目錄
- 1 薄膜電容器
- 2 薄膜電容器的結構和特點概述
- 3 內部結構
- ? 示例制造過程
- ? 金屬化薄膜電容器的自愈
- ? 提高額定電壓的內部結構
- ? 提高浪涌額定值的內部結構
- 4 薄膜電容器的種類
- 5 歷史發展
- 6 介電材料及其市場份額
- 7 薄膜電容器用薄膜材料的特性
- ? 聚丙烯(PP)薄膜電容器
- ? 聚酯(PET)薄膜電容器
- ? 聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)薄膜電容器
- ? 聚苯硫醚(PPS)薄膜電容器
- ? 聚四氟乙烯(PTFE)薄膜電容器
- ? 聚苯乙烯(PS)薄膜電容器
- ? 聚碳酸酯(PC)薄膜電容器
- ? 紙(膜)電容器(MP)和混合膜電容器
- ? 其他塑料薄膜電容器
- 8 薄膜電容器的標準化
- ? 薄膜電容器類型縮寫
- 9 電氣特性
- ? 串聯等效電路
- ? 電容標準值和公差
- ? 電容的頻率和溫度變化
- ? 額定電壓
- ? 直流電壓
- ? 交流電壓和電流
- ? 浪涌額定值
- ? 阻抗、耗散因數和ESR
- ? 阻抗
- ? 耗散因數(tanδ)和ESR
- ? 絕緣電阻
- ? 介電吸收(浸泡)
- ? 老化
薄膜電容器
編輯薄膜電容器、塑料薄膜電容器、薄膜介質電容器或聚合物薄膜電容器,統稱為薄膜電容器以及功率薄膜電容器,是一種以絕緣塑料薄膜為電介質,有時與紙作為電極載體的電容器。根據所需的介電強度,介電薄膜通過特殊工藝拉制到極薄的厚度,然后配備電極。薄膜電容器的電極可以是金屬化的鋁或鋅,直接施加到塑料薄膜的表面,或單獨的金屬箔。這些導電層中的兩個被纏繞成圓柱形繞組,通常被壓平以減少印刷電路板上的安裝空間要求,或者層疊為多個堆疊在一起的單層,以形成電容器體。薄膜電容器與陶瓷電容器和電解電容器一起,是電子設備中最常見的電容器類型,用于許多交直流微電子和電子電路中。一種相關的元件類型是功率(薄膜)電容器。盡管用于大功率薄膜電容器的材料和構造技術與用于普通薄膜電容器的材料和構造技術非常相似,但由于歷史原因,用于電力系統和電氣裝置的高至極高額定功率的電容器通常被單獨分類。隨著現代電子設備獲得了處理以前電力元件專有領域的功率水平的能力,電子和電力額定值之間的區別變得不那么明顯了。過去,這兩個系列之間的界限大約是200伏安的無功功率,但現代電力電子可以處理不斷增加的功率水平。
薄膜電容器的結構和特點概述
編輯薄膜電容器由兩片覆蓋有金屬電極的塑料薄膜制成,纏繞成圓柱形繞組,連接端子,然后封裝。一般來說,薄膜電容是沒有極化的,所以兩個端子是可以互換的。有兩種不同類型的塑料薄膜電容器,由兩種不同的電極配置制成:
- 薄膜/箔電容器或金屬箔電容器是用兩個塑料薄膜作為電介質制成的。每個都用一層薄金屬箔(通常是鋁箔)作為電極。這種結構類型的優點是易于與金屬箔電極進行電氣連接,并且能夠處理高電流浪涌。
- 金屬化薄膜電容器由兩層金屬化薄膜制成,以塑料薄膜為電介質。將非常薄(~0.03μm)的真空沉積鋁金屬化應用于一側或兩側以用作電極。這種配置可以具有自愈特性,因為電極之間的電介質擊穿或短路不一定會導致組件的損壞。通過這種基本設計,與薄膜/箔結構相比,可以在更小的情況下(高體積效率)生產高質量的產品,例如零缺陷電容器,并生產具有更大電容值(高達100μF或更大)的繞線電容器。然而,金屬化結構的一個缺點是其有限的電流浪涌額定值。
現代薄膜電容器內部結構的一個關鍵優勢是直接接觸繞組兩端的電極。這種接觸使通向整個電極的所有電流路徑都非常短。該設置的行為類似于大量并聯的單個電容器,從而降低了內部歐姆損耗(ESR)和寄生電感(ESL)。薄膜電容器結構的固有幾何形狀導致非常低的歐姆損耗和非常低的寄生電感,這使得它們特別適用于具有非常高的浪涌電流(緩沖器)的應用和交流電源應用,或更高頻率的應用。薄膜電容器的另一個特點是可以為介電層選擇不同的薄膜材料,以選擇所需的電氣特性,例如穩定性、寬溫度范圍或承受極高電壓的能力。聚丙烯薄膜電容器因其低電損耗和在非常寬的頻率范圍內接近線性的特性而被指定用于諧振電路中的1類穩定性應用,僅可與陶瓷電容器相媲美。對于簡單的高頻濾波電路,聚酯電容器提供了具有出色長期穩定性的低成本解決方案,可以替代更昂貴的鉭電解電容器。塑料薄膜電容器的薄膜/箔變體特別能夠處理高和非常高的電流浪涌。電子產品中使用的較小薄膜電容器的典型電容值從100皮法拉左右開始,向上延伸到微法拉。塑料和紙膜在某些特殊配置中的獨特機械性能使其可用于非常大尺寸的電容器。較大的薄膜電容器用作電力裝置和工廠中的電力電容器,能夠承受非常高的功率或非常高的施加電壓。這些電容器的介電強度可以達到四位數的電壓范圍。
內部結構
編輯根據該等式,較薄的電介質或較大的電極面積都會增加電容值,具有較高介電常數的電介質材料也會增加。
示例制造過程
以下示例描述了繞線金屬化塑料薄膜電容器的典型制造流程。
- 薄膜拉伸和金屬化——為了增加電容器的電容值,塑料薄膜使用一種特殊的縱向和橫向雙向拉伸擠壓工藝拉伸,在技術上盡可能薄,并在所需擊穿電壓允許的范圍內。這些薄膜的厚度可以低至0.6μm。在合適的蒸發系統和高真空條件下(每立方米約1015至1019個空氣分子),塑料薄膜用鋁或鋅金屬化。然后將其纏繞在寬度約為1米的所謂母卷上。
- 薄膜分切——接下來,根據所制造電容器的尺寸,將母卷切成所需寬度的塑料薄膜小條。
- 卷繞——兩片薄膜一起卷成圓柱形卷繞。構成電容器的兩個金屬化薄膜彼此略微偏移地纏繞,從而通過電極的布置,在繞組的每一端上的金屬化的一個邊緣橫向延伸。
- 壓扁—通常通過施加機械壓力將繞組壓扁成橢圓形。因為印刷電路板的成本是按每平方毫米計算的,所以較小的電容器占位面積會降低電路的總成本。
- 金屬接觸層的應用(schopage)—突出端電極覆蓋有液態接觸金屬,例如(錫、鋅或鋁),在繞組的兩側用壓縮空氣噴射。這種金屬化工藝以瑞士工程師MaxSchoop的名字命名,他發明了一種用于錫和鉛的燃燒噴涂應用。
- 愈合-現在由schoopage電氣連接的繞組必須進行愈合。這是通過在繞組的電極上施加精確校準的電壓來完成的,這樣任何現有的缺陷都會被燒掉(另見下文的自我修復)。
- 浸漬——為了更好地保護電容器免受環境影響,尤其是濕氣,繞組用絕緣流體浸漬,例如硅油。
- 端子的連接——電容器的端子焊接或焊接在schoopage的末端金屬接觸層上。
- 涂層—連接端子后,將電容器主體封裝到外殼中,或浸入保護涂層中。為降低生產成本,一些薄膜電容器可以裸露使用,無需對繞組進行進一步涂層。
- 電氣最終測試—所有電容器(xxx)都應測試最重要的電氣參數、電容(C)、損耗因數(tanδ)和阻抗(Z)。
