конденсатор что это в химии
Вся правда о конденсаторах: волшебные свойства загадочных баночек
Было ли лучшее время для энтузиастов и любителей Hi-Fi, чем конец 1970-х и начало 1980-х годов? С одной стороны, так много всего происходило с развитием цифрового аудио, а с другой — наблюдался рост субъективизма. Внезапно проигрыватели и усилители стали оценивать не по уровню детонации, выходной мощности и гармоническим искажениям, а по их звучанию! И можно было даже всерьёз говорить о звучании кабелей. В этой новой атмосфере всё, что когда-то считалось само собой разумеющимся в области Hi-Fi, стало кандидатом на переоценку.
Пристальному изучению подверглось и влияние на звук пассивных электронных компонентов — резисторов, индуктивностей и конденсаторов. В особенности, конденсаторов. Знающие люди начали обсуждать такие явления как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и диэлектрическое поглощение.
Сегодня мы нечасто слышим об этой теме, но не потому, что проблема была исчерпана. Скорее всего, разработчики нынче уделяют столь же пристальное внимание используемым пассивным компонентам, как и схемам, в которых они применяются, так что общественный фурор несколько стих.
В простейшем виде конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделённых воздухом (или, ещё лучше, вакуумом) и схематично изображён на рис. 1. Поскольку между пластинами нет проводящего пути, конденсатор блокирует постоянный ток (например, от батареи). При этом конденсатор, напротив, пропускает сигналы переменного тока — как раз такие как звуковые волны.
Рис. 1. Компоненты, из которых состоит конденсатор — две проводящие пластины, разделённые слоем диэлектрика.
Проверенное решение
Мы нечасто сталкиваемся с воздушными конденсаторами, но если вы заглядывали внутрь старого лампового радиоприемника и видели элемент, отвечающий за настройку, который состоит из чередующихся металлических пластин, это как раз воздушный конденсатор переменной ёмкости. В большинстве конденсаторов, с которыми мы сталкиваемся в аудиотехнике и прочей электронике, в качестве изолирующего материала (диэлектрика), разделяющего пластины, не используется воздух, поскольку он имеет низкую диэлектрическую постоянную (1,0), а это означает, что воздушные конденсаторы большой емкости слишком громоздкие, чтобы быть практичными. По этой причине используются, в основном, твёрдые диэлектрики, с более высокими диэлектрическими свойствами, в том числе из керамики и различных видов пластмасс (например, ПВХ с диэлектрической проницаемостью 4,0). Именно здесь история становится особенно интересной, поскольку для всех этих диэлектриков характерны те или иные компромиссы в плане влияния на звук, в то время как воздух практически идеален.
Простые фильтры
Для начала, узнаем побольше о том, как ведут себя конденсаторы и для чего они используются. Конденсаторы блокируют постоянный ток и пропускают переменный, однако они не пропускают переменный ток с разной частотой одинаково. Это объясняется тем, что конденсаторы обладают реактивным сопротивлением, которое снижается с увеличением частоты (к слову, катушки индуктивности тоже обладают реактивным сопротивлением, которое, наоборот, увеличивается с ростом частоты).
Таким образом, конденсаторы пропускают высокочастотные сигналы легче, чем низкочастотные, что делает их крайне полезными в частотно-селективных цепях (то есть, в фильтрах), а также для устранения нежелательных сигналов (например, гул или шум с шины питания постоянного напряжения).
Простые фильтры верхних и нижних частот показаны на рис.2. В фильтре верхних частот (рис. 2а) последовательно включенный конденсатор подключен к шунтирующему резистору. В фильтре нижних частот (рис. 2b) конденсатор и резистор меняются местами.
Рис. 2. RC-фильтр первого порядка верхних (2a) и нижних (2b) частот.
Итак, конденсаторы зачастую используются для объединения цепей, отделения нежелательного шума в цепях постоянного напряжения и в частотно-селективных цепях (фильтрах). Поскольку конденсаторы накапливают электрический заряд, большие из них также применяются в качестве резервуаров в источниках питания переменного и постоянного тока. На рис. 3 показан типовой источник питания, включающий в себя понижающий трансформатор (он понижает напряжение сети), мостовой выпрямитель (который преобразует переменный ток из трансформатора в импульсный постоянный ток) и пару конденсаторов-резервуаров (сглаживающих пульсации после выпрямления переменного тока).
