Конденсаторы повышенной емкости: Алюминиевые электролитические конденсаторы Epcos повышенной мощности

Содержание

Алюминиевые электролитические конденсаторы Epcos повышенной мощности

Алюминиевые электролитические конденсаторы повышенной мощности серии B43456/458 фирмы Epcos AG (Рис.1) уже нашли свое применение в преобразователях для железнодорожного транспорта, преобразователях для электропривода, преобразователях для технологических установок; в устройствах плавного пуска приводных механизмов (электроприводы насосных агрегатов, вентиляторов, компрессоров) и других механизмов в различных отраслях промышленности и в жилищно-коммунальном хозяйстве.

Рис.1 Основные размеры резьбовых конденсаторов серии B43456/458

(B43456 крепится при помощи хомутов, серия B43458 имеют болтовое крепление)

Алюминиевые электролитические конденсаторы занимают особое место среди различных видов конденсаторов, т.к. их принцип действия основан на электрохимических процессах. Развитие алюминиевого электролитического конденсатора стало возможным благодаря свойству некоторых металлических окисей детектировать, а также потому, что алюминиевая окись (AI

2O₃) очень прочно сцеплена с металлом.

Преимущества, из-за которых алюминиевые электролитические конденсаторы нашли широкое применение, это их высокий коэффициент удельной емкости. Это дает возможность производства конденсаторов с емкостным сопротивлением до 1 F. Алюминиевые электролитические конденсаторы обеспечивают высокую производительность пульсации тока вместе с высокой надежностью и с отличным соотношением цена/характеристики.

Емкость конденсатора из параллельных пластин определяется, как C =e₀eA/d, где e0 — диэлектрическая постоянная в вакууме, e- диэлектрическая постоянная, А — площадь поверхности пластины и d — толщина диэлектрика. Значение емкости из этого отношения — главная характеристика электролитических конденсаторов.

На схеме алюминиевого электролитического конденсатора (Рис.2), одна из пластин анод, представляющая собой алюминиевую фольгу. Другая пластина, проводящая жидкость, электролит, используемая как вспомогательный электрод к другой алюминиевой фольге, катоду. Диэлектрик — слой алюминиевой окиси, прочно сцепленной с металлом анода.

Рис.2 Схема алюминиевого электролитического конденсатора

Диэлектрик (AI₂O₃)
Анод
Катод
Бумажный слой, пропитанный электролитом.

Анод подвергается электрохимической обработке для эффективного увеличения площади поверхности (до фактора 200), преобразования его поверхности от гладкого до шероховатого (Рис.3,4). Слой диэлектрика создается процессом анодного оксидирования. Этот процесс травления применяется для формирования алюминиевой окисной пленки и необходим для получения максимально возможной величины емкостного сопротивления. Толщина слоя возрастает пропорционально приложенному напряжению. Толщина пленки — приблизительно 1,2 nm/V.

Рис.3 Анодная фольга для высоковольтного конденсатора (увеличено 400х)(слева)/ Анодная фольга для низковольтного конденсатора (увеличено 400х)(справа)

Электрод представляет собой пористую бумагу. Она пропитана электролитом, который обеспечивает эффективный контакт с шероховатой поверхностью, что помимо сохранения электролита, обеспечивает физическое разделение между анодом и катодом.

Катод также подвергается процессу травления. В результате, из-за действия кислорода, создается тонкий слой окиси на его поверхности. Этот слой способен выдержать напряжение около 2V. Т.к. этот диэлектрик имеет минимальную величину, он придает конденсатору значительную емкость.

Катод и анод формируются в отрезок ленты (Рис.5), которая представляет собой две алюминиевые фольги с проложенной между ними разделяющей бумагой. Бумага выполняет роль абсорбента электролита, служит разделительным слоем для предотвращения короткого замыкания, и также сохраняет свойства диэлектрика между анодной и катодной фольгой. Лента скручивается и пропитывается электролитом. После этого к конденсатору прикладывается напряжение, чтобы восстановить окисный слой в областях, где его не существует или он ухудшился в результате производственного процесса.

Когда этот процесс завершен, конденсатор подвергают серьезному испытанию температурным нагревом.

Рис.5 Схема формирования конденсатора.

Анодная фольга
Бумажный слой
Катодная фольга
Выводы
Защитная бумага
Защитная фольга катода

Технология анодирования фольги, применяемая в алюминиевых электролитических конденсаторах серии B43456/458 фирмы Epcos AG позволяет им достичь намного больше емкостного сопротивления, чем у альтернативных приборов, используемых на рынке.

Конденсаторы имеют компактные размеры, делая их идеальными для применения в высоковольтных приборах, работающих при температуре до 85°С.

Высокая проводимость электролитов минимизирует термические потери, давая конденсаторам способность удерживать электрический заряд. Это означает, что можно снизить их вес и цену. Таким образом, конденсаторы серии B43456/458 особенно хорошо применяются в приборах с приводными механизмами, где снижение веса играет огромную роль.

Конденсаторы серии B43456/458 пригодно использовать при низкой температуре (до — 40оС) окружающей среды.

Для увеличения производительности пульсации тока применяется вариант конденсатора с охлаждением через днище (Рис.6). Позволяет увеличить пульсацию тока до 170%. Термослой между радиатором и корпусом конденсатора, используемый фирмой Epcos AG, имеет в 63 раза больше теплопроводности, чем воздух, обеспечивает очень высокую прочность изоляции, до 2,5 kV

Рис.6 Вариант конденсатора с радиатором, для охлаждения через днище (применяется для конденсатора с диаметром > 64,3 мм и без болтового крепления)

Также существуют варианты резьбовых алюминиевых электролитических конденсаторов с пониженной собственной индуктивностью L = 13 nH. Они имеют ряд преимуществ:

значительно снижается максимальная величина напряжения, вызванная чрезмерными пульсациями
возможность использования полупроводников с более низкими характеристиками напряжения, что позволяет снизить стоимость
можно сократить число параллельно подсоединенных конденсаторов. Чем меньше их число, тем легче цепь, меньше требуется пространства для установки, также снижается цена

В заключение можно подчеркнуть, что алюминиевые электролитические конденсаторы фирмы Epcos AG серии B43456/B43458 имеют компактные размеры, высокий коэффициент заполнения объема, высокую устойчивость к импульсному току, высокую надежность, длительный срок службы. Цельносварная конструкция обеспечивает хороший и надежный электрический заряд внутри конденсатора. Существуют варианты, выполняемые под заказ, с охлаждением через днище и с пониженной собственной индуктивностью.

Как проблема распределения питания электролитических конденсаторов почти вывела из строя здание

Altium Designer

|&nbsp Создано: 20 Марта, 2018 &nbsp|&nbsp Обновлено: 21 Мая, 2020

Недавно я наткнулся на интересную историю о котельной системе, которая не запустилась под пристальным наблюдением представителя TDK-Lambda, а решение было найдено только специалистом по обслуживанию здания. История начинается с отключения стареющего котла в разгар лютой британской зимы, что требовалось заменой семилетних радиаторов. После ремонта и замены котел был включён, но он не запустился.

Услышав разговоры о дополнительных материальных и временных затратах и не желая больше ждать возвращения тепла в своём здании, техник поднялся на чердак с представителем TDK-Lambda, чтобы изучить проблему. После показа подозрительной панели техник включил небольшой электрический нагревательный вентилятор, направил его на источник питания, и через двадцать минут котёл заработал.

Почему проблему удалось решить таким простым решением? Ответ находится в электролитических конденсаторах малого диаметра в источнике питания.

Часто в источниках питания высокого напряжения, общей практикой является применение громоздких алюминиевых электролитических конденсаторов с диаметром 10 мм и даже достигающих 50 мм. Такие большие конденсаторы, что неудивительно, хорошо подходят для подобных применений, благодаря отличной ёмкости, а также способности гасить пульсации напряжения.

К тому же такие конденсаторы обеспечивают устойчивую работу источника питания даже в случае короткого замыкания по входной линии питания переменного тока, что является важным для обеспечения надёжности котла. Конечно не хотелось бы, чтобы котлы отказывали зимой в морозы.