用金屬箔代替金屬化薄膜的繞線薄膜/金屬箔電容器的生產方式非常相似。作為薄膜電容器傳統繞線結構的替代方案,它們也可以以堆疊配置制造。對于這個版本,代表電極的兩個金屬化薄膜纏繞在直徑超過1m的更大的芯上。所謂的多層電容器(MLP,MultilayerPolymerCapacitors)可以通過將這個大繞組鋸成許多更小的單段來生產。鋸切會導致電容器側面出現缺陷,這些缺陷隨后會在制造過程中燒毀(自愈)。以這種方式生產用于通用應用的低成本金屬化塑料薄膜電容器。該技術還用于生產用于表面貼裝器件(SMD)封裝組件的電容器裸片。
金屬化薄膜電容器的自愈
金屬化薄膜電容器具有自愈特性,這是薄膜/箔配置所不具備的。當施加足夠的電壓時,金屬化電極之間的點缺陷短路會由于高電弧溫度而蒸發,因為擊穿點處的介電塑料材料和擊穿點周圍的金屬化電極都非常薄(約0.02至0.05微米)。短路的點缺陷原因被燒毀,由此產生的蒸汽壓力也將電弧吹走。這個過程可以在不到10μs的時間內完成,通常不會中斷受影響電容器的有用操作。這種自我修復特性允許使用金屬化薄膜的單層繞組,而無需任何額外的缺陷保護,從而減少實現給定性能規范所需的物理空間量。換言之,提高了電容器的所謂體積效率。金屬化薄膜的自愈能力在金屬化薄膜電容器的制造過程中被多次使用。通常,在將金屬化薄膜切割成所需寬度后,任何產生的缺陷都可以通過在卷繞前施加合適的電壓來燒掉(修復)。在接觸表面金屬化(schopage)之后也使用相同的方法來去除由二次金屬化工藝引起的電容器中的任何缺陷。由自愈電弧引起的金屬化針孔會非常輕微地降低電容器的電容。但是,這種減少的幅度很小;即使有數千個缺陷要燒掉,這種減少通常也遠小于電容器總電容的1%。對于具有非常高的穩定性和長壽命標準的大型薄膜電容器,例如緩沖電容器,可以使用特殊的故障隔離圖案進行金屬化。在右側的圖片中,顯示了形成T形圖案的這種金屬化。這些T形圖案中的每一個都會在導電金屬化層中產生有意變窄的橫截面。這些限制就像微型保險絲一樣工作,因此如果電極之間發生點缺陷短路,短路的高電流只會燒毀故障周圍的保險絲。因此,受影響的部分以受控的方式斷開和隔離,沒有圍繞較大短路電弧的任何爆炸。因此,受影響的區域受到限制,故障得到緩和控制,顯著減少對電容器的內部損壞,在配電設備的現場安裝中,通常通過并聯多個電容器來提高電容器組的容錯能力,每個電容器都由內部或外部保險絲保護。如果單個電容器發生內部短路,則產生的故障電流(由相鄰電容器的電容放電增強)會熔斷保險絲,從而將故障電容器與其余設備隔離。這種技術類似于上述的T金屬化技術,但在更大的物理規模上操作。電容器組的更復雜的串聯和并聯布置也用于允許服務的連續性,盡管在這種更大規模的單個電容器故障的情況下。
提高額定電壓的內部結構
不同薄膜材料的額定電壓取決于薄膜厚度、材料質量(不含物理缺陷和化學雜質)、環境溫度和工作頻率等因素,以及針對擊穿電壓的安全裕度(介電強度)。但大致而言,薄膜電容器的額定電壓主要取決于塑料薄膜的厚度。例如,以聚酯薄膜電容器的最小可用薄膜厚度(約0.7μm),可以生產額定電壓為400VDC的電容器。如果需要更高的電壓,通常會使用更厚的塑料薄膜。但介電薄膜的擊穿電壓通常是非線性的。對于大于約5密耳的厚度,擊穿電壓僅隨著薄膜厚度的平方根而增加。另一方面,電容隨著薄膜厚度的增加而線性減小。出于可用性、存儲和現有處理能力的原因,希望在使用現有可用薄膜材料的同時實現更高的擊穿電壓。這可以通過絕緣膜的單側部分金屬化以產生電容器的內部串聯連接的方式來實現。通過使用這種串聯連接技術,電容器的總擊穿電壓可以乘以任意倍數,但總電容也會降低相同的倍數。存儲和現有處理能力,希望在使用現有可用薄膜材料的同時實現更高的擊穿電壓。這可以通過絕緣膜的單側部分金屬化以產生電容器的內部串聯連接的方式來實現。通過使用這種串聯連接技術,電容器的總擊穿電壓可以乘以任意倍數,但總電容也會降低相同的倍數。存儲和現有處理能力,希望在使用現有可用薄膜材料的同時實現更高的擊穿電壓。這可以通過絕緣膜的單側部分金屬化以產生電容器的內部串聯連接的方式來實現。通過使用這種串聯連接技術,電容器的總擊穿電壓可以乘以任意倍數,但總電容也會降低相同的倍數。可以通過使用單面部分金屬化膜來提高擊穿電壓,或者可以通過使用雙面金屬化膜來提高電容器的擊穿電壓。雙面金屬化薄膜也可以通過部分金屬化與內部串聯電容器相結合。這些多種技術設計特別適用于聚丙烯薄膜的高可靠性應用。<ulclass="gallery">
提高浪涌額定值的內部結構
薄膜電容器的一個重要特性是它們能夠承受高峰值電壓或峰值電流浪涌脈沖。這種能力取決于薄膜電容器的所有內部連接,以承受最高指定溫度的峰值電流負載。與電極的附帶接觸層(schopage)可能是峰值載流能力的潛在限制。電極層彼此略微偏移地纏繞,使得電極的邊緣可以使用面接觸方法在繞組的側端面處接觸。這種內部連接最終由電極邊緣的多個點狀觸點構成,并且可以建模為大量并聯的單個電容器。許多單獨的電阻(ESR)和電感(ESL)損耗是并聯的,因此這些總的不希望有的寄生損耗被最小化。然而,當峰值電流流過這些單獨的微觀接觸點時,會產生歐姆接觸電阻發熱,這些接觸點是電容器整體內阻的關鍵區域。如果電流太高,可能會產生熱點并導致接觸區域燃燒。載流能力的第二個限制是由電極本身的歐姆體電阻引起的。對于層厚為0.02至0.05μm的金屬化薄膜電容器,載流能力受到這些薄層的限制。薄膜電容器的浪涌電流額定值可以通過各種內部配置來提高。因為金屬化是生產電極最便宜的方法,所以優化電極的形狀是最小化內阻和增加載流能力的一種方法。在電極的schoopage接觸側稍厚的金屬化層會導致較低的整體接觸電阻和增加的浪涌電流處理能力,而不會失去整個金屬化的其余部分的自愈特性。另一種增加薄膜電容器浪涌電流額定值的技術是雙面金屬化。這可以使峰值電流額定值翻倍。這種設計還將電容器的總自感減半,因為實際上,兩個電感器并聯連接,從而允許更快脈沖的暢通無阻(更高的所謂dV/dt額定值)。雙面金屬化薄膜是無靜電場的,因為薄膜兩側的電極具有相同的電壓電位,因此對電容器的總電容沒有貢獻。因此,該薄膜可以由不同且較便宜的材料制成。例如,在聚酯薄膜載體上進行雙面金屬化的聚丙烯薄膜電容器不僅使電容器更便宜,而且體積更小,因為更薄的聚酯箔提高了電容器的體積效率。與薄膜/箔電容器相比,具有雙面金屬化薄膜的薄膜電容器有效地具有更厚的電極以應對更高的浪涌電流,但仍保留其自愈特性。額定浪涌電流最高的薄膜電容器是采用金屬箔結構的薄膜/箔電容器。這些電容器使用薄金屬箔,通常是鋁,作為覆蓋聚合物薄膜的電極。這種結構的優點是金屬箔電極的連接簡單且牢固。在這個設計中,schopage區域的接觸電阻是最低的。然而,金屬箔電容器不具有自愈特性。薄膜/箔電容器的介電薄膜擊穿會導致不可逆的短路。為了避免電介質中的薄弱點引起的擊穿,所選擇的絕緣膜總是比材料特定擊穿電壓的理論要求厚。小于4μm的薄膜通常不用于薄膜/箔電容器,因為它們的點缺陷數量過多。還。金屬箔只能生產到大約25微米的厚度。這些折衷使薄膜/箔電容器成為提高浪涌電流處理能力的最穩健但也是最昂貴的方法。