Рис.3. Принципиальная схема двухполупериодного источника питания, состоящего из понижающего трансформатора, двухполупериодного мостового выпрямителя и двух резервуарных конденсаторов.
Подобные схемы встречаются во многих твердотельных аудиокомпонентах. Аналогичные решения используются и в ламповом оборудовании, но из-за высоких напряжений, требуемых для работы ламп, трансформатор здесь обычно повышает напряжение сети.
Ёмкость резервуарных конденсаторов, используемых в транзисторных усилителях мощности, может достигать 50 000 мкФ и более, тогда как в других случаях в схеме могут использоваться конденсаторы емкостью 1 НФ (одна тысячная микрофарада) или даже меньше. Таким образом, очевидно, что некоторые типы конденсаторов лучше подходят под определённые задачи, чем другие.
Важное уточнение
Как правило, самые большие резервуарные конденсаторы являются электролитическими, ведь они обеспечивают высокую ёмкость в сравнительно небольшом объёме. Такие конденсаторы содержат электролит (жидкость или гель), который химически реагирует с металлической фольгой внутри банки, образуя слой диэлектрика. Подобные электролитические конденсаторы, а также некоторые другие — например, танталовые, называются полярными, а несоблюдение полярности подключения может привести к их выходу из строя.
Другая разновидность — неполярные конденсаторы, которые можно подключать без учёта полярности. Подобные электролиты иногда использовались в пассивных кроссоверах акустических систем, однако такая практика сегодня устарела, поскольку плёночные конденсаторы справляются с этой задачей лучше, хоть и занимают больше места.
Конденсаторы также могут иметь различное расположение выводов — аксиальное (осевое) или радиальное. Преимущество радиальных электролитов заключается в том, что они занимают меньше площади на плате, однако их минус — в том, что они увеличивают её высоту. В больших электролитических конденсаторах обычно отказываются от выводов под пайку — в пользу винтовых клемм.
Что скрывают конденсаторы
Настоящие конденсаторы, как и настоящие политики, ведут себя не идеально, и именно здесь кроется причина их влияния на качество звука. Во-первых, на практике ни один конденсатор не является только ёмкостью — он также имеет индуктивность и сопротивление. На принципиальной схеме конденсатор обычно обозначается одним из символов на рис. 4 (все они визуально отсылают к двум разделенным пластинам), однако в реальности он представляет собой что-то вроде схемы, представленной на рис. 5. Резистор обозначенный на рисунке как ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) может быть не постоянным — сопротивление может зависеть от частоты. В случае с электролитическими конденсаторами, ESR обычно уменьшается с частотой.
Рис. 4. Варианты обозначения конденсаторов на схеме
Одним из последствий того, что у конденсаторов есть индуктивность (ESL или эквивалентная последовательная индуктивность на рис. 6), является то, что они, по сути, являются электрически резонансными. Если проанализировать импеданс конденсатора в зависимости от частоты, он не будет продолжать уменьшаться с ростом частоты. На рис. 6 показано, что импеданс достигает минимума (эквивалентного значению ESR) на резонансной частоте, а затем, по мере увеличения частоты, он снова начинает расти из-за ESL.
Рис. 5. Схематичный эквивалент реального конденсатора демонстрирует паразитное сопротивление (ESR) и индуктивность (ESL) 
Рис. 6. Паразитная индуктивность приводит к тому, что у конденсаторы имеют электрический резонанс, иногда — в пределах слышимого диапазона частот.
У больших электролитических конденсаторов частоты электрического резонанса обычно находятся в пределах звукового диапазона. У небольших конденсаторов частоты электрического резонанса могут превышать 1 МГц. Для увеличения частоты электрического резонанса для заданной емкости следует уменьшить ESL — последовательную индуктивность.
Для достижения этой цели, при разработке электролитических конденсаторов, где такая проблема стоит наиболее остро, применяются различные методы. Например, в конденсаторах DNM T-Network для снижения индуктивности используются специальные Т-образные соединения из фольги — таким образом, их резонансная частота более чем в два раза выше по сравнению со стандартной конструкцией (от 28 кГц до 75 кГц — в примере, который приводит компания DNM на своём веб-сайте).