Такие конденсаторы имеют ряд ограничений по причине большого размера. Рассматривая спецификации изготовителя можно найти ключевые качества, являющие их сильные и слабые стороны.

Чаще всего во внимание принимается время жизни алюминиевых электролитических конденсаторов. По истечении времени жизни беспокойство в отношении больших конденсаторов начинает вызывать снижение надёжности при повышенной температуре. Электролит постепенно испаряется вследствии диффузии через резиновые уплотнения, что выражается в потере ёмкости и снижении эквивалентного последовательного сопротивления (ESR).

Для таких конденсаторов деградация может уменьшать время установления источника питания и, как следствие старения, увеличение пульсаций выходного напряжения может достигнуть точки нестабильной работы источника питания. Очевидно, что это будет проблемой для любой системы, не говоря уже о нашем холодном здании котельной.

Решением запроса рынка было отреагировать долгоживущими при высоких температурах конденсаторами. К тому же мы часто недооцениваем важность конденсаторов в схемах запуска и обслуживания. С такими экономически оправданными долгоживущими конденсаторами мы обязаны увидеть лучшую системную эффективность, не так ли? Не совсем.

Компромиссы срабатывают при обмене размера на правильность функционирования… иногда.

Учёт нескольких нюансов проектирования может иногда дать результат положительного улучшения эффективности системы. Но даже немного переменных – это слишком много, и можно в результате получить неправильную работу устройства.

Если взглянуть в спецификации изготовителей долгоживущих конденсаторов, то можно увидеть, например, что конденсатор 12,5 мм может иметь срок службы около 10 тысяч часов при температуре 105 градусов Цельсия. В той же серии конденсатор с диаметром 6,3 мм при той же температуре может иметь срок службы только 4 тысячи часов. В нашей котельной, работающей 24 часа в сутки, этот срок соответствует лишь 6 месяцам. После этого срока, конденсатор в лучшем случае будет иметь 75% от первоначальной ёмкости.

К тому же не так часто можно видеть маленькие конденсаторы около главного трансформатора источника питания, а также в горячем окружении, следовательно, наш обзор упускает эту часть качеств конденсаторов.

Стартовые цепи очень близки и важны котлу, который сообщает высокую температуру конденсатору. Это даёт эффект существенного снижения напряжения с годами, которые служил котёл.

Это может не представлять проблемы, пока котёл функционирует, однако, зная то, что источник питания начинает перезапускаться только после некоторого определённого порогового напряжения, которое накапливается в предшествующих конденсаторах (с уже пониженным значением ёмкости в условиях повышенной температуры), было бы разумно, если бы попытка перезапустить этот источник питания в разгар зимнего холода не сработала бы столь успешно.

Поэтому техник решил просто нагреть конденсатор настолько, чтобы был достигнут надлежащий порог напряжения для источника питания, чтобы затем он снова пришёл в себя и снова стал функционировать.

Несмотря на то, как весела и увлекательна была эта загадка, остался неотвеченным вопрос, какие уроки мы можем извлечь из всего этого и как мы можем улучшить проекты в будущем. Для начала я рекомендую нанять техников, похожих на учёных, которые будет заниматься вашими проектами. Это обеспечит критически важный уровень изобретательности.

После этого, следует быть уверенным, что изученные мелкие особенности (особенно для “экономичных”, долгоживущих конденсаторов) внутри источников питания и цепях распределения питания будут абсолютно учтены. Проверьте спецификации. Проверьте требования к окружающим условиям. Не скупитесь, чтобы сэкономить всего несколько долларов. Иначе можете оказаться посреди зимы с растерянным представителем TDK-Lambda.

Цепи распределения питания конденсаторов могут иногда быть такими же запутанными, как математика уровня докторов наук.

К тому же, используя программное обеспечение для анализа электрических режимов схемы, мы сможем выполнить её моделирование для различных условий окружающей среды, даже с учетом эффектов старения, таких как уменьшение ёмкости электролитических конденсаторов.

Программное обеспечение, такое как имитатор электрических схем Altium Mixed Sim в Altium Designer, феноменально подходит для такого анализы, позволяя выполнять расчёты при изменении глобальной температуры схемы, расчёты при изменении параметров компонентов, расчёты с учётом технологического разброса параметров компонентов.

Чтобы услышать больше примеров или узнать о том, как Altium может сделать ваши схемы выверенными и работоспособными, поговорите с экспертом Altium сегодня!

Не спались!

Пленочный конденсатор представляет собой трехслойную структуру, нанесенную на диэлектрическую подложку. Первый слой – проводящий слой, являющийся нижней обкладкой конденсатора, второй слой представляет собой однослойный или многослойный диэлектрик, и третий слой – проводящий слой верхней обкладки конденсатора.

 Основным требованием при проектировании тонкопленочных и толстопленочных конденсаторов так же, как и для пленочных резисторов, является минимальная площадь SCi ,занимаемая конденсатором.

     Классификация пленочных конденсаторов.

тонкопленочные (номинальной емкостью Ci до 105 пФ и допуском на номинал ?Ci = ±(5…10)%)

толстопленочные (от 500 до 2500 пФ с ?Ci=±15%.)

по конструкции

конденсаторы с простой прямоугольной (квадратной) формой

сложной фигурной формой, например в виде гребенки (ВЧ и СВЧ конденсаторы).

Геометрическая форма конденсатора выбирается, исходя из требования компактного размещения тонкопленочных элементов на подложке. Толстопленочные конденсаторы изготавливаются только прямоугольной или квадратной формы.

При проектировании пленочных конденсаторов следует руководствоваться следующими рекомендациями по конструкции:

конденсаторы повышенной емкости в сотни -тысячи пФ следует проектировать таким образом, чтобы верхняя обкладка вписывалась в контур нижней обкладки;

конденсаторы емкостью в десятки пФ изготавливаются в виде пересекающихся проводников одинаковой ширины, которые разделены слоем  диэлектрика.

Основные параметры пленочных конденсаторов.

номинальное значение

допуск на номинал ( погрешность)

электрическая прочность Eпр

рабочее напряжение Uр

добротность Qi

сопротивление утечки Rут

температурный коэффициент емкости ТКC = ?Ci

коэффициент старения емкости КстC

диапазон рабочих частот ?f

интервал рабочих температур ?? = Tв?Tн

время эксплуатации ?t

надежность.

Номинальное значение емкости Ci определяется по формуле:

Ci = ??0S /d = 8,85?S/d, [пФ]

 При использовании конденсаторов с многослойной структурой диэлектрических слоев

Ci = 8,85?nS/d, [пФ], где n – число диэлектрических слоев между обкладками.

Емкость пленочных конденсаторов удобно выражать через удельную емкость C0, [пФ/см2] :

Ci = С0S ,[пФ], где C0 = 8,85?/d [пФ]

Расчет толстопленочных конденсаторов начинается с выбора материала диэлектрика по рабочему напряжению. Чтобы конденсатор занимал как можно меньшую площадь, нужно выбирать материал с возможно более высокими диэлектрической проницаемостью, электрической прочностью, а также малыми значениями ТКС и tgd.
В зависимости от диапазона номинальных значений, выбирают диэлектрическую пасту, ПК 12, имеющих следующие параметры:

толщина пленки – 40 – 60 мкм
удельная емкость C0 = 10 000 пФ/см3
тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1,5 МГц – 3,5 tg? x 10-3

Для нижней и верхней обкладок ПП – 3:

толщина слоя – 15 – 25 мкм
удельное поверхностное сопротивление , 0,05 Ом / ?

Определим площадь верхней обкладки конденсатора:

Рассчитаем геометрические размеры верхних обкладок конденсатора. Для обкладок квадратной формы:

Для конденсаторов, учитывая, что нормировочный множитель равен 0,1 удобнее сделать верхнюю обкладку неквадратной формы. Надо учесть площадь вывода и компенсатора верхней обкладки (Sвыв= Sкомп), а также сделать вырез для получения необходимой емкости:

Вычислим геометрические размеры нижних обкладок конденсатора:

где р – перекрытие между верхней и нижней обкладками Р = 0,3
Определим геометрические размеры диэлектрика:

где f – перекрытие между нижней обкладкой и диэлектриком.
Вычисляют площадь, занимаемую конденсатором на плате:

Высоковольтные конденсаторы

Основные параметры высоковольтных конденсаторов

Подобрать нужный конденсатор и определить его параметры порой не такая простая задача. Для этого необходимо понимание всех характеристик конденсатора. Рассмотрим их по порядку.