薄膜電容器的種類
編輯- 可用的薄膜電容器樣式
- 用于點對點和通孔安裝的軸向樣式
- 徑向型(單端),用于印刷電路板上的通孔焊接安裝
- 徑向型,帶有重型焊接端子,適用于緩沖器應用和高浪涌脈沖負載
- 帶螺釘端子的重載緩沖電容器
- 用于印刷電路板表面安裝的SMD樣式,在兩個相對邊緣上具有金屬化觸點
用于電子設備的薄膜電容器采用常見的工業樣式封裝:軸向、徑向和SMD。傳統的軸向型封裝如今已較少使用,但仍指定用于點對點布線和一些傳統的通孔印刷電路板。最常見的形狀因數是徑向型(單端),兩個端子都位于電容器主體的一側。為便于自動插入,徑向塑料薄膜電容器通常采用標準距離的端子間距構造,從2.5毫米間距開始,以2.5毫米的步長增加。徑向電容器可封裝在塑料外殼中,或浸入環氧樹脂中以保護電容器主體免受環境影響。盡管回流焊接的瞬態熱量會在塑料薄膜材料中引起高應力,
歷史發展
編輯在引入塑料薄膜之前,通常使用通過將一條浸漬紙夾在金屬條之間并將結果卷成圓柱體制成的電容器-紙電容器。它們的制造始于1876年,從20世紀初開始,它們被用作電信(電話)中的去耦電容器。隨著第二次世界大戰期間有機化學家對塑料材料的開發,電容器工業開始用更薄的聚合物薄膜代替紙。1944年的英國專利587,953中描述了薄膜電容器的一項非常早期的發展。塑料薄膜電容器中塑料的引入大致按以下歷史順序:1949年的聚苯乙烯(PS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET/聚酯)和醋酸纖維素(1951年的CA)、1953年的聚碳酸酯(PC/Lexan)、1954年的聚四氟乙烯(PTFE/Teflon)、1954年的聚對二甲苯、1954年的聚丙烯(PP)、1958年的聚乙烯(PE)、1967年的聚苯硫醚(PPS)。到1960年代中期,許多(主要是歐洲和美國)制造商提供了各種不同的塑料薄膜電容器。德國制造商如WIMA、Roederstein、用于電容器制造的塑料薄膜的一大優點是塑料薄膜的缺陷比紙電容器中使用的紙片少得多。這允許僅用單層塑料薄膜制造塑料薄膜電容器,而紙電容器需要雙層紙。塑料薄膜電容器的物理尺寸明顯更小(體積效率更高),具有與可比較的紙電容器相同的電容值和相同的介電強度。與紙相比,新型塑料材料也表現出進一步的優勢。塑料的吸濕性遠低于紙,從而減少了密封不完善的有害影響。此外,大多數塑料在長時間內受到的化學變化較少,從而提供其電氣參數的長期穩定性。自1980年左右以來,紙和金屬化紙電容器(MP電容器)幾乎完全被PET薄膜電容器取代,用于大多數低功率直流電子應用。紙現在僅用于RFI抑制或電機運行電容器,或作為混合電介質與聚丙烯薄膜結合用于大功率應用的大型交流和直流電容器。一種早期的特殊類型的塑料薄膜電容器是醋酸纖維素薄膜電容器,也稱為MKU電容器。極性絕緣介電醋酸纖維素是一種合成樹脂,可用于漆膜厚度低至約3μm的金屬化電容器。首先將醋酸纖維素的液體層施加到紙載體上,然后用蠟覆蓋,干燥,然后金屬化。在電容器主體的卷繞過程中,將紙從金屬化薄膜上除去。剩余的薄醋酸纖維素層的介電擊穿電壓為63V,足以滿足許多通用應用的需求。與當時的其他薄膜電容器相比,電介質的極薄厚度減小了這些電容器的整體尺寸。MKU薄膜電容器不再生產,自該技術開始以來,薄膜電容器已經變得更小。例如,通過開發更薄的塑料薄膜,金屬化聚酯薄膜電容器的尺寸減小了大約3到4倍。薄膜電容器最重要的優點是其電氣值在長時間內的穩定性、可靠性以及在相同應用中比其他類型的成本更低。特別是對于電氣系統中具有高電流脈沖負載或高交流負載的應用,重型薄膜電容器(此處稱為電力電容器)可提供幾千伏的介電額定值。但薄膜電容器的制造確實對材料供應鏈有著嚴重的依賴性。全球用于薄膜電容器的每一種塑料薄膜材料都只有兩三個大型供應商生產。其原因是,與典型的化學公司生產運行相比,薄膜蓋市場所需的大量數量非常少。這導致電容器制造商高度依賴相對較少的化學公司作為原材料供應商。例如,拜耳公司在2000年停止了聚碳酸酯薄膜的生產,原因是銷量低得無利可圖。大多數聚碳酸酯薄膜電容器的生產商不得不迅速將其產品更改為另一種類型的電容器,并且需要對新設計進行大量昂貴的測試批準。截至2012年,只有五種塑料材料繼續廣泛用于電容器行業作為電容器的薄膜:PET、PEN、PP、PPS和PTFE。其他塑料材料不再普遍使用,要么是因為不再生產,要么已被更好的材料取代。即使是長期生產的聚苯乙烯(PS)和聚碳酸酯(PC)薄膜電容器也已在很大程度上被前面提到的薄膜類型所取代,盡管至少有一家PC電容器制造商保留了使用原始聚碳酸酯原料制造自己薄膜的能力。此處簡要介紹了不太常見的塑料薄膜,因為它們仍然存在于較舊的設計中,并且仍然可以從一些供應商處獲得。從簡單的開始,薄膜電容器發展成為非常廣泛和高度專業化的不同類型。到20世紀末,大多數薄膜電容器的大規模生產已轉移到遠東地區。一些大公司仍在歐洲和美國生產高度專業化的薄膜電容器,用于電力和交流應用。
介電材料及其市場份額
編輯下表列出了薄膜電容器最常用的介電聚合物。此外,可以混合不同的薄膜材料來生產具有特定特性的電容器。使用最多的薄膜材料是聚丙烯,市場份額為50%,其次是聚酯,份額為40%。其余10%的份額由其他介電材料占據,包括聚苯硫醚和紙,各占約3%。不再生產聚碳酸酯薄膜電容器,因為不再提供電介質材料。
薄膜電容器用薄膜材料的特性
編輯薄膜電容器的電氣特性、溫度和頻率特性主要取決于形成電容器電介質的材料類型。下表列出了當今使用的主要塑料薄膜材料的最重要特性。混合膜材料的特性不在此列出。此表中的數據摘自各種不同的工業電子應用薄膜電容器制造商發布的規格。耗散因數的大范圍值包括來自各個制造商的數據表的典型和xxx規格。此表中不包括電源和大型交流電容器的典型電氣值。
聚丙烯(PP)薄膜電容器
聚丙烯薄膜電容器具有由來自聚烯烴家族的熱塑性、非極性、有機和部分結晶的聚合物材料聚丙烯(PP)(商品名為Treofan)制成的電介質。它們被制造為金屬纏繞和堆疊版本,以及薄膜/箔類型。聚丙烯薄膜是工業電容器和電力電容器類型中最常用的介電薄膜。聚丙烯薄膜材料比聚酯薄膜吸收的水分少,因此也適用于沒有任何涂層或進一步包裝的裸露設計。但105°C的最高溫度阻礙了PP薄膜在SMD封裝中的使用。聚丙烯薄膜電容器的電氣參數對溫度和頻率的依賴性非常低。聚丙烯薄膜電容器在其溫度范圍內具有±2.5%的線性負電容溫度系數。因此,聚丙烯薄膜電容器適用于1類頻率確定電路、濾波器、振蕩器電路、音頻電路和定時器中的應用。它們還可用于補償精密濾波器應用中的感應線圈以及高頻應用。除了薄膜/箔版PP薄膜電容器的應用等級認證外,標準IEC/EN60384-13還規定了三個穩定性等級。這些穩定性等級規定了溫度系數的容差以及定義測試后電容的允許變化。它們分為不同的溫度系數等級(α),具有相關的公差和在機械、環境(水分)和壽命測試后電容允許變化的首選值。該表不適用于小于50pF的電容值。此外,PP薄膜電容器的介電吸收最低,這使其適用于VCO定時電容器、采樣保持應用和音頻電路等應用。它們可用于這些精密應用,具有非常窄的電容容差。PP薄膜電容的耗散因數比其他薄膜電容要小。由于在很寬的溫度和頻率范圍內(即使在非常高的頻率下)具有低且非常穩定的損耗因數,以及650V/μm的高介電強度,PP薄膜電容器可用于金屬化和薄膜/箔版本的電容器用于脈沖應用,例如CRT掃描偏轉電路,或作為所謂的緩沖電容器,或用于IGBT應用。此外,聚丙烯薄膜電容器用于交流電源應用,例如電機運行電容器或功率因數校正(PFC)電容器。聚丙烯薄膜電容器廣泛用于EMI抑制,包括直接連接到電源。在后一種應用中,它們必須滿足有關安全性和不可燃性的特殊測試和認證要求。大多數電力電容器,制造的xxx電容器,一般都使用聚丙烯薄膜作為電介質。PP薄膜電容器用于高頻大功率應用,例如感應加熱,脈沖功率能量放電應用,以及作為配電的交流電容器。這些電容器的交流電壓額定值可達400kV。2.2的相對較低的介電常數是一個輕微的缺點,PP薄膜電容器的物理尺寸往往比其他薄膜電容器大一些。電容器級薄膜的厚度可達20μm,卷寬可達140mm。根據電容器所需的規格,成對地仔細真空包裝卷。
聚酯(PET)薄膜電容器
聚酯薄膜電容器是使用由聚酯系列的熱塑性極性聚合物材料聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的電介質的薄膜電容器,PET商品名為Hostaphan或Mylar。它們被制造為金屬纏繞和堆疊版本,以及薄膜/箔類型。聚酯薄膜吸收的水分非常少,這一特性使其適用于裸露設計,無需任何進一步的涂層。它們是現代電子產品中低成本批量生產的電容器,具有相對較小的尺寸和相對較高的電容值。PET電容器主要用作直流應用的通用電容器,或用于工作溫度高達125°C的半臨界電路。125°C的最高額定溫度還允許使用PET薄膜制造SMD薄膜電容器。PET薄膜電容器的小物理尺寸是3.3的高相對介電常數的結果,結合相對高的介電強度導致相對高的體積效率。這種緊湊性的優點伴隨著一些缺點。與其他薄膜電容器相比,聚酯薄膜電容器的電容溫度依賴性相對較高,在整個溫度范圍內為±5%。與其他薄膜電容器相比,聚酯薄膜電容器的電容頻率依賴性在上限為100Hz至100kHz的范圍內為-3%。此外,與其他薄膜電容器類型相比,聚酯薄膜電容器的損耗因數對溫度和頻率的依賴性更高。聚酯薄膜電容器主要用于通用應用或工作溫度高達125°C的半臨界電路。
聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)薄膜電容器
聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜電容器是使用由熱塑性雙軸聚合物材料聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)制成的電介質的薄膜電容器,商品名為Kaladex、Teonex。它們僅作為金屬化類型生產。PEN與PET一樣,屬于聚酯家族,但在高溫下具有更好的穩定性。因此,PEN薄膜電容更適合高溫應用和SMD封裝。PEN薄膜電容器的電特性對電容和損耗因數的溫度和頻率依賴性與PET薄膜電容器相似。由于PEN聚合物較小的相對介電常數和較低的介電強度,對于給定的電容和額定電壓值,PEN薄膜電容器在物理上更大。盡管如此,當電容器運行期間的環境溫度xxx高于125°C時,PEN薄膜電容器優于PET。特殊的PEN高壓(HV)電介質在高壓和高溫(175°C)的壽命測試中提供出色的電氣性能。PEN電容器主要用于電子電路中的非關鍵濾波、耦合和去耦,當溫度依賴性無關緊要時。
聚苯硫醚(PPS)薄膜電容器
聚苯硫醚薄膜電容器是具有電介質的薄膜電容器,由熱塑性有機和部分結晶聚合物材料聚(對苯硫醚)(PPS)制成,商品名為Torelina。它們僅作為金屬化類型生產。與其他薄膜電容器相比,PPS薄膜電容器的電容在整個溫度范圍內的溫度依賴性非常小(±1.5%)。此外,PPS薄膜電容器的電容在100Hz至100kHz范圍內的頻率依賴性為±0.5%,與其他薄膜電容器相比非常低。PPS薄膜電容的耗散因數很小,在很寬的范圍內耗散因數對溫度和頻率的依賴性非常穩定。只有在高于100°C的溫度下,耗散因數才會增加到更大的值。介電吸收性能優異,僅次于PTFE和PS介電電容器。聚苯硫醚薄膜電容器非常適合用于頻率確定電路和高溫應用。由于其良好的電氣性能,PPS薄膜電容器是聚碳酸酯薄膜電容器的理想替代品,聚碳酸酯薄膜電容器自2000年以來已大量停產。PPS薄膜電容器除了具有優異的電氣性能外,可以承受高達270°C的溫度而不會損害薄膜質量,因此PPS薄膜電容器適用于表面貼裝器件(SMD),并且可以承受鉛的回流焊接溫度升高-RoHS2002/95/EC指令要求的免焊接。與PP薄膜電容器相比,PPS薄膜電容器的成本通常更高。
聚四氟乙烯(PTFE)薄膜電容器
聚四氟乙烯薄膜電容器由合成含氟聚合物聚四氟乙烯(PTFE)的電介質制成,這是一種疏水性固體碳氟化合物。它們被制造為金屬化和薄膜/箔類型,盡管對薄膜的粘附性差使得金屬化變得困難。PTFE通常以杜邦商標Teflon為人所知。聚四氟乙烯薄膜電容器具有高達200°C的非常高的耐溫性,甚至更高達260°C,并具有電壓降額。耗散因數2?10-4非常小。在+1%到-3%的整個溫度范圍內的電容變化比聚丙烯薄膜電容器高一點。然而,由于PTFE薄膜的最小可用薄膜厚度為5.5μm,大約是聚丙烯薄膜厚度的兩倍,因此PTFE薄膜電容器的體積比PP薄膜電容器大。它補充說,表面上的薄膜厚度不是恒定的,因此鐵氟龍薄膜很難生產。因此,聚四氟乙烯薄膜電容器的生產廠家數量有限。PTFE薄膜電容器的額定電壓為100V至630VDC。它們用于軍事設備、航空航天、地質探測器、老化電路和高質量音頻電路。聚四氟乙烯薄膜電容器的主要生產商位于美國。
聚苯乙烯(PS)薄膜電容器
聚苯乙烯薄膜電容器,有時也稱為Styroflex電容器,多年來一直是眾所周知的廉價薄膜電容器,適用于需要高電容穩定性、低損耗因數和低漏電流的通用應用。但由于薄膜厚度無法做到10μm以下,最高額定溫度僅達到85℃,所以PS薄膜電容在2012年已經大部分被聚酯薄膜電容所取代。不過,部分廠商可能仍會提供PS薄膜。他們的生產計劃中的電容器,以倉庫中儲存的大量聚苯乙烯薄膜為后盾。聚苯乙烯電容器有一個重要的優勢——它們的溫度系數接近于零,因此在必須避免隨溫度漂移的調諧電路中非常有用。
聚碳酸酯(PC)薄膜電容器
聚碳酸酯薄膜電容器是具有由碳酸和二元醇聚碳酸酯(PC)的聚合酯制成的電介質的薄膜電容器,有時商標名為Makrofol。它們被制造為纏繞金屬化以及薄膜/箔類型。這些電容器具有低損耗因數,并且由于它們在整個溫度范圍內與溫度無關的電氣特性約為±80ppm,因此它們具有許多低損耗和溫度穩定的應用,例如定時電路、精密模擬電路、和信號濾波器在惡劣環境條件下的應用中。自1950年代中期開始生產PC薄膜電容器,但電容器用聚碳酸酯薄膜的主要供應商已于2000年停止生產這種薄膜形式的聚合物。因此,全球大多數聚碳酸酯薄膜電容器制造商不得不停止生產PC薄膜電容器,改用聚丙烯薄膜電容器。但是,也有例外。制造商ElectronicConceptsInc,(美國新澤西州)聲稱自己是聚碳酸酯薄膜的內部生產商,并繼續生產PC薄膜電容器。除了這家聚碳酸酯薄膜電容器制造商外,還有其他主要位于美國的專業制造商。
紙(膜)電容器(MP)和混合膜電容器
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- 使用金屬化紙作為電極載體的功率薄膜電容器,它們的不同配置和它們通常的縮寫名稱
- MP電容器,單面金屬化紙(額外的紙層以覆蓋針孔缺陷),浸漬絕緣油的繞組
- MKP電力電容器,單面金屬化紙和聚丙烯薄膜,(混合電介質),浸漬絕緣油的繞組
- MKV電力電容器、雙面金屬化紙(電極的無電場機械載體)、聚丙烯薄膜(電介質)、浸漬絕緣油的繞組
歷史上,xxx個薄膜型電容器是薄膜/箔配置的紙電容器。它們相當笨重,而且不是特別可靠。自2012年起,紙以金屬化紙的形式用于MP電容器,具有用于EMI抑制的自愈特性。紙還用作金屬化層電極的絕緣機械載體,并與聚丙烯電介質結合使用,主要用于額定用于大電流交流和高壓直流應用的電力電容器。作為電極載體的紙具有成本較低以及金屬化對紙的粘附性比對聚合物膜更好的優點。但是,僅紙作為電容器中的電介質并不足以滿足現代應用日益增長的質量要求。紙與聚丙烯薄膜電介質的結合是提高質量和性能的一種經濟有效的方法。金屬化在紙上更好的附著力是有利的,特別是在高電流脈沖負載下,聚丙烯薄膜電介質增加了額定電壓。然而,金屬化紙表面的粗糙度會在電介質和金屬化層之間造成許多小的充氣氣泡,從而降低電容器的擊穿電壓。出于這個原因,使用紙作為電極載體的較大的薄膜電容器或電力電容器通常填充有絕緣油或氣體,以置換氣泡以獲得更高的擊穿電壓。然而,由于幾乎每個主要制造商都提供自己專有的混合薄膜材料薄膜電容器,因此很難對混合薄膜電容器的具體特性給出一個普遍和一般的概述。
其他塑料薄膜電容器
除了上述薄膜((聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯聚酯PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚碳酸酯(PP)、聚苯乙烯(PS)和聚四氟乙烯(PTFE)),一些其他塑料材料可用作薄膜電容器中的電介質。熱塑性聚合物,例如聚酰亞胺(PI)、聚酰胺(PA,更好地稱為尼龍或Perlon)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、硅氧烷、聚砜(PEx)和芳族聚酯(FPE)在技術文獻中被描述為可能的介電薄膜電容器。考慮用于電容器的新型薄膜材料的主要原因是常用材料的介電常數相對較低。有了更高的介電常數,薄膜電容器可以做得更小,這對于更緊湊的便攜式電子設備來說是市場上的一個優勢。1984年,一種利用真空沉積電子束交聯丙烯酸酯材料作為薄膜電容器電介質的新型薄膜電容器技術在報刊上公布為專利。但截至2012年,只有一家制造商銷售特定的丙烯酸酯SMD薄膜電容器,作為X7RMLCC的替代品。聚酰亞胺(PI)是一種酰亞胺單體的熱塑性聚合物,被提議用于稱為聚酰亞胺、PI或Kapton電容器的薄膜電容器。Kapton是來自杜邦的聚酰亞胺的商品名。這種材料很有趣,因為它的耐高溫性高達400°C。但截至2012年,尚未公布具體的PI電容系列薄膜電容。dhgate宣布提供的薄膜電容器KaptonCapacitorCL11是一種類型:聚丙烯薄膜電容器。在中國電容器生產商YEC可以找到另一個非常奇怪的Kapton電容器。這里公布的Kapton電容器實際上是超級電容器,一種完全不同的技術也許這些超級電容器中的Kapton薄膜被用作這種雙層電容器的電極之間的隔板。聚偏二氟乙烯(PVDF)具有18到20的非常高的介電常數,這使得大量能量可以存儲在小空間中(體積效率)。然而,它的居里溫度僅為60°C,這限制了它的可用性。具有PVDF的薄膜電容器被描述用于一種非常特殊的應用,即便攜式除顫器。對于所有其他先前命名的塑料材料,如PA、PVDF、硅氧烷、PEx或FPE,截至2012年,使用這些塑料薄膜的特定系列薄膜電容器尚不知道以商業數量生產。
薄膜電容器的標準化
編輯所有電氣、電子元件和相關技術的標準化都遵循國際電工委員會(IEC)制定的規則,該委員會是一個非盈利、非政府的國際標準組織。IEC標準與歐洲標準EN協調一致。通用規范中規定了電子設備用電容器的特性定義和試驗方法的程序:
- IEC/EN60384-1,用于電子設備的固定電容器-第1部分:通用規范
用于電子設備的薄膜電容器被批準為標準化類型的測試和要求在以下部分規范中列出:電力電容器的標準化主要關注當地監管機構制定的人員和設備安全規則。保證電力電容器安全應用的概念和定義在以下標準中公布:
- IEC/EN61071;電力電子電容器
- IEC/EN60252-1;交流電機電容器。一般的。性能、測試和評級。安全要求。安裝和操作指南
- IEC/EN60110-1;感應加熱裝置用電力電容器-概述
- IEC/EN60567;充油電氣設備-用于分析游離和溶解氣體的氣體和油采樣-指南
- IEC/EN60143-1;電力系統用串聯電容器。一般的
- IEC/EN60143-2;電力系統用串聯電容器。串聯電容器組的保護裝置
- IEC/EN60143-3;電力系統用串聯電容器-內部熔斷器
- IEC/EN60252-2;交流電機電容器。電機啟動電容器
- IEC/EN60831-1;額定電壓不超過1kV的交流系統用自愈式并聯電力電容器。一般的。性能、測試和評級。安全要求。安裝和操作指南
- IEC/EN60831-2;額定電壓1000V及以下交流系統用自愈型并聯電力電容器。老化試驗、自愈試驗和破壞試驗
- IEC/EN60871-1;額定電壓高于1000V的交流電力系統用并聯電容器。總則
- IEC/EN60931-1;額定電壓不超過1kV的交流系統用非自愈型并聯電力電容器-總則-性能、測試和額定值-安全要求-安裝和操作指南
- IEC/EN60931-2;額定電壓不超過1000V的交流系統用非自愈型并聯電力電容器。老化試驗和破壞試驗
- IEC60143-4;電力系統用串聯電容器。晶閘管控制的串聯電容器
- IEC/EN61921;電力電容器。低壓功率因數校正組
- IEC/EN60931-3;額定電壓不超過1000V的交流系統用非自愈式并聯電力電容器。內部熔斷器
- IEC/EN61881-1;鐵路應用。機車車輛設備。電力電子電容器。紙/塑料薄膜電容器
- IEC62146-1;高壓交流斷路器用分級電容器
上面的文字直接摘自相關的IEC標準,其中直流電(DC)使用縮寫詞dc,交流電(AC)使用縮寫詞ac。
薄膜電容器類型縮寫
在薄膜電容器的早期發展過程中,一些大廠已經嘗試對不同薄膜材料的名稱進行標準化。這導致了以前的德國標準(DIN41379),后來被撤銷,其中規定了每種材料和配置類型的縮寫代碼。許多制造商繼續使用這些事實上的標準縮寫。然而,隨著包括薄膜電容器在內的無源元件行業的大眾市場業務轉移,遠東的許多新制造商都使用了自己的縮寫,與之前建立的縮寫有所不同。
電氣特性
編輯制造商Wima、Vishay和TDKEpcos在一般技術信息表中指定了其薄膜電容器的電氣參數。
串聯等效電路
電容器的電氣特性符合國際通用規范IEC/EN60384-1。在本標準中,電容器的電氣特性由具有電氣元件的理想串聯等效電路描述,該電路模擬薄膜電容器的所有歐姆損耗、電容和電感參數:
電容標準值和公差
額定電容是電容器的設計值。薄膜電容器的實際電容取決于測量頻率和環境溫度。薄膜電容器的標準化條件是1kHz的測量頻率和20°C的溫度。電容允許偏離額定值的百分比稱為電容容差。電容器的實際電容值應在公差范圍內,否則電容器超出規格。薄膜電容器有不同的公差系列,其值在IEC/EN60063中規定的E系列標準中規定。對于狹小空間中的縮寫標記,每個公差的字母代碼在IEC/EN60062中規定。
- 額定電容,E96系列,公差±1%,字母代碼F
- 額定電容,E48系列,公差±2%,字母代碼G
- 額定電容,E24系列,公差±5%,字母代碼J
- 額定電容,E12系列,公差±10%,字母代碼K
- 額定電容,E6系列,公差±20%,字母代碼M
所需的電容容差由特定應用決定。E24到E96的窄公差將用于精密振蕩器和定時器等高質量電路。另一方面,對于非關鍵濾波或耦合電路等一般應用,公差系列E12或E6就足夠了。
電容的頻率和溫度變化
不同的薄膜材料在其特性上具有與溫度和頻率相關的差異。下圖顯示了不同薄膜材料的電容的典型溫度和頻率行為。
額定電壓
直流電壓
額定直流電壓VR是xxx直流電壓,或脈沖電壓的峰值,或外加直流電壓與疊加交流電壓的峰值之和,可在類別之間的任何溫度下連續施加到電容器上。溫度和額定溫度。薄膜電容器的擊穿電壓隨溫度升高而降低。在額定溫度上限和類別上限溫度之間的溫度下使用薄膜電容器時,只允許溫度降額的類別電壓VC。降額系數適用于直流和交流電壓。與右圖中給出的通用曲線相比,某些制造商的電容器降額曲線可能完全不同。被稱為額定紋波電壓的疊加交流電壓的允許峰值與頻率有關。適用標準規定了以下條件,與介電薄膜的類型無關。
交流電壓和電流
薄膜電容器沒有極化,適用于處理交流電壓。由于額定交流電壓被指定為RMS值,因此額定交流電壓必須小于額定直流電壓。下表給出了直流電壓和標稱相關交流電壓的典型數據:交流電壓會產生交流電流(施加直流偏壓,這也稱為紋波電流),電容器的循環充電和放電會導致電介質中的電偶極子發生振蕩運動。這會導致介電損耗,它是薄膜電容器ESR的主要組成部分,并且會從交流電中產生熱量。在給定頻率下可連續施加到電容器(直至額定溫度)的xxxRMS交流電壓定義為額定交流電壓URAC。額定交流電壓通常以某個區域的電源頻率(50或60Hz)指定。通常計算額定交流電壓,以便8到10°K的內部溫升設定薄膜電容器的允許限值。這些損耗隨著頻率的增加而增加,制造商指定了在較高頻率下允許的xxx交流電壓降額曲線。電容器,包括薄膜類型,設計用于在低頻(50或60Hz)電源電壓下連續運行,通常在線路和中性線或線路和地線之間以抑制干擾,需要滿足標準安全等級;例如,X2設計為在200-240VAC的線路和零線之間運行,而Y2在線路和地之間運行。這些類型是為可靠性而設計的,并且在發生故障時可以安全地發生故障(開路,而不是短路)。該應用中的非災難性故障模式是由于電暈效應:繞組元件中的空氣被電離,因此更具導電性,從而允許薄膜的金屬化表面發生局部放電,從而導致金屬化的局部汽化。這種情況反復出現,并且可能在一兩年內導致顯著的電容損失(C-衰減)。國際標準IEC60384-14規定每1,000個測試小時(xxx連接41天)的C衰減限制為10%。一些電容器旨在xxx限度地減少這種影響。以增加尺寸和成本為代價的一種方法是,在200-240VAC下工作的電容器內部由兩個串聯部件組成,每個部件的電壓為100-120VAC,不足以引起電離。制造商還采用更便宜和更小的結構,以避免在沒有串聯部分的情況下產生電暈效應,例如xxx限度地減少封閉空氣。以增加尺寸和成本為代價,在200-240VAC下運行的電容器內部由兩個串聯部件組成,每個部件的電壓為100-120VAC,不足以引起電離。制造商還采用更便宜和更小的結構,以避免在沒有串聯部分的情況下產生電暈效應,例如xxx限度地減少封閉空氣。以增加尺寸和成本為代價,在200-240VAC下運行的電容器內部由兩個串聯部件組成,每個部件的電壓為100-120VAC,不足以引起電離。制造商還采用更便宜和更小的結構,以避免在沒有串聯部分的情況下產生電暈效應,例如xxx限度地減少封閉空氣。
浪涌額定值
對于金屬化薄膜電容器,xxx可能的脈沖電壓是有限的,因為電極接觸和電極本身之間的載流能力有限。額定脈沖電壓Vp是在額定溫度和給定頻率下可以連續施加到電容器上的脈沖電壓的峰值。脈沖電壓容量以脈沖電壓上升時間dV/dT的形式給出,單位為V/μs,也暗示了xxx脈沖電流容量。脈沖上升時間的值是指額定電壓。對于較低的工作電壓,允許的脈沖上升時間可能會減少。通常計算薄膜電容器的允許脈沖負載容量,使得內部溫升8到10°K是可以接受的。在相關數據表中規定了可在額定溫度范圍內應用的薄膜電容器的xxx允許脈沖上升時間。超過規定的xxx脈沖負載會導致電容器損壞。對于每個單獨的應用,必須計算脈沖負載。由于不同電容器的內部結構細節與供應商相關的差異,因此沒有計算薄膜電容器功率處理的一般規則。因此,以制造商WIMA的計算程序為例,作為普遍適用的原則。
阻抗、耗散因數和ESR
阻抗
阻抗是電容器通過交流電能力的量度。阻抗越低,交流電就越容易通過電容器。薄膜電容器的特點是阻抗值非常小,諧振頻率非常高,特別是與電解電容器相比。
耗散因數(tanδ)和ESR
等效串聯電阻(ESR)總結了電容器的所有電阻損耗。這些是電源線電阻、電極觸點的接觸電阻、電極的線電阻和介電膜中的介電損耗。這些損耗中xxx的部分通常是電介質中的耗散損耗。對于薄膜電容器,耗散因數tanδ將在相關數據表中指定,而不是ESR。耗散因數由容抗XC減去感抗XL與ESR之間的相角正切決定。使用耗散因數而不是ESR的原因是,薄膜電容器最初主要用于確定頻率的諧振電路。耗散因數的倒數定義為品質因數Q。高Q值對于諧振電路來說是諧振質量的標志。薄膜/箔電容器的損耗因數低于金屬化薄膜電容器,因為與金屬化薄膜電極相比,箔電極的接觸電阻較低。薄膜電容器的耗散因數與頻率、溫度和時間有關。雖然頻率和溫度依賴性直接來自物理定律,但時間依賴性與老化和水分吸附過程有關。<ulclass="gallery">
- 不同薄膜材料的耗散因數典型曲線,作為頻率和溫度的函數
- 不同薄膜材料的耗散系數隨溫度的變化
- 不同薄膜材料的耗散因數與頻率的關系
絕緣電阻
隨著時間的推移,充電的電容器會通過其自身的內部絕緣電阻Risol放電。絕緣電阻與電容器電容的乘積得出一個時間常數,稱為自放電時間常數:(τisol=Risol?C)。這是電介質相對于其絕緣特性的質量的量度,以秒為單位。薄膜電容器的通常值范圍為1000秒至1,000,000秒。如果電容器用作時間確定元件(例如定時延遲),或者用于存儲電壓值(如在采樣保持電路或積分器中),則這些時間常數總是相關的。
介電吸收(浸泡)
介電吸收是對長時間充電的電容器在短暫放電時僅不完全放電的效應的名稱。它是電容器電壓的一種滯后形式。雖然理想的電容器在放電后會保持在零伏,但真正的電容器會產生很小的殘余電壓,這種現象也稱為浸泡。下表列出了常見薄膜材料的介電吸收典型值聚丙烯薄膜電容器具有由介電吸收產生的最低電壓值。因此,它們非常適合精密模擬電路或積分器和采樣保持電路。
老化
薄膜電容器經受某些非常小但可測量的老化過程。主要降解過程是少量的塑料薄膜收縮,主要發生在焊接過程中,但也發生在高環境溫度或高電流負載下的操作過程中。此外,在潮濕氣候的操作條件下,電容器繞組中可能會吸收一些水分。例如,焊接過程中的熱應力會使含鉛薄膜電容器的電容值從初始值改變1%到5%。對于表面貼裝器件,焊接過程可能會改變電容值多達10%。薄膜電容器的耗散因數和絕緣電阻也可能因上述外部因素而改變,特別是在高濕度氣候下的吸濕性。薄膜電容器的制造商可以通過使用更好的封裝來減緩由吸濕引起的老化過程。這種更昂貴的制造工藝可以解釋這樣一個事實,即具有相同基本體設計的薄膜電容器可以提供不同的壽命穩定性等級,稱為性能等級。性能等級1電容器是長壽命的,性能等級2電容器是通用電容器。此等級背后的規格在IEC/EN60384-x的相關標準中定義(參見標準)。電容、耗散因數和絕緣電阻的允許變化因薄膜材料而異,并在相關數據表中規定。超過規定值的隨時間變化被認為是退化故障。
故障率和預期壽命
薄膜電容器通常是非常可靠的組件,故障率非常低,在正常條件下的預期壽命為數十年。薄膜電容器的預期壽命通常根據施加的電壓、電流負載和溫度來指定。
標記
顏色編碼的薄膜電容器已經生產出來,但通常會在機身上打印更詳細的信息。根據IEC標準60384.1,電容器應標有以下信息的印記:
- 額定電容
- 額定電壓
- 寬容
- 類別電壓
- 制造年份和月份(或星期)
- 制造商的名稱或商標
- 氣候類別
- 制造商的型號名稱
電源電壓RFI抑制電容器也必須標有適當的安全機構批準。電容、容差和制造日期可以用短代碼標記。電容通常用約數指示符代替容易擦除的小數點來表示,如:n47=0.47nF,4n7=4.7nF,47n=47nF
薄膜電容器的應用
編輯與其他兩種主要電容器技術(陶瓷電容器和電解電容器)相比,薄膜電容器的特性使其特別適合電子設備中的許多通用和工業應用。薄膜電容器的兩個主要優點是非常低的ESR和ESL值。薄膜電容器在物理上比鋁電解電容器(e-caps)更大且更昂貴,但具有更高的浪涌和脈沖負載能力。由于薄膜電容器沒有極化,它們可以在沒有直流偏置的交流電壓應用中使用,并且它們具有更穩定的電參數。聚丙烯薄膜電容器的電容和耗散因數對溫度的依賴性較小,因此可用于頻率穩定的1類應用,替代1類陶瓷電容器。
電子電路
- 薄膜電容器在電子設備中的一些典型應用
聚丙烯薄膜電容器符合1類電容器的穩定性標準,并且在非常寬的溫度和頻率范圍內具有低電損耗和接近線性的行為。它們用于振蕩器和諧振電路;用于具有高品質因數(Q)的電子濾波器應用,例如高通濾波器、低通濾波器和帶通濾波器以及調諧電路;用于揚聲器中的音頻分頻器;在采樣和保持A/D轉換器和峰值電壓檢測器中。信號燈或脈沖寬度發生器中的定時應用需要嚴格的電容容差來控制電機的速度,PP薄膜電容器也非常適合,因為它們的漏電流非常低。1類PP薄膜電容器能夠處理比穩定性1類陶瓷電容器更高的電流。聚丙烯的精確負溫度特性使PP電容器可用于補償其他組件因溫度引起的變化。快速脈沖上升時間額定值、高介電強度(擊穿電壓)和低損耗因數(高Q)是在老式CRT管電視和顯示設備的反激調諧和S校正應用中使用聚丙烯薄膜電容器的原因.出于類似的原因,PP薄膜電容器通常具有用于高峰值電流的特殊端子的版本,可以很好地用作電力電子電路的緩沖器。由于其高脈沖浪涌能力,PP電容器適用于需要大電流脈沖的應用,例如時域反射計(TDR)電纜故障定位器、焊機、除顫器、大功率脈沖激光器,或產生高能光或X射線閃光。此外,聚丙烯薄膜電容器用于許多交流應用中,例如熒光燈中PFC的移相器,或用作電機運行電容器。對于簡單的高頻濾波電路,或在穩壓器或倍壓器電路中,低成本金屬化聚酯薄膜電容器可提供長期穩定性,并可替代更昂貴的鉭電容器。由于電容器通過交流信號但阻擋直流信號,因此具有高絕緣電阻和低自感的薄膜電容器非常適合用作更高頻率的信號耦合電容器。出于類似的原因,薄膜電容器被廣泛用作去耦電容器以抑制噪聲或瞬變。用低成本塑料制成的薄膜電容器用于在寬溫度范圍內不需要超穩定特性的非關鍵應用,例如平滑或交流信號耦合。現在通常使用堆疊型聚酯薄膜(KT)電容器來代替聚苯乙烯電容器(KS),后者已變得越來越少。金屬化薄膜電容器具有自愈特性,小缺陷不會導致元件損壞,這使得這些電容器適用于RFI/EMI抑制電容器,具有防止電擊和火焰傳播的故障保護,盡管重復的電暈放電會自愈愈合會導致電容的顯著損失。PTFE薄膜電容器用于必須承受極高溫度的應用中。例如在軍事設備、航空航天、地質探測器或老化電路中。
安全和EMI/RFI抑制薄膜電容器
- RFI/EMI抑制電容器
- 金屬化紙RFI抑制電容器(MP3),帶有“X2”安全標準的安全標志
- 用于X2安全標準的金屬化聚丙烯RFI抑制電容器(MKP)
- 組合XY-RFI抑制電容器
電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)抑制薄膜電容器,也稱為交流線路濾波安規電容器或安規電容器,用作降低或抑制電氣或電子設備運行時產生的電噪聲的關鍵元件,同時還提供有限的電擊保護。抑制電容器是一種有效的干擾降低組件,因為它的電阻抗隨著頻率的增加而降低,因此在更高的頻率下,它們會將電噪聲和線路之間的瞬態短路或接地。因此,它們可以防止設備和機械(包括電機、逆變器和電子鎮流器,以及固態繼電器緩沖器和火花熄滅器)發送和接收電磁和射頻干擾以及跨線路(X電容器)中的瞬變)和線對地(Y電容)連接。X電容器可有效吸收對稱、平衡或差分干擾。另一方面,Y電容器連接在線路相位和零電位點之間的線路旁路中,以吸收不對稱、不平衡、<ulclass="gallery">
- 帶有X和Y電容器的RFI/EMI抑制,適用于不帶和帶額外安全絕緣的設備
- 電器I類電容器連接
- 電器II類電容器連接
EMI/RFI抑制電容器的設計和安裝確保剩余干擾或電氣噪聲不超過EMC指令EN50081的限制可能損壞電容器的過電壓和瞬變。出于這個原因,抑制電容器必須符合國際安全標準的安全和易燃性要求,例如:
- 歐洲:EN60384-14,
- 美國:UL60384-14、UL1283
- 加拿大:CAN/CSA-E60384-14,CSAC22.2,No.8
- 中國:CQC(GB/T6346.14-2015或IEC60384-14)
滿足所有規定要求的RFI電容器印有各種國家安全標準機構的認證標志。對于電力線應用,對涂層的可燃性以及浸漬或涂覆電容器體的環氧樹脂有特殊要求。為了獲得安全認證,X和Y電力線額定電容器經過破壞性測試,直至出現故障。即使暴露在較大的過電壓浪涌中,這些安全等級電容器也必須以不會危及人員或財產的故障安全方式失效。大多數EMI/RFI抑制薄膜電容器是聚酯(PET)或金屬化聚丙烯(PP)薄膜電容器。但是,某些類型的金屬化紙電容器(MP)仍用于此應用,因為它們在阻燃方面仍有一些優勢。一些安規電容內置電容放電電阻。
照明鎮流器
照明鎮流器是一種提供適當的啟動和操作電氣條件以點亮一個或多個熒光燈,同時還限制電流量的裝置。一個熟悉且廣泛使用的例子是熒光燈中使用的傳統電感鎮流器,以限制通過管子的電流,否則由于管子的負電阻特性,電流會上升到破壞性水平。使用電感器的一個缺點是電流與電壓異相,從而產生較差的功率因數。現代電子鎮流器通常使用帶有PFC的開關模式電源(SMPS)電路拓撲結構,將電源頻率從50或60Hz的標準電源頻率更改為40kHz或更高。首先將交流輸入電源整流為直流,然后進行高頻斬波以提高功率因數。在更昂貴的鎮流器中,薄膜電容器通常與電感器配對以校正功率因數。右圖中,鎮流器電路中間的扁平灰色矩形元件是用于PFC的聚酯薄膜電容器。
緩沖/阻尼電容器
緩沖電容器專為防止瞬態電壓所需的高峰值電流運行而設計。這種電壓是由開關電力電子應用中產生的高di/dt電流轉換速率引起的。緩沖器是能量吸收電路,用于消除開關打開時由電路電感引起的電壓尖峰。緩沖器的目的是通過消除開關突然打開時發生的電壓瞬變,或通過抑制開關觸點(例如帶有機械斷續器的汽車點火線圈)的火花,或通過限制電壓來提高電磁兼容性(EMC)半導體開關的壓擺率,如晶閘管、GTO晶閘管、IGBT和雙極晶體管。緩沖電容器(或更高功率的阻尼電容器)需要非常低的自感和非常低的ESR電容器結構。這些設備也有望高度可靠,因為如果緩沖RC電路出現故障,則在大多數情況下功率半導體將被損壞。緩沖電路通常包含薄膜電容器,主要是聚丙烯薄膜帽。該應用最重要的標準是低自感、低ESR和非常高的峰值電流能力。所謂的緩沖電容器有時具有一些額外的特殊結構特征。自感通過更窄的設計和更窄的電極寬度來降低。通過電極的雙面金屬化或薄膜/箔結構,也可以降低ESR,從而提高峰值電流能力。可以直接安裝在半導體封裝下方的特別加寬的端子有助于增加電流處理并降低電感。最流行的簡單緩沖電路由串聯的薄膜電容器和電阻器組成,與半導體元件并聯以抑制或抑制不需要的電壓尖峰。電容器暫時吸收感應關斷峰值電流,從而限制產生的電壓尖峰。但現代半導體技術的趨勢是朝著更高功率的應用方向發展,這會增加峰值電流和開關速度。在這種情況下,標準電子薄膜電容器和電力電容器之間的界限變得模糊,因此更大的緩沖電容器更多地屬于電力系統、電氣裝置和工廠領域。當薄膜電容器和電力電容器用作緩沖電容器時,薄膜電容器和電力電容器的重疊類別在不斷增長的具有IGBT和晶閘管的大功率電子產品市場中是顯而易見的。電力電容器雖然使用聚丙烯薄膜,與較小的緩沖薄膜電容器一樣,屬于電力電容器家族,被稱為阻尼電容器。
功率薄膜電容器
- 用于電力系統、電氣裝置和工廠的帶螺釘端子的電力薄膜電容器
- PFC用功率薄膜電容器,圓柱形金屬罐封裝
- 矩形外殼功率薄膜電容器
相對簡單的繞組制造技術使薄膜電容器有可能獲得非常大的尺寸,用于高功率范圍的應用,如所謂的電力電容器。雖然電力電容器的材料和結構大多與較小的薄膜電容器相似,但由于歷史原因,它們的規格和銷售方式不同。薄膜電容器是在20世紀中期隨著廣播和電子設備技術市場的發展而發展起來的。這些電容器是根據IEC/EN60384-1的規則進行標準化的。用于電子設備的電容器和不同的薄膜材料有自己的子標準,即IEC/EN60384-n系列。功率電容器以大約200伏安的功率處理能力開始,例如熒光燈中的鎮流器電容器。電力電容器的標準化遵循IEC/EN61071和IEC/EN60143-1的規則,并針對各種不同的應用有自己的子標準,例如鐵路應用。電力電容器可用于多種應用,即使存在極非正弦電壓和脈沖電流的情況下也是如此。交流和直流電容器均可用。交流電容器在與電阻器串聯時用作阻尼或緩沖電容器,并且還指定用于阻尼由功率半導體開關期間所謂的電荷載流子存儲效應引起的不希望的電壓尖峰。此外,交流電容器用于低失諧或閉諧濾波電路中,用于過濾或吸收諧波。作為脈沖放電電容器,它們可用于具有反向電壓的應用,例如磁化設備。直流電容器的應用范圍同樣多種多樣。平滑電容器用于降低波動直流電壓的交流分量(如廣播電視發射機電源),用于高壓測試設備、直流控制器、測控技術和級聯電路以產生高壓直流電壓。支持電容器、直流濾波器或緩沖電路電容器用于中間直流電路中的能量存儲,例如用于多相驅動器的變頻器以及晶體管和晶閘管功率轉換器。它們必須能夠在短時間內吸收和釋放非常高的電流,電流的峰值遠大于RMS值。浪涌(脈沖)放電電容器還能夠提供或吸收極短持續時間的電流浪涌。它們通常在具有非反向電壓和低重復頻率的放電應用中運行,例如在激光技術和照明發生器中。電力電容器可以達到相當大的物理尺寸。帶有內部互連單個電容器的矩形外殼可以達到L×W×H=(350×200×1000)mm及以上的尺寸。
優點
- 聚丙烯薄膜電容器符合1類應用要求
- 非常低的損耗因數(tanδ)、高品質因數(Q)和低電感值(ESL)
- 與陶瓷電容器相比沒有顫噪
- 金屬化結構具有自愈特性
- 高額定電壓,最高可達kV范圍
- 與電解電容器相比,紋波電流高得多
- 與類似值的電解電容器相比,老化要低得多
- 可能產生高和非常高的浪涌電流脈沖
缺點
- 與電解電容器相比,物理尺寸更大
- 表面貼裝技術(SMT)封裝的類型數量有限
- 薄膜/箔類型沒有自愈能力(不可逆短路)
- 在過載條件下可能易燃
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