ESR оказывает потенциально благотворное влияние на демпфирование электрического резонанса конденсатора, однако, в отличие от индуктивности или ёмкости, сопротивление генерирует тепло в то время, когда через конденсатор проходит ток. В больших ёмкостных конденсаторах, где проходящие через них токи велики, этот эффект внутреннего нагрева ограничивает безопасные условия эксплуатации. Тем не менее, электролитические конденсаторы лучше всего работают именно тёплыми.
Микрофонный эффект
Не секрет, что ламповое оборудование чувствительно к вибрации. Внутри вакуумированной стеклянной оболочки лампы находятся тонкие металлические электроды, расстояние между которыми влияет на работу лампы. Таким образом, если встряхнуть лампу достаточно сильно, это отразится на её электрической мощности — эффект, который называют «микрофонным», поскольку лампа в таком случае ведёт себя подобно микрофону.
Твердотельная электроника меньше подвержена этому эффекту, однако приведём в пример некий крайний случай: разработчики первых систем управления двигателем в гоночных автомобилях вскоре научились не прикреплять электронные блоки к двигателю, либо использовать хорошую изоляцию, иначе вибрации от двигателя могли нарушить её работу. Уровни вибрации, которые испытывает Hi-Fi оборудование при повседневном использовании, гораздо ниже, однако некоторые производители, среди которых, например, Naim Audio, по-прежнему прилагают большие усилия, чтобы свести к минимуму вероятное воздействие микрофонного эффекта.
Способность конденсатора накапливать заряд (его ёмкость) пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними, а «пластины» обычно представляют собой тонкую фольгу с тонкими слоями диэлектрика между ними. Это приводит к тому, что конденсаторы подвержены воздействию микрофонного эффекта, поскольку из-за вибрации расстояние между пластинами и, следовательно, значение ёмкости может меняться.
Таким образом, физические свойства материалов, из которых изготовлен конденсатор, могут быть столь же важны, как и электрические параметры. Но что ещё интереснее, вибрация извне не является необходимым условием для того, чтобы конденсаторы страдали от её воздействия, ведь силы, формируемые напряжениями и токами внутри самого конденсатора, также могут вызывать механические резонансы. Из-за этого эффекта можно даже услышать, как некоторые конденсаторы издают звук, когда через них проходит сигнал. В кроссовере акустической системы, где уровни вибраций, напряжения и токи высоки, присутствует «идеальный шторм» факторов, которые делают выбор подходящего конденсатора особенно важной задачей.
Ключевые слова
Проблема микрофонного эффекта и механических резонансов конденсаторов активно обсуждалась на протяжении многих лет, однако исследований по этому вопросу было достаточно мало. Во всяком случае, мало опубликованных исследований. Но те, что существуют, подтверждают мнение, что данный эффект может оказывать заметное влияние качества звучания.
К тому же, в некоторых случаях конденсаторы могут приводить к необычайно высоким уровням гармонических и интермодуляционных искажений. Понимание того, как и почему это происходит, позволяет разработчикам сосредоточить свои усилия на доработке электронной схемы и тщательном выборе электронных компонентов — таким образом, чтобы это принесло наибольшую пользу.
История конденсаторов часть 2: современная эра
В начале истории конденсаторов они использовались в основном для получения первых представлений об электричестве, ещё даже до того, как были открыты электроны. Это было время для публичных демонстраций достижений науки, например, в виде держащихся за руки людей, через которых пропускали ток конденсатора. Современная эра развития конденсаторов начинается в конце 18-го века, когда началось практическое применение электричества, потребовавшее изготовления конденсаторов с определёнными свойствами.
Лейденские банки
Маркони с передающим аппаратом
Одним из примеров практического использования стали искровые трансмиттеры, появившиеся до 1900 года и существовавшие в первом и втором десятилетиях. Трансмиттеры набирали большое напряжение для разряда через зазор, и потому с этой целью использовались керамические конденсаторы, которые могли выдержать такое напряжение. Кроме того, для этого требовалась высокая частота. Это были, по сути, лейденские банки, и для получения нужной ёмкости им требовались большие размеры.
Слюда
В 1909 году Уильям Дубилье [William Dubilier] изобрёл слюдяные конденсаторы меньшего размера, которые использовались на принимающей стороне в резонансных контурах беспроводного оборудования.