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = CU). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад. Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой:

где — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единица), — электрическая постоянная, численно равная 8,854187817… ^.10^-12(эта формула справедлива, лишь когда d много меньше линейных размеров пластин).

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

Следовательно С=С₁+C₂+…+С_n.

Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы, так как от источника питания они поступают только на внешние электроды, а на внутренних электродах они получаются только за счёт разделения зарядов, ранее нейтрализовавших друг друга. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна:

или .

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Плотность энергии

Плотность энергии электролитического конденсатора зависит от конструктивного исполнения. Максимальная плотность достигается у больших конденсаторов, где масса корпуса невелика по сравнению с массой обкладок и электролита. Например, у конденсатора EPCOS B4345 ёмкостью 12000 мкФ x 450 В и массой 1.9 кг плотность энергии составляет 639Дж/кг или 845Дж/л. Особенно важен этот параметр при использовании конденсатора в качестве накопителя энергии, с последующим мгновенным её высвобождением, например, в пушке Гаусса

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается, что связано с увеличением тепловой скорости движения носителей заряда и, соответственно, снижению требований для образования электрического пробоя.

Паразитные параметры

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:

C - собственная ёмкость конденсатора;

r — сопротивление изоляции конденсатора;

R - эквивалентное последовательное сопротивление;

L — эквивалентная последовательная индуктивность.

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора — r

Сопротивление изоляции — это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U/I_ут , где U — напряжение, приложенное к конденсатору, I_ут — ток утечки.

Эквивалентное последовательное сопротивление — R

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague(англ.)).

Существуют специальные приборы (ESR-метры) для измерения этого достаточно важного параметра конденсатора, по которому можно часто определить пригодность его дальнейшего использования в определённых целях. Этот параметр, кроме собственно ёмкости (ёмкость — это основной параметр) — часто имеет решающее значение в исследовании состояния старого конденсатора, стоит ли использовать его в определённой схеме, или он прогнозируемо выйдет за пределы допустимых отклонений.

Эквивалентная последовательная индуктивность — L

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.

Саморазряд

С течением времени конденсатор теряет энергию за счёт саморазряда.

Тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь — отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол:

где — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь . Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности P_а к реактивной P_р при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная , называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для катушек индуктивности и трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ — относительное изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом, значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:

где ΔT — увеличение температуры в °C или °К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость ёмкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами ёмкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение ёмкости в рабочем диапазоне температур.

Диэлектрическое поглощение

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда. Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием химических реакций между электролитом и обкладками. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с органическими диэлектриками: тефлон (фторопласт), полистирол, полиэтилентерефталат, поликарбонат.

Классификация конденсаторов

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).

Конденсаторы с газообразным диэлектриком.

Конденсаторы с жидким диэлектриком.

Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.

Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка.

Импульсные конденсаторы.

Импульсные конденсаторы

Конденсаторы, используемые в ГИТ, чаще всего работают в режиме, близком к короткому замыканию: колебательный разряд на малую индуктивность при частоте колебаний 10⁴ – 10⁷ Гц. Основное требование, предъявляемое к конденсатору – запасать максимально возможную энергию в единице объема. Она определяется рабочей напряженностью Е_Р, при которой работает изоляция и диэлектрической проницаемостью ε изоляции.

К основным факторам, ограничивающим Е_Р, относятся:

кратковременная прочность изоляции секций конденсатора;

разрушение диэлектрика частичными разрядами (ЧР);

тепловой режим конденсатора.

Если конденсатор работает в частотном режиме, то ЕР определяется тепловым пробоем конденсатора. Если тепловой режим не является определяющим, то ЧР в толще диэлектрика и на закраинах секций являются определяющими.

Удельная энергия активного объема конденсатора определяется диэлектрической проницаемостью ε диэлектрика и рабочей напряженностью электрического поля Е_Р .

Для изготовления импульсных конденсаторов применяются диэлектрики на основе конденсаторной бумаги, синтетических пленок, пропитанных жидким диэлектриком с ε = (2-7)ε₀. Допустимая рабочая напряженность Е_доп раб определяется кратковременной прочностью изоляции и длительной прочностью или процессами старения диэлектрика в импульсном режиме. Основное значение при этом имеют тип применяемого диэлектрика и режим работы конденсатора.

Назначение Е_доп раб оказывают основное влияние следующие факторы: гарантированный ресурс конденсатора, надежность, форма импульса в разрядном режиме, частота повторения импульсов. Перечисленные характеристики режима работы определяют условия старения изоляции, которое происходит, в основном, из-за ЧР. Развитие ЧР во включениях при импульсном напряжении принципиально не отличается от того, что происходит на переменном напряжении.

Развитие частичных разрядов в изоляции

а – при синусоидальном напряжении; б – при импульсном напряжении

U_BM— амплитуда напряжения, которая была бы достигнута на

включении без ЧР;

U_ВЗ — напряжение зажигания разряда во включении;

U_ВП — напряжение погасания разряда во включении.

Число ЧР за один полупериод Т/2 определяется из следующих cоотношений

Для большинства типов отечественных и зарубежных импульсных конденсаторов объемная энергия составляет 0,1 МДж/м³ при рабочей напряженности 70-100 кВ/мм.

Основной путь увеличения объемной энергии – это использование либо новых полимерных пленок, обладающих повышенной электрической прочностью и большой ε (наприер, полиэтиленфтолат), либо пленочно-бумажной изоляции с пропиткой касторовым маслом.

Индуктивность импульсных конденсаторов. В ГИТах больших энергий индуктивность конденсаторов не играет большой роли, а в генераторах малых энергий – имеет определяющую роль.

Индуктивность конденсатора LC включает индуктивность пакета секции LП.C, индуктивность соединительных шин LШ и индуктивность выводов LВ.К.

Индуктивность пакета секции L_П.Cзависит от индуктивности секции L′c и схемы соединения секций. Если n_c – число последовательно соединенных секций, m_c – число параллельно соединенных секций в группе, то

Конденсаторные секции по способу выполнения обкладок можно разбить на 2 основные группы: рулонные и пластинчатые.

Особенности конденсаторов, работающих при большой частоте повторяемости импульсов

В этих конденсаторах Ер ограничена тепловым режимом. Энергия, выделяемая в конденсаторе W_ВЫД. С в разрядном режиме, зависит от параметров нагрузки. Если R_С – эквивалентное активное сопротивление конденсатора с энергией W_С, R_Н – активное сопротивление нагрузки, R_КОНТ. — эквивалентное активное сопротивление разрядного контура (разрядников, соединительных элементов), то

где W_О = W_C + N_C – энергия, запасенная в батарее конденсаторов накопителя;

N_C – количество параллельно включенных конденсаторов в накопителе.

Таким образом, если Rн и R_КОНТ. достаточно малы, даже при малом RС в конденсаторах будет выделяться значительная доля запасенной энергии.

Для уменьшения потерь в конденсаторе целесообразно использовать диэлектрик секций с малым tg δ при частоте колебаний разрядного контура. Таким диэлектриком является пленочный или бумажно-пленочный диэлектрик с применением неполярных полимерных пленок (полипропилена, полиэтилена и др.) и неполярных пропитывающих составов (конденсаторного масла и др.).

К конденсаторам высоковольтных импульсных устройств предъявляются требования минимальной собственной индуктивности и минимального объема системы обкладок и диэлектриков, чтобы соединительные проводники не вносили в разрядный контур больших индуктивностей.

Характеристики некоторых высоковольтных конденсаторов

Тип конденсатора	Напряжение, кВ	Емкость, мкФ	Энергия, кДж	Индуктивность, нГн	Ресурс, имп.	Максимальный ток
ИК-6-150 УХЛ4	6	150	2.7	60	10⁴	50
ИКМ-25-12 УХЛ4	25	12	3.75	25	3∙10³	250
ИКМ-50-3 УХЛ4	50	3	3.75	25	3∙10³	250
ИК-100-0.4 УХЛ4	100	0.4	2	150	2∙10³	50
ИК-200-0.1	200	0.1	2	200	2∙10³	50
КМ-30-10	30	10	4.5	10	10⁴	400
КМК-60-2	60	2	3.6	20	10³	300

Мы предлагаем высоковольтные конденсаторы, параметры которых лежат в следующих диапазонах:

1. Диапазон рабочих напряжений 0…125 кВ;

2. Диапазон емкостей 1…250 мкФ;

3. Диапазон энергий 100…3000 кДж;

4. Диапазон частоты следования разрядных импульсов 0.2…20 Гц;

5. Диапазон собственной индуктивности 50…2000 нГн;

6. Диапазон разрядного тока 1…1000 кА;

7. Ресурс конденсаторов до 10⁸ имп.

Термины и определения на конденсаторы

Введение

ГОСТ Р 57437-2017 (далее – стандарт) устанавливает термины и определения понятий в области конденсаторов, применяемых в радиоэлектронной аппаратуре.

Термины, установленные настоящим стандартом, предназначены для применения во всех видах документации и литературы в области конденсаторов, входящих в сферу работ по стандартизации и (или) использующих результаты этих работ.

Стандартизованные термины выделены полужирным шрифтом. Термины-синонимы приведены в круглых скобках после стандартизованного термина. Нерекомендуемые к применению термины обозначены пометкой «Нрк».

Общие понятия

Конденсатор (электрический): Элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрической емкости.
Диэлектрик: Вещество, основным электрическим свойством которого является способность поляризоваться в электрическом поле.
Диэлектрическая абсорбция конденсатора: Явление, обусловленное медленными процессами поляризации в диэлектрике, приводящее к появлению напряжения на электродах после кратковременной разрядки конденсатора.
Разрядка конденсатора: Процесс уменьшения заряда конденсатора, происходящий при замыкании выводов заряженного конденсатора на внешнюю электрическую цепь.
Зарядка конденсатора: Процесс накопления заряда, вызванный повышением напряжения на выводах конденсатора, при подключении его к источнику питания.
Заряд конденсатора: Электрический заряд, накопленный на электродах конденсатора в результате его зарядки.

Основные виды конденсаторов

Конденсатор постоянной емкости: Конденсатор, конструкция которого не предусматривает изменения его емкости.
Конденсатор переменной емкости: Конденсатор, емкость которого можно изменять с помощью подвижной системы в заданных пределах в процессе функционирования аппаратуры.
Подстроечный конденсатор: Конденсатор, емкость которого можно изменять с помощью подвижной системы в заданных пределах в процессе подстройки аппаратуры с последующим закреплением подвижной системы в положении, соответствующем установленной емкости.
Конденсаторная сборка: Группа конструктивно-объединенных конденсаторов, допускающая самостоятельное подключение любого конденсатора к внешней цепи.
Конденсатор общего применения: Конденсатор, предназначенный для использования в цепях постоянного, пульсирующего, переменного напряжения и в импульсных режимах.
Конденсатор специального применения: Конденсатор, предназначенный для использования в конкретных видах цепей или режимов.
Импульсный конденсатор: Конденсатор, предназначенный для применения в импульсном режиме.
Помехоподавляющий конденсатор: Конденсатор, предназначенный для ослабления электромагнитных помех.
Помехоподавляющий конденсатор типа X: Помехоподавляющий конденсатор, к которому не предъявляются специальные требования по обеспечению безопасности поражения электрическим током.
Помехоподавляющий конденсатор типа Y: Помехоподавляющий конденсатор повышенной электрической прочности, применяемый при переменном напряжении электрических цепей до 250 В.
Проходной конденсатор: Помехоподавляющий конденсатор, имеющий более двух выводов, из которых как минимум два вывода подсоединены к одному электроду, и по которым протекает ток внешней цепи.
Опорный конденсатор: Помехоподавляющий конденсатор, который имеет опорный вывод, обеспечивающий малую индуктивность соединения одного из электродов конденсатора с корпусом аппаратуры.
Коаксиальный проходной конденсатор: Проходной конденсатор цилиндрической конструкции, у которого ток внешней цепи протекает по стержню, проходящему по оси конденсатора, при этом выводы и электроды конденсаторов образуют коаксиальную конструкцию.
Некоаксиальный проходной конденсатор: Проходной конденсатор, у которого по электродам или выводам, не образующим коаксиальную конструкцию, протекает ток внешней цепи.
Защитный конденсатор: Конденсатор, снабженный плавкой вставкой, исключающей короткое замыкание во внешней цепи в случае пробоя диэлектрика конденсатора.
Керамический конденсатор: Конденсатор с диэлектриком из керамики.
Тонкопленочный конденсатор: Конденсатор, диэлектрик которого выполнен на основе тонкопленочной технологии.
Оксидный конденсатор: Конденсатор, диэлектриком которого служит оксидный слой некоторых вентильных металлов, например: алюминия, тантала, ниобия.
Конденсатор с объемно-пористым анодом: Оксидный конденсатор, анод которого представляет собой объемно-пористое тело, сформированное на основе порошка вентильного металла.
Фольговый конденсатор: Конденсатор, электроды которого состоят из металлической фольги.
Оксидно-электролитический конденсатор: Оксидный конденсатор, катодом которого является электролит.
Оксидно-полупроводниковый конденсатор: Оксидный конденсатор, катодом которого является слой полупроводника, нанесенного непосредственно на оксидный слой.
Конденсатор с двойным электрическим слоем (ионистор): Конденсатор, накопление заряда и энергии в котором происходит за счет образования электрического поля в двойном электрическом слое на границе раздела между проводником с электронной проводимостью и проводником с ионной проводимостью (электролитом).
Воздушный конденсатор: Конденсатор, диэлектриком которого служит воздух.
Вакуумный конденсатор: Конденсатор, диэлектриком которого служит вакуум.
Линейный конденсатор: Конденсатор, заряд которого пропорционален напряжению, прилагаемому к электродам конденсатора, т.е. емкость которого не зависит от приложенного напряжения.
Нелинейный конденсатор: Конденсатор, зависимость заряда которого от приложенного к электродам напряжения отличается от линейной, т.е. емкость которого зависит от приложенного напряжения.
Вариконд: Нелинейный конденсатор, емкость которого управляется приложенным к электродам напряжением.
Пленочный конденсатор: Конденсатор с диэлектриком из органической синтетической полимерной пленки.
Примечание — В зависимости от материала диэлектрика пленочные конденсаторы разделяются на полиэтилентерефталатные, полипропиленовые, полифениленсульфидные, полиэтиленнафталатные и др.
Конденсатор с комбинированным диэлектриком (комбинированный конденсатор): Конденсатор, диэлектрик которого состоит из определенного сочетания слоев различных материалов.
Примечание — Примерами такого диэлектрика является сочетание конденсаторной бумаги и органической пленки, пленок с различной диэлектрической проницаемостью, слоев органической пленки и жидкого диэлектрика.
Металлизированный конденсатор: Конденсатор, электроды которого состоят из металла, напыленного на диэлектрик.
Конденсатор с многослойным диэлектриком (многослойный конденсатор): Конденсатор, диэлектрик которого состоит из нескольких слоев материала.
Герметичный конденсатор: Конденсатор с герметичной конструкцией корпуса, исключающей массообмен между внутренним объемом конденсатора и окружающей средой.
Уплотненный конденсатор: Конденсатор с конструкцией корпуса, уплотненной органическими материалами, не исключающей массообмен между внутренним объемом конденсатора и окружающей средой.
Защищенный конденсатор: Конденсатор, имеющий влагозащитное покрытие или оболочку.
Незащищенный конденсатор: Конденсатор, не имеющий влагозащитной оболочки.
Изолированный конденсатор: Конденсатор, конструкция которого допускает контакт корпуса конденсатора с проводящей поверхностью при приложении номинального напряжения между проводящей поверхностью и любым выводом конденсатора.
Неизолированный конденсатор: Конденсатор, конструкция которого не допускает контакт корпуса конденсатора с проводящей поверхностью при приложении номинального напряжения между проводящей поверхностью и любым выводом конденсатора.
Конденсатор для поверхностного монтажа: Конденсатор, у которого выводы выполнены в виде контактных площадок.
Полярный конденсатор: Конденсатор, предназначенный для применения в цепях постоянного и пульсирующего тока при постоянной полярности напряжения на его выводах.
Неполярный конденсатор: Конденсатор, допускающий смену полярности напряжения на его выводах.

Конструктивные элементы

Электрод конденсатора: Нрк. обкладка конденсатора; Часть конденсатора из токопроводящего материала, предназначенная для создания в диэлектрике электрического поля.
Вывод конденсатора: Часть конденсатора, предназначенная для соединения его электрода с внешней электрической цепью.
Опорный вывод опорного конденсатора: Один из выводов помехоподавляющего опорного конденсатора, конструкция которого пригодна для соединения с корпусом аппаратуры без дополнительных соединительных проводов.
Примечание — Конструкция этого вывода может быть выполнена в виде резьбовой шпильки или резьбового фланца.
Самофиксирующийся [самозащелкивающийся] вывод: Вывод, предназначенный для самостоятельного фиксирования [защелкивания] при установке на печатную плату с целью фиксирования изделия в определенном положении.
Анод конденсатора: Положительный электрод полярного конденсатора.
Катод конденсатора: Отрицательный электрод полярного конденсатора.

Основные технические параметры, свойства и характеристики

Саморазряд конденсатора: Свойство конденсатора, заключающееся в самопроизвольном снижении напряжения на разомкнутых выводах заряженного конденсатора в результате объемной и поверхностной проводимости элементов конструкции конденсатора.
Самовосстановление конденсатора: Свойство конденсатора восстанавливать работоспособность после локального пробоя его диэлектрика.
Основная резонансная частота конденсатора: Самая низкая частота переменного напряжения, при которой полное сопротивление конденсатора минимально.
(Электрическая) емкость конденсатора: Электрическая емкость между электродами электрического конденсатора.
Минимальная емкость конденсатора: Минимальное значение емкости конденсатора переменной емкости и подстроечного конденсатора, которое может быть получено перемещением его подвижной системы.
Максимальная емкость конденсатора: Максимальное значение емкости конденсатора переменной емкости и подстроечного конденсатора, которое может быть получено перемещением его подвижной системы.
Номинальная емкость конденсатора: Емкость, на которую рассчитан и сконструирован конденсатор.
Допускаемое отклонение емкости конденсатора: Максимально допустимая разность между значениями измеренной и номинальной емкости конденсатора, выраженная в абсолютных единицах, или указанная разность, отнесенная к номинальному значению емкости, выраженная в процентах.
Номинальное напряжение конденсатора: Максимальное напряжение, при котором конденсатор может работать в течение установленной наработки в условиях, указанных в нормативной документации.
Номинальный ток проходного конденсатора: Максимальный ток внешней цепи, протекающий по электродам и выводам проходного конденсатора, при котором конденсатор может работать в течение установленной наработки в условиях, указанных в нормативной документации.
Испытательное напряжение конденсатора: Напряжение, превышающее номинальное, при котором проверяется электрическая прочность конденсатора.
Тангенс угла потерь конденсатора: Отношение активной мощности конденсатора к его реактивной мощности при синусоидальном напряжении определенной частоты.
Добротность конденсатора: Отношение реактивной мощности конденсатора к его активной мощности при синусоидальном напряжении определенной частоты.
Зарядный ток конденсатора: Ток, проходящий через конденсатор при его зарядке.
Разрядный ток конденсатора: Ток, проходящий через конденсатор при его разрядке.
Ток утечки конденсатора: Ток проводимости, проходящий через конденсатор при постоянном напряжении.
Электрическое сопротивление изоляции конденсатора: Электрическое сопротивление конденсатора постоянному току при определенном постоянном напряжении, приложенном к выводам конденсатора.
Постоянная времени конденсатора: Величина, равная произведению сопротивления изоляции конденсатора на его емкость.
Собственная индуктивность конденсатора: Нрк. паразитная индуктивность; Индуктивность токоведущих элементов и выводов конденсатора, обусловленная его конструкцией.
Полное электрическое сопротивление конденсатора: Нрк. импеданс; Электрическое сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току.
Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора; ЭПС: Активная составляющая полного сопротивления конденсатора при определенной частоте приложенного напряжения.
Вносимое затухание: Величина, характеризующая ослабление электрического сигнала помех определенной частоты, вызванная включением помехоподавляющего конденсатора в электрическую схему.
Максимальная температура конденсатора: Температура наиболее нагретой точки контролируемого участка поверхности конденсатора.
Температура перегрева конденсатора: Величина, равная разности температур контролируемого участка поверхности конденсатора и окружающей среды.
Температурный коэффициент емкости конденсатора: Величина, применяемая для характеристики конденсаторов с линейной зависимостью емкости от температуры, равная относительному изменению емкости при изменении температуры конденсатора на один градус Цельсия.
Температурная характеристика емкости конденсатора: Максимальное изменение емкости, происходящее в установленном диапазоне температур при определенной, заданной в нормативной документации последовательности измерения, отнесенная к значению емкости, измеренной при температуре, указанной в нормативной документации.
Коэффициент диэлектрической абсорбции конденсатора: Величина, характеризующая диэлектрическую абсорбцию конденсатора, равная отношению напряжения, возникающего на выводах конденсатора, за счет диэлектрической абсорбции, к напряжению заряженного конденсатора.
Взрывоустойчивость конденсатора: Свойство конструкции конденсатора, исключающее возможность его разрушения при возникновении избыточного давления в корпусе.
Управляющее напряжение вариконда: Напряжение, под воздействием которого изменяется емкость вариконда.
Коэффициент управления вариконда: Коэффициент, показывающий, во сколько раз изменяется емкость вариконда при изменении управляющего напряжения от 0 В до значения номинального напряжения.

Литература

ГОСТ Р 52002-2003 Электротехника. Термины и определения основных понятий
ГОСТ Р 57437-2017 Конденсаторы. Термины и определения
ГОСТ IEC 60050-436-2014 Международный электротехнический словарь. Глава 436. Силовые конденсаторы

Тонкопленочные конденсаторы.

Производство Тонкопленочные конденсаторы.

просмотров — 1079

Наряду с резисторами пленочные конденсаторы относятся к числу наиболее массовых элементов ГИС. По конструкции пленочные конденсаторы чаще всего представляют собой трехслойную структуру металл – диэлектрик – металл и состоят из нижней и верхней обкладок, разделенных слоями диэлектрического материала.

К конструкции конденсаторов предъявляют ряд конструктивно — технологических требований: минимальные габариты, воспроизводимость характеристик, совместимость технологии их изготовления с процессами производства других элементов ГИС. Для конденсаторов повышенной емкости, (100 – 1000)пФ, используются конструкции:

1- слой диэлектрика; 2- нижняя обкладка; 3- верхняя обкладка.

Конструкции имеют следующие особенности:

1. контур верхней обкладки полностью вписывается в контур нижней обкладки;

2. при правильном выборе размеров обкладок неточность совмещения контуров не сказывается на величине емкости, т.к. при этом условии устраняется влияние погрешности базированной масок;

3. «слабое» место конструкции — ϶ᴛᴏ вывод верхней обкладки. В области ступенек вывода верхней обкладки возможны короткие замыкания между обкладками или обрывы верхнего вывода из-за нарушения целостности пленки. Вероятность брака пропорциональна ширине верхнего вывода «b«.

4. Контур диэлектрика заходит за пределы обеих обкладок. В этом случае гарантируется надежная изоляция обкладок по периферии конденсатора даже при предельном несовмещении обкладок.

Пленочный конденсатор большой емкости может иметь любую форму обкладок, используя полностью свободные участки площади подложки между проводниками и элементами.

Потери в обкладках и воспроизводимость зависят от расположения выводов верхней и нижней обкладок по отношению друг к другу. При высоких частотах предпочтительным является вариант с двухсторонним расположением выводов. Емкость такого конденсатора на частотах > 10 МГц c ростом частоты падает медленно.

При малых размерах площади верхней обкладки конденсатора (< 5мм²) для устранения погрешности емкости, вызванной смещением вывода верхней обкладки, крайне важно с противоположной стороны вывода сделать компенсатор:

При небольшой емкости конденсатора, когда его площадь меньше 1 мм², начинает сказываться краевой эффект. В результате этого емкость конденсатора определяется не столько площадью, сколько периметром. По этой причине для конденсатора небольшой емкости используют следующие конструкции:

Конструкция а) характерна для конденсаторов емкостью в десятки пФ, когда для получения крайне важной емкости достаточно площади взаимного пересечения двух коммутационных проводников, разделенных диэлектриком. Емкость такого конденсатора не чувствительна к смещению обкладок из-за неточности совмещения масок.

В случае если расчетная площадь конденсатора меньше 1мм², то его можно выполнить в виде двух последовательно соединенных конденсаторов (б). При малых емкостях, единицы или доли пФ, расчетная площадь не позволяет выполнить конденсаторы в виде трехслойной пленочной структуры. В этом случае применяется конструкция г) в виде двух параллельных проводников.

В высокочастотных устройствах применяются конденсаторы гребенчатой конструкции (в). В этом случае роль обкладок выполняет пленочный проводник в форме гребенок. Здесь используется составной диэлектрик подложка – воздух или подложка – диэлектрическое покрытие. В последнем случае на поверхность гребенчатого конденсатора напыляют слой диэлектрика.

Емкость пленочного конденсатора рассчитывается по формуле:

(пФ),

где — площадь взаимного перекрытия обкладок;

— относительная диэлектрическая проницаемость;

— удельная емкость (пФ/см²).

Минимальное значение (толщина диэлектрика) ограниченно требованиями сплошности пленки, рабочим напряжением, требуемой точностью емкости, качеством пленки и эксплуатационной надежностью конденсатора. Максимальное значение ограниченно механической прочностью сцепления пленки с подложкой. Это связано с тем, что с увеличением толщины пленки повышается уровень механических напряжений, обусловленных температурным расширением пленки и подложки.

Пленочные конденсаторы характеризуются следующими параметрами:

1. Отклонение емкости конденсатора от номинального значения.

Этот параметр обусловлен производственными погрешностями изготовления, изменениями температуры и старением материала. В процессе производства возможен разброс удельной емкости и геометрических размеров обкладок, тогда

Обычно в процессе производства погрешность емкости составляет .

2. Температурный коэффициент емкости (ТКС).

Определяет отклонение емкости при изменении температуры . Разделим предыдущее выражение на и получим, что

где α- температурный коэффициент соответственно диэлектрической проницаемости, толщины диэлектрика и размеров обкладок.

Пленки прочно сцеплены с подложкой, в связи с этим их температурный коэффициент зависит от температурного коэффициента линейного расширения подложки. Материалы подложек пленочных микросхем имеют обычно достаточно малый ТКЛР. Также мало и . По этой причине можно считать, что . Для большинства используемых в качестве диэлектрика материалов:

3. Коэффициент старения.

Определяет изменение емкости конденсатора в следствии деградационных процессов в пленочных диэлектриках. Этот параметр в основном определяется изменением диэлектрической проницаемости со временем:

Для типовых материалов: .

4. Рабочее напряжение.

Рабочее напряжение обеспечивается подбором материала диэлектрической пленки с необходимым значением электрической прочности и крайне важной толщиной пленки . Толщина диэлектрика из условия обеспечения заданного рабочего напряжения определяется по формуле:

где — коэффициент запаса, необходимый для обеспечения надежности конденсатора (3 – 10).

5. Добротность.

Добротность Q существенно зависит от конструкции конденсатора и используемых материалов:

где — тангенс угла потерь диэлектрика;

— тангенс угла потерь обкладок и выводов.

Сопротивление обкладок зависит от конструкции, проводимости материалов обкладок и их геометрических размеров, картины распределения токов в обкладках.

Для конденсаторов с двухсторонним расположением выводов ,

где и — сопротивления нижней и верхней обкладок, соответственно, которые бывают рассчитаны по формуле для пленочного резистора: .

Добротность пленочных конденсаторов лежит в интервале от 10 до 100.

Способ управления емкостью электрического конденсатора и конденсатор переменной емкости на его основе

Изобретение относится к радиоэлектронной промышленности и может быть использовано в конденсаторостроении.

Конденсаторы переменной емкости находят широкое применение в радиотехнике, системах автоматики, контроля и управления, генераторах электрической энергии. Принципиально, способы управления емкостью конденсатора основываются на изменении площади его обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости применяемого диэлектрического материала или их комбинации и осуществляются механически (конденсаторы переменные и подстроечные), электрически и с помощью нелинейных элементов (вариконды, варикапы).

При этом вариконды увеличивают емкость с увеличением напряжения на обкладках. В варикапах и их аналогах на МДП-структурах (металл-диэлектрик-полупроводник) для изменения емкости используется зависимость ширины p-n-зонного перехода от приложенного напряжения: с увеличением напряжения емкость снижается вследствие увеличения ширины гомогенного или гетерогенного перехода. Использование в схемах управления емкостью и варикапов, и варикондов требует приложения специального дополнительного напряжения смещения. Варикапы имеют меньшую по сравнению с варикондами добротность, но большую стабильность емкости и меньшие потери при высоких частотах (см. Горшков А.П. «Переменные конденсаторы» // «Радио», 1947, №1; Кочеров А.В. «Конденсатор электрический» // «Большая Советская энциклопедия», М.: Советская энциклопедия, 1969-1978; Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1985, с.137-138, 150-151).

Известны способы управления абсолютной емкостью электрического конденсатора с изменением средней диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора путем поляризации части диэлектрика в направлении основного поля конденсатора или перпендикулярно к нему, для чего к этой части диэлектрика прикладывают специальное управляющее электрическое поле, а также шунтированием части диэлектрика конденсатора (см. «Сегнетоэлектрический вариконд со встроенными устройствами блокирования прохождения постоянного тока», патент EA №003062 B1, МПК⁷ H01L 29/93, 1998 г.; «Конденсатор переменной емкости», авт. св. СССР №769650, МПК⁴ H01G 7/00, 1984 г.; «Способ управления емкостью электрического конденсатора и конденсатор переменной емкости на основе этого способа», патент РФ №2443033, МПК H01G 7/00, 2010 г.; «Способ управления емкостью электрического конденсатора и полупроводниковый конденсатор на его основе», патент РФ №2474903, МПК H01G 7/00, 2011 г.). Общим недостатком конденсаторов переменной емкости этого класса является сравнительно высокая конструкционная сложность и, как правило, небольшая емкость отдельных конденсаторов.

Предлагаемое изобретение относится к способам управления емкостью конденсатора, связанным с изменением площади его обкладок. В том числе известен способ, при котором регулирование емкости в заданном диапазоне производят за счет механического воздействия на подвижную пластину или группу подвижных пластин, путем их перемещения относительно неподвижной или группы неподвижных пластин, при этом достигают одновременного изменения расстояния между пластинами и толщины диэлектрика между пластинами. По достижении требуемого значения емкости положение пластин фиксируют. Этот способ промышленно реализован в подстроечных конденсаторах и конденсаторах переменной емкости (см. А.П. Горшков «Переменные конденсаторы» //«Радио», 1947, №1; «Конденсатор переменной емкости», авт. св. СССР №1199, МПК⁶ H01G 5/06, 1924 г.).

Основным недостатком этого способа является необходимость передачи механического воздействия на подвижные пластины, сложность конструкции, использование дорогостоящих материалов и драгоценных металлов при изготовлении. Поэтому устройства, его реализующие, отличаются высокой металлоемкостью, сложностью конструкции и они трудно миниатюризуемы.

Наиболее конструкционно близким к заявляемому изобретению является способ регулирования емкости заряда конденсатора, включающий изменение емкости до заданной величины, для чего в диэлектрике между обкладками конденсатора создают дополнительное непрерывно действующее электрическое поле, а изменение емкости осуществляют уменьшением или увеличением напряженности поля, при этом по достижении заданной величины емкости напряженность поля сохраняют неизменной. Дополнительное электрическое поле создают выполнением части среды между обкладками конденсатора токопроводящей путем введения в пространство между обкладками дополнительного проводящего электрода, который соединяют с источником регулярного электрического поля для повышения или уменьшения потенциала токопроводящей среды, причем дополнительное поле создают в виде электрического поля путем соединения дополнительного проводящего электрода с источником постоянного тока («Способ регулирования емкости заряда конденсатора», патент РФ №2034348, МПК H01G 7/00, 1987 г.).

Суть этого способа, согласно описанию, заключается в уменьшении эффективной площади обкладок за счет индуцирования на их поверхности зарядов, вызываемых электростатическим полем дополнительного электрода. Поскольку указанные заряды связываются зарядом дополнительного электрода, то, по мнению автора изобретения, этим самым сокращается способность конденсатора накапливать основной заряд под действием основного поля, то есть уменьшается его основная емкость.

Недостатком данного, выбранного в качестве прототипа способа является недостаточный диапазон изменения емкости и низкая эффективность управляющего дополнительного поля. Это обусловлено тем, что поскольку дополнительный электрод гальванически не связан с обкладками, то имеет незначительную собственную емкость и для его заряжания потребуется приложить высокое напряжение.

Задачей изобретения является расширение возможностей электрического способа управления емкостью конденсатора в части увеличения диапазона изменения емкости конденсаторов с любым диэлектриком, повышение экономичности управления емкостью и эффективности действия управляющего поля.

Решение поставленной задачи управления емкостью электрического конденсатора, состоит в том, что изменение емкости конденсатора достигают блокированием поля одной из его обкладок, для чего между блокируемой обкладкой и расположенной между обкладками управляющей сеткой создают управляющее электрическое поле, противоположное основному полю конденсатора, а регулирование емкости конденсатора осуществляют увеличением или уменьшением напряженности управляющего электрического поля.

Физическое содержание указанного блокирования обкладки конденсатора заключается в полном или частичном прерывании емкостной связи между обкладками. При этом, в случае полного блокирования одной обкладки, общая емкость конденсатора будет минимальна и равна емкостной связи между управляющей сеткой, площадь которой значительно меньше, чем у обкладки, и другой обкладкой. А при частичном блокировании, когда управляющее поле меньше запирающего значения, общая емкость конденсатора, как функция от величины управляющего поля, будет находиться в пределах от минимальной до полной, равной емкости между блокируемой обкладкой, соединенной с управляющей сеткой, и другой обкладкой.

Покажем это математически. Из курса физики (см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1974. с.356-372; Савельев И.В. Курс общей физики. СПб.: Лань, 2008. с.54-57, 84-91; Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т2. М.: Физматлит, 2008. с.33-41, 71-91; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1967. с.578), известно следующее.

Емкость плоского конденсатора C равна:

где S — площадь каждой обкладки или меньшей из них, d — расстояние между обкладками, ε_о — электрическая постоянная, ε — диэлектрическая проницаемость (относительная) вещества, находящегося между обкладками. При этом заполнение пространства между пластинами диэлектриком увеличивает емкость в ε раз.

Также известно, что поле внутри заряженного полого проводника отсутствует. Таким образом, если обкладки плоского конденсатора соединить и подать на них один общий потенциал, то поле между обкладками будет равно нулю, заряды расположатся на внешних сторонах пластин, поле будет направлено вовне от обкладок конденсатора. При этом поля обкладок взаимно блокируют друг друга.

Условие такого состояния можно записать как:

где E₁ и E₂ — напряженность электрического поля у 1-й и 2-й обкладки конденсатора соответственно.

Теперь усложним опыт, заменив одну из обкладок, допустим 1-ю, электродом в виде сетки. Пренебрегая неравномерностью распределения зарядов на сетке, при напряженности E_C, для достаточно редкой сетки, очевидно, получим:

Физически это будет означать проникновение части поля 2-й обкладки через сетку. Воспрепятствовать этому можно, если сформировать встречный поток напряженности управляющего поля E_У, равный или превышающий разность потоков напряженности из неравенства (3):

Для этого надо подать на управляющую сетку и 2-ю обкладку соответствующее управляющее напряжение U_У:

где d_C2 — расстояние между управляющей сеткой и 2-й обкладкой. Понятно, что чем меньше d_C2, тем эффективнее действие управляющего напряжения U_У.

Распространим вышеизложенное на предлагаемый трехэлектродный плоский конденсатор.

На фиг.1, 2 показан вариант конструкции конденсатора переменной емкости, реализующий предлагаемый способ управления емкостью конденсатора.

Устройство содержит разделенные диэлектриком 4 обкладки 1, 2, предназначенные для создания основного поля конденсатора, и расположенную между ними управляющую сетку 3, служащую для формирования управляющего поля. Управляющая сетка 3 и обкладка 2 подключены к разным полюсам источника регулируемого напряжения 5.

При этом диэлектрик 4 может быть любым, в том числе и разного типа в разных областях межэлектродного пространства.

Работа устройства заключаются в следующем.

При U_У=0 поток напряженности основного поля максимален, а следовательно, максимальна и емкость конденсатора (см. фиг.3). Большая часть потока напряженности приходится на обкладки конденсатора, меньшую его часть перехватывает сетка.

При запирающем значении U_У=U_Узап, определяемом из условий (4, 5), поток напряженности основного поля минимален и сводится к потоку напряженности между обкладкой 1 и сеткой 3 (см. фиг.5). Соответственно, согласно выражению (1), минимальна и емкость конденсатора, поскольку площадь сетки значительно меньше площади обкладок.

Промежуточным значениям U_У, от 0 до U_Узап, соответствуют промежуточные значения емкости конденсатора C, от емкости между обкладкой 1 и обкладкой 2, соединенной с сеткой 3: C_1(2+С) до емкости между обкладкой 1 и сеткой 3: C_1C (см. фиг.4). Причем при увеличении абсолютного значения управляющего напряжения емкость конденсатора уменьшается.

Также заметим, что для увеличения эффективности управляющего напряжения надо максимально приближать сетку к экранируемой обкладке, а для увеличения диапазона регулирования емкости — делать сетку максимально редкой.

Управление емкостью конденсатора осуществляется следующим образом.

Прикладывая к обкладкам 1, 2 конденсатора в общем случае изменяющееся рабочее напряжение U_p(t), получают основное рабочее поле напряженностью, в общем случае, E_p(t). Управляющее поле напряженностью E_у между управляющей сеткой 3 и блокируемой обкладкой 2 создают приложением к ним управляющего напряжения U_у, подводимого от источника 5 регулируемого напряжения.

Емкость конденсатора регулируют увеличением или уменьшением напряженности управляющего поля, путем изменения значения управляющего напряжения U_у. По достижении заданной величины рабочей емкости C_p конденсатора напряженность управляющего поля сохраняют неизменной.

Рассмотрим пример практической реализации устройства.

В частном случае использования вакуума в качестве диэлектрика, как нетрудно заметить, получаем давно и хорошо известный ламповый триод, за исключением уже не нужной цепи подогрева катода. Из литературы известны параметры триодов, сконструированных для разных прикладных задач. В том числе, для повышения крутизны усилительных характеристик, повышают входную емкость C_вх, уменьшая расстояние сетка — катод до десятков микрон. А для уменьшения паразитных связей триода уменьшают проходную емкость C_пр сетка — анод до значений, на порядок меньших выходной емкости C_вых триода катод — анод (см. Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат, 1985, с.224-228).

Например, для триода 6Н2П-ЕВ с номинальным анодным напряжением 250 В запирающее напряжение составляет -4 В, C_вых=2,5 пФ, C_вх=2,35 пФ, C_пр=0,55 пФ (см. Кацнельсон Б.В., Ларионов А.С. Отечественные приемно-усилительные лампы и их зарубежные аналоги (справочник). М.: Энергоиздат, 1981, с.140).

Таким образом, конденсатор переменной емкости, построенный по предложенной методике на базе лампового триода 6Н2П-ЕВ, с номинальным напряжением 250 В, при изменении управляющего напряжения в диапазоне от 0 В до -4 В дает общее уменьшение емкости конденсатора примерно в 5 раз, от порядка 2,7 пФ до 0,55 пФ.

Сопоставительный анализ с близкими аналогами и прототипом показывает, что предлагаемый способ управления емкостью конденсатора и устройство на его основе отличаются иной, более универсальной и более экономичной технологией изменения эффективной площади обкладок конденсатора.

В том числе, от способа и устройства с механическим регулирование емкости в заданном диапазоне за счет механического воздействия на подвижную пластину или группу подвижных пластин, путем их перемещения относительно неподвижной или группы неподвижных пластин (см. А.П. Горшков «Переменные конденсаторы» //«Радио», 1947 г., №1; «Конденсатор переменной емкости», авт. св. СССР №1199, МПК⁶ H01G 5/06, 1924 г.). Предлагаемое изобретение не требует передачи механических воздействий и, соответственно, лишено присущих механическим устройствам недостатков: низкого быстродействия, сложности конструкции, использования дорогостоящих материалов и драгоценных металлов при изготовлении, высокой металлоемкости, трудностей в миниатюризации.

В отличие от способа, реализованного в изобретении «Способ регулирования емкости заряда конденсатора» (патент РФ №2034348, МПК H01C 7/00, 1987 г.), в котором эффект изменения емкости трехэлектродного конденсатора достигается созданием в диэлектрике между обкладками конденсатора дополнительного непрерывно действующего электрического поля с помощью дополнительного проводящего электрода, который соединяют с источником постоянного тока, в предложенном способе технический эффект получают блокированием поля одной из его обкладок, для чего между блокируемой обкладкой и расположенной между обкладками управляющей сеткой создают управляющее электрическое поле, противоположное основному полю конденсатора, а регулирование емкости конденсатора осуществляют увеличением или уменьшением напряженности управляющего электрического поля, что устраняет недостатки прототипа, расширяет диапазон изменения емкости, повышает экономичность устройства и эффективность применения управляющего поля конденсатора.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «новизна» и «изобретательский уровень».

Использование предлагаемого способа управления емкостью конденсатора и устройства на его основе дает, по сравнению с существующими способами электрического управления, следующий технический результат:

расширяет диапазон изменения емкости конденсатора;

позволяет управлять емкостью конденсатора с любым диэлектриком;

повышает экономичность процесса управления емкостью конденсатора за счет большей эффективности действия управляющего поля.

Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку предполагается использование существующих, освоенных технологий конденсаторостроения и микроэлектроники, а также не требуется применение каких-либо неизвестных современной промышленности средств, материалов или элементов.

Например, для создания переменных конденсаторов большой емкости может быть применена технология пленочной намотки, широко используемая в производстве конденсаторов с органическими диэлектриками (см. Меркулов В.И. Основы конденсаторостроения. Томск: Томский ПУ, 2001, с.98-99, 108-110).

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что это за штука

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат изменение. Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, но он страдает одним большим недостатком: в спешке складировать относительно сложно.Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров. Что они собой представляют и как работают? Давайте познакомимся поближе!

Фото: Стопка суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим соединением. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти. Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы он прилип.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть лишь крошечную утечку, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию в направлении, противоположном полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, с обеих сторон сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой, толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму на иллюстрации, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фотографии: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F) в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электроэнергии (обычно они измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).Напротив, типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электрической энергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольта), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и сбрасывались любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, Это означает, что сотни последовательно соединенных суперконденсаторов необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказали, что это будет достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Исследователи достигли 10-кратного прорыва в плотности энергии суперконденсаторов.

Суперконденсаторы могут заряжаться почти мгновенно и при необходимости разряжать огромное количество энергии.Они могли бы полностью стереть ахиллесовую пяту электромобилей — их медленную зарядку — если бы они могли удерживать больше энергии. И теперь китайские и британские ученые говорят, что они нашли способ хранить в 10 раз больше энергии на единицу объема, чем предыдущие суперконденсаторы.

Команда, разделенная между Университетским колледжем Лондона и Китайской академией наук, выпустила исследование и доказательство концепции новой конструкции суперконденсатора с использованием пленок из графенового ламината и сосредоточением внимания на расстоянии между слоями, исследователи обнаружили, что они могут радикально увеличить энергию плотности, когда они подбирали размер пор в мембранах точно в соответствии с размером ионов электролита.

Используя эту конструкцию, команда утверждает, что добилась значительного увеличения объемной плотности энергии. В то время как «аналогичная коммерческая технология быстрой зарядки» имеет тенденцию предлагать около 5-8 ватт-часов на литр, эта новая конструкция была протестирована с рекордной мощностью 88,1 Втч / л. Команда утверждает, что это «самая высокая когда-либо зарегистрированная плотность энергии для углеродных суперконденсаторов».

Эта цифра приближается к верхнему пределу того, что хранится в типичной свинцово-кислотной батарее, но, хотя свинцово-кислотные батареи заряжаются очень медленно и предлагают довольно низкую удельную мощность, суперконденсаторы могут заряжаться очень, очень быстро и предлагают огромную удельную мощность около 10 киловатт на литр.

Кроме того, суперконденсаторы, по-видимому, имеют длительный срок службы, сохраняя 97,8 процента своей энергоемкости после 5000 циклов, и они очень гибкие, работая почти так же при изгибе на 180 градусов, как когда они лежали горизонтально.

Во время тестирования суперконденсатор мог работать практически одинаково, лежал он ровно или изгибался на 180 градусов

Университетский колледж Лондона

Есть одно но.Всегда есть одно но. В самом деле, здесь есть три больших «но», помимо того факта, что это все еще находится на стадии исследовательского подтверждения концепции.

Во-первых, эти суперкапсы по-прежнему намного менее плотные, чем литиевая батарея EV высшего качества. Ближайшая оценка, которую я могу найти на том, что использует Tesla, — это оценка 2018 года в 877,5 Втч / л, что означает, что суперконденсатор должен быть в 10 раз больше, чем аккумуляторная батарея Tesla, чтобы обеспечить такой же диапазон. Не произойдет. Имейте в виду, что электромобили не должны будут предлагать запас хода в 430 миль (700 км), если они будут заправляться даже быстрее, чем бензиновый автомобиль.Подавляющее большинство автомобилей используют менее 100 миль (160 км) в день, и короткие остановки каждые полтора часа в длительной поездке могут быть несложными для многих водителей.

Более того, мы уже писали раньше об экстраординарных вещах, которые вы можете сделать, если соединить литиевые батареи с суперконденсаторами в гибридной схеме. Такое увеличение плотности могло бы увеличить количество суперконденсаторов, которые вы могли бы использовать в такой установке, дополнительно максимизируя преимущества.

Вторая проблема: суперконденсаторы имеют тенденцию пропускать энергию, а не очень хорошо ее накапливают.Вы можете обнаружить, что у вашего электромобиля нет питания, если вы отключите его от зарядного устройства на неделю или две. Хотя, честно говоря, когда они так быстро заряжаются, вы можете не возражать.

И третья проблема: эта штука сделана из графена, всеми любимого чудо-материала, который призван произвести революцию во всем: от электроники до защиты от комаров и авиации до краски для волос и бетона, кроссовок, пуленепробиваемости, громкоговорителей и любой другой области, в которой он был исследованы в … Но на сегодняшний день никто не производит его в массовых коммерческих количествах по цене, которая делает возможным создание огромных ячеек графенового суперконденсатора.

И все же исследователи настроены оптимистично. «Успешное безопасное хранение огромного количества энергии в компактной системе является значительным шагом на пути к усовершенствованной технологии хранения энергии», — сказал старший автор и декан факультета математических и физических наук UCL, профессор Иван Паркин (UCL Chemistry). «Мы показали, что это заряжает. быстро, мы можем контролировать его производительность, и он обладает превосходной прочностью и гибкостью, что делает его идеальным для разработки для использования в миