, это плохо. Причем повреждается этот тонкий оксидный слой может просто от времени, конденсатор просто лежит в коробке - время идет, а он постепенно выходит из строя, кстати довольно распространённое явление. В этом случае можно попытается сформировать новый оксидный слой - разбудить конденсатор и этот процесс называется формовка . В процессе формовки нечего магического нет, он представляет собой обычный электролиз. После формовки параметры конденсатора могут восстановится, но в том случае если не испарился весь электролит, если электролита нет или он не в жидкой фазе - высох, тогда формовка не поможет. В дальнейшем аппаратура периодически включается в сеть, и конденсаторы периодически подформовываются (тренируются, самовосстанавливаются), сохраняя тем самым свои свойства.

Электролит

Как мы видим у электролитических конденсаторов есть одно свойство которое их роднит с аккумуляторами, это наличия электролита. Но на этом сходство заканчивается, нужно понимать важное отличие - в аккумуляторе энергия запасается при протекании химических реакций, в конденсаторе энергия запасается при протекании физический явлений. В качестве электролита в конденсаторах используют сложные многокомпонентные составы из солей и кислот, а началось все с обычного раствора буры, в России еще использовали соду. А вот примеры современных рецептов электролита для оксидного алюминиевого конденсатора (мас. %):

Рецепт №1

вода 6,5 -31,8;
себациновая кислота 1,6-7,9;
аммиак 0,5-1,8 и этиленгликоль - остальное.

Рецепт№2

Диметилформамид 40,6-79,9;
Этиленгликоль 6-40;
Малеиновая кислота 6-8;
Адипиновая кислота 0,5-1,0;
Фосфорновольфрамовая кислота 0,1-0,4;
Бура 0,5-1,0;
Диэтиламин 7-9

В начале 2000-х годов электронный мир поразила так называемая "конденсаторная чума” Массово стали вздуваться электролитические конденсаторы при нормальных режимах роботы, происхождение этой чумы неправильно подобранные ингредиенты электролита. Согласно легенде в 2001 году некий китайский ученый, ухитрился выкрасть секретную формулу новейшего электролита у японцев. И все бы ничего, да только украденная формула оказалась неполной и конденсаторы, заправленные недоделанным электролитом, разрушаются под действием скопившегося внутри водорода, выводя из строя материнскую плату”.

Так как электролитический конденсаторы содержат электролит, а герметичность очень сложно обеспечить, параметры получатся не совсем стабильны еще с завода, а еще они изменяются со временем, даже если устройство не работает. Поэтому рекомендуется создавать запас по номинальному напряжению до 0,5-0,6 его величины. А это значить если нужно, к примеру, поставить конденсатор на фактическое напряжение 5 вольт нужно выбрать реальный конденсатор на 7,5-8 вольт.

Таким образом положительные и отрицательные стороны "электролитов" будут:

Положительные стороны

Возможность запасать больший заряд, а значит иметь большую емкость.
Дешевое производство, бумага, электролит и алюминий с оксидной пленкой стоят дешево (не особо это видно по ценам из магазинов)

Отрицательные стороны

полярность;
высокий ток утечки (не подойдут для длительного хранения заряда)
Емкость уменьшается с ростом частоты (пульсирующего тока), но эта проблема решается установкой на платах параллельно электролитическому конденсатору еще и керамического конденсатора сравнительно небольшой емкости, обычно в 10000 меньшей, чем у стоящего рядом электролитического.
деградация, со временем электролит деградирует;
возможность разрушение при нагреве электролит вскипает, иногда это вызывает взрывное разрушение

Для того что бы нивелировать отрицательные стороны изобрели разные варианты. Так например, для защиты от взрывного разрушения, что бы колба конденсатора не разорвалось в неположенном месте при вскипание электролита, сделали запрограммированное послабление конструкции - насечки на торце конденсатора в виде буквы "X" или "Y" именно там он и рвется выпуская тот самый белый дым. Некоторые производители и изобретатели пошли кардинально другим путем в модификациях.

Танталовые конденсаторы.

Заменили алюминий на тантал (ниобий), а диэлектрический слой образовали из пентаоксида тантала (Ta2O5). Кроме того сам положительный электрод (анод) представлен пористой губкой тантала или ниобия, что значительно увеличивает площадь, Поверхность этих металлов покрыта оксидными плёнками так же как и в алюминиевом электролитическом конденсаторе. Второй, отрицательной обкладкой электролитического конденсатора служит тот же жидкий электролит, но в данном случае придумали еще и твёрдый электролит на основе диоксид марганца, что позволило решить проблемы описанные выше.

Полимерные конденсаторы

Электролит в данном случае заменили на проводящий полимер т. е. по сути электролит из жидкого стал твердым или гелеобразным.

Сочетание технологий.

Так же используют различные сочетания этих технологий например используют полимерный электролит с танталовым анодом. Или используют полимерный электролит в сочетании с жидком электролитом, короче чего только не придумают для увеличение емкости и вот мы дошли до суперконденсатора.

Ионистор (суперконденсатор, ультра конденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор, EDLC)

EDLC расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor, или конденсатор с двойным электрическим слоем. И у него на самом деле двойной слой, а сделан он из ~~березовог~~о активированного угля и ~~липового меда~~, электролита, но давайте подробнее. Далее я буду пользоваться терминами ионистор или суперконденсатор все остальные сложные, длинные и труднопроизносимые. Ученые думали, думали и придумали как сделать конденсатор более емким. А почему бы вообще не отказаться от жёстких металлических электродов. Давайте, решили они, сделаем больше обкладок, причем одни будут пористые как губка с огромной площадью соприкосновения, а другие вообще жидкие. Тогда расстояние (d см. выше) между ними будет практически равно нулю (на самом деле нет), а емкость будет ну просто огромной.

В качестве пористых обкладок использовали пористый углерод. Углерод может использоваться в различных аморфных состояниях, в качестве:

активированного угля;
углеродных нанотрубок;
графенов;
полученный путем обработки карбидов;
на цеолитовой подложке;
углерод с луковичной структурой.

Различные пространственные формы углерода.

В отличии от аккумулятора электролит в данном случае не участвует в химической реакции, а является только носителем заряженных частиц.

Электроды все же есть но служат они не столько для накопления заряда на пластинах которых нет, а для распределите заряженных частиц электролита в пористой структуре электрода.

Электролиты представлены:

1) водными растворами
2) органические электролиты
3) ионные жидкости

Наиболее доступны водные электролиты они представлены H2SO4 (серная кислота), КОН щелочь, гидроксид калия (пищевая добавка E525.), NaCl (пищевая соль) и другие (LiCl, Li2SO4 и LiClO4, Na2SO4 и NaNO3, KCl, K2SO4 и KNO3, Ca(NO3)2, MgSO4), Na2SO4)

Или вот рецепт электролита (вес.%)

сульфатов щелочных металлов из группы Li, Na, K 5-10;

бензотриазол 0,1-1,0;

вода – остальное;

Емкости таких конденсаторов ввиду описанных выше ухищрений получаются огромными это именно целые значения Фарад и это очень непривычно, учитывая то что всегда учили в школе: "Фарад огромная емкость не доступна простому человеку, на практике применяются микрофарады", так в самом деле и есть, вернее было см. емкости электролитических конденсаторов

Емкость

Типичная емкость ионистора равна уже не мкФ(микрофарадам), а просто фарадам.

Для сравнения:

Ёмкость Земли (шара размером с Землю, как уединённого проводника) составляет всего около 710 мкФ (по другим расчетом около 1000мкФ)
Ёмкость солнца будет порядка 77000 мкФ
1 Ф = Ёмкости 13 радиусам Солнца (если Солнце принять за уединённый металлический шар)

Максимальная доступная емкость на момент написания статьи порядка 12000 Ф

Классификация

Суперконденсаторы по принципу работы делятся

Конденсаторы с двойным электрическим слоем
Гибридные конденсаторы (псевдоконденсаторы)

Выше мы описывали конденсаторы с двойным электрическим слоем это настоящий конденсатор по всем признакам, но изобретатели пошли дальше и соединили два типа сохранения заряда на основе физических принципов разделения заряда и химических реакций подобных тем которые протекают в аккумуляторах, таким образом емкость еще больше увеличивается называются такие конденсаторы гибридные или псевдоконденсаторы.

По форме:

Радиальная
Аксиальная
Призматическая
Овальная

По типу выводов:

H - горизонтальные
V - вертикальные.

История

А изобретен то он давно, больше 60 лет назад. В 1957 году фирмой General Electric патентован конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах. В 1966, фирма SOHIO USA запатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое. 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC. В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Золотой конденсатор». В СССР в 1978 году в журнале «Радио» № 5 появляется статья о ионисторах КИ1-1 они имели ёмкость от 0,1 до 50 Ф. 1982 год фирма PRI поставляет ионисторы с малым внутренним сопротивлением.

А что дальше?

А дальше как всегда стыки технологий пока не будет прорывной, новой технологии. Это гибриды конденсатор с аккумулятором, литий-ионные конденсаторы, в которых аноды из активированного угля покрываются ионами лития. Их ёмкость составляет тысячи фарад при напряжении в 2,7В.

Применение

В отличии от аккумулятора который является источником постоянной мощности суперконденсатор источник импульсной мощности. Он способен работать там где нужно отдать большую мощность за короткий срок, естественно в какой то степени, по крайне мере пока, он может заменить и аккумулятор.

Где можно использовать ионистор, вот что приходит на ум.

Электронные устройства в качестве источника питания. ИБП
Накопление энергии при помощи волн ветра и солнца наравне с аккумуляторами.
Транспорт (запуск двигателя машин, гибриды)

Нашел интересный график который показывает положение суперконденсаторов относительно других источников энергии. А именно ниже представлены зависимости удельной мощности от удельной энергии устройств, используемых для хранения электрической энергии.

Зависимости удельной мощности от удельной энергии устройств, используемых для хранения электрической энергии.

Достоинства

Крайне высокая плотность мощности.
Высокий КПД цикла (нет химических преобразований)
Высокая скорость заряда и разряда.
Допустимость разряда до нуля.
Относительно невысокая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 Фарад.
Огромное количество циклов заряд разряд, длительный срок службы.
Относительно небольшой вес.

Недостатки:

Относительно небольшая энергетическая плотность.
Саморазряд.

Практика

Но все это теория переходим к практике.

Ионисторы по сути неполярны, а значит их можно подключать как угодно, да все так, но не совсем! Все же на ионисторах нанесена маркировка правильного подключение и указаны «+» и «−», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе. При неправильном подключении ничего не произойдет, но емкость ионистора может быть меньше и увеличится саморазряд, так по крайне мере пишут. Кроме того ионисторы большой ёмкости имеют согласующую электронику которая заработает только при правильно подключенной полярности.

Вот что я нашел по подключению как и у электролитического конденсатора длинный вывод ножки это плюс (+)

Но у меня, например, длинна выводов абсолютно равная.

Тогда вот так на минус (-) указывает стрелка

Полярность выводов указываться направляющей стрелкой от анода, плюсу, (+) к катоду, минусу (-). Таким образом, еще раз стрелка указывает на минус.

Или по аналогии с электролитическим конденсаторами маркируется минусовая клемма.

Электролит - маркирована минусовая клемма.

Полярность выводов может указываться на самих выводах (с помощью тиснения в виде плюса "+" или минуса "–")

Или вот так, нижний вывод это плюс. а верхний вывод минус.

И на снимке

Обозначается на схем ионистор как обычный конденсатор, отличить его можно по большой емкости

О емкостях.

Как распределяются емкости в зависимости от типов конденсаторов, примерное деление.

Керамические однослойные дисковые конденсаторы

Емкость от 1 пф до 0,47 мкф

Полиэстеровые (полиэтилентерефталат, лавсан) конденсаторы

от 1 нф до 15 мкф

Полипропиленовые конденсаторы

От 100 пф до 10 мкф

Пусковые полипропиленовые конденсаторы

От 1мкф до 1000 мкф

Керамические многослойные конденсаторы

От 0,5 пФ до 100 мкФ (обычно 5-10мкФ)

Танталовые конденсаторы

Не превышает 1000 мкф (рабочее напряжение ограничено 100 вольтами)

Электролитические конденсаторы

От 0.1 мкф до 100 000 мкф)

Ионисторы (суперконденсаторы)

Максимально до 12000 Ф

Ну вот на сегодня все, но как всегда...

Продолжение следует...

Подписывайтесь на мой канал TehnoZet-2, там много интересного! Мы только развиваемся! Понравилась статья, хотите продолжения - ставьте лайк, жмите палец вверх!

Пользуйтесь рубрикатором по каналу, там все по разделам: "Страничка путеводитель по каналу TehnoZet-2"