Ранние слюдяные конденсаторы представляли собою слои слюды и медной фольги, сжатые вместе в «пакетные слюдяные конденсаторы». Они были ненадёжными, и из-за того, что между слоями слюды и фольги оставались воздушные зазоры, были подвержены коррозии и окислению, а расстояние между пластинами могло меняться, что приводило к изменениям ёмкости.
В 1920-х были разработаны слюдяные конденсаторы с применением серебра, в которых слюда была с обеих сторон заключена в металл, что устраняло воздушные зазоры. Благодаря тонкому металлическому покрытию их размер можно было уменьшить, и они были очень надёжными. Конечно, развитие не остановилось на этом. Давайте рассмотрим историю современных конденсаторов, отмеченную рядом прорывов, следовавших один за другим.
Керамика
Многослойные керамические конденсаторы вокруг микропроцессора
В 1920-х слюды в Германии было мало, и там экспериментировали с новыми поколениями керамических конденсаторов. Было обнаружено, что у рутила (диоксида титана) ёмкость линейно зависит от температуры, и они могут заменить слюдяные конденсаторы. Их сначала производили в небольших количествах, а затем более крупными партиями в 1940-х. Они состояли из дисков, покрытых с двух сторон металлом.
Для увеличения ёмкости использовалась ещё одна разновидность керамики, титанат бария, и у неё диэлектрическая постоянная была в 10 раз выше, чем у слюды или диоксида титана. Но электрически параметры у неё были менее стабильными, и в результате её можно было использовать вместо слюды только там, где не требовалось надёжности. После Второй Мировой этот недостаток был исправлен.
Начавшая работу в 1961 году американская компания представила многослойный керамический конденсатор (multi-layer ceramic capacitor, MLCC), у которого размеры были меньше, а ёмкость – больше. К 2012 году ежегодное производство MLCC из титаната бария достигало уже 10 12 штук.
Алюминиевые электролитические
Электролитический конденсатор
В 1890-х Чарльз Поллак открыл, что слой оксида на алюминиевом аноде проявляет стабильность в нейтральной или щелочной среде, и получил в 1897 году патент на алюминиевый электролитический конденсатор с бурой. Первые «мокрые» электролитические конденсаторы» появились в радиоприёмниках в 1920-х, но их срок жизни был ограничен. «Мокрыми» их называли из-за содержания воды. Это была ёмкость с металлическим анодом, погружённым в раствор буры или другого электролита, растворённого в воде. Внешняя часть контейнера служила второй пластиной. Их использовали в телефонных АТС для уменьшения шума реле.
Патент на предка современного электролитического конденсатора был заявлен в 1925 году Сэмюэлем Рубеном. Он сделал бутерброд из гелеобразного электролита, расположенного между анодом, покрытым оксидом, и второй пластиной из металлической фольги, устранив необходимость в контейнере с водой. В результате получился «сухой» электролитический конденсатор. Всё это серьёзно уменьшило размер и стоимость конденсаторов.
В 1936-м компания Cornell-Dubilier представила свои алюминиевые электролитические конденсаторы, в которых были такие улучшения, как загрубление поверхности анода, помогавшее увеличить ёмкость. Компания Hydra-Werke, принадлежавшая AEG, примерно в то же время начала их массовое производство в Берлине.
После Второй Мировой быстрое развитие технологий радио и телевидения привело к увеличению производства конденсаторов и разнообразия их стилей и размеров. Среди улучшений были уменьшение утечек тока и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), увеличение температурных рамок и срока службы благодаря использованию новых органических электролитов. Дальнейшие разработки в 1970-1990-х годах продолжили эту тенденцию, уменьшая утечки, ESR и увеличивая рабочие температуры.
В начале 2000-х годов случилась т.н. «конденсаторная чума», из-за того, что производители использовали для изготовления конденсаторов украденный рецепт электролита, который оказался неполным. Отсутствие стабилизирующих компонентов приводило к раннему выходу конденсаторов из строя.
Танталовые электролитические
Танталовый конденсатор поверхностного размещения
Танталовые электролитические конденсаторы впервые начали изготавливать для военных нужд в 1930-х. Они использовали закрученную танталовую фольгу и жидкий электролит. В 1950-х в Bell Laboratories изготовили первый танталовый конденсатор с твёрдым электролитом. Они растирали тантал в порошок и спекали его в цилиндр. Сначала использовались жидкие электролиты, но потом было обнаружено, что диоксид марганца можно использовать в качестве твёрдого электролита.
И хотя основные изобретения были сделаны в Bell Labs, в 1954-м Sprague Electric Company улучшила процесс изготовления, и начала производить первые коммерчески доступные танталовые конденсаторы с твёрдым электролитом.
В 1975 появились полимерные танталовые электролитические конденсаторы с гораздо большей проводимостью. В них проводящие полимеры заменяли диоксид марганца, что приводило к уменьшению ESR. NEC выпустили полимерный танталовый конденсатор в 1995 году для поверхностного монтажа, а в 1997 за ними последовала и Sanyo.
Стоимость танталовой руды на рынке нестабильна, и пару раз скачки уже случались – в 1980 и в 2000/2001 годах. Последний скачок привёл к разработке ниобиевых электролитических конденсаторов с электролитом из диоксида марганца, свойства которых были примерно сравнимы с танталовыми.
Полимерная плёнка
Конденсаторы на полимёрной плёнке
Конденсаторы на металлизированной бумаге были запатентованы в 1900-м году Г.Ф. Мэнсбриджем [G.F. Mansbridge]. Металлизировали бумагу, покрывая её связующим веществом, содержавшим частички металла. В начале 1900-х их активно использовали как развязывающие конденсаторы в телефонии. Во время Второй мировой Bosch улучшила процесс и производила их, покрывая бумагу лаком, который затем покрывался металлом путём вакуумного напыления. В 1954-м Bell Labs изготовили металлизированную лаковую плёнку толщиной 2,5 мкм отдельно от бумаги, что позволило создавать конденсаторы ещё меньшего размера. Этот конденсатор можно считать первым полимерным.
Исследования пластика, проводимые специалистами по органической химии во время Второй мировой, привели к развитию этой темы. Одним из них в 1954 году стал первый майларовый конденсатор. Торговую марку «майлар» в 1952 году представила компания Dupont, и это был очень прочный полиэтилентерефталат (PET), плёнка на основе синтетического полиэфирного волокна. В 1954 был произведён конденсатор на майларовой плёнке толщиной 12 мкм. К 1959 году список включал конденсаторы, сделанные при помощи полиэтилена, полистирена, политетрафторэтилена (PTFE), PET и поликарбоната. К 1970-м в электронных устройствах использовались конденсаторы из плёнки и фольги без бумаги.
Двойные (суперконденсаторы)
Суперконденсаторы
И вот история приводит нас к последнему типу конденсаторов, и очень интересному, поскольку их ёмкость измеряется уже в тысячах фарад. В начале 1950-х исследователи в General Electric использовали свои наработки в области топливных ячеек и перезаряжаемых батарей для экспериментов с конденсаторами с пористыми электродами из углерода. Это привело к патенту Беккера на «Электролитический конденсатор низкого напряжения с пористыми углеродными электродами». GE не стала заниматься дальнейшими разработками, но заложенные в патент принципы привели к созданию конденсаторов очень высокой ёмкости.
Компания Standard Oil из Огайо разработала ещё одну их версию, и в итоге продала в 1970-х лицензию компании NEC, которая довела их до коммерческого варианта под торговой маркой «суперконденсатор». Они работали с напряжением в 5,5 В и имели ёмкости до 1 Ф. Они достигали объёма в 5 куб.см. и использовались в качестве резервного источника питания для компьютерной памяти.
Профессор Брайан Эванс Конвэй из Оттавского университета работал над электрохимическими конденсаторами из оксида рутения с 1975 по 1980 годы. В 1991 он описал разницу между суперконденсаторами и батареями в электрохимическом хранении заряда, а полностью описал различия в 1999 году, снова введя в оборот термин «суперконденсатор».
Продукты и рынки для суперконденсаторов постепенно появлялись. Известные торговые марки – это Goldcaps, Dynacap и PRI Ultracapacitor, последняя из которых связана с первыми суперконденсаторами, обладающими небольшим внутренним сопротивлением, разработанными в 1982 году компанией Pinnacle Research Institute (PRI) для нужд военных.
Относительно свежие разработки на рынке включают литий-ионные конденсаторы, в которых аноды из активированного угля покрываются ионами лития. Их ёмкость составляет тысячи фарад при напряжении в 2,7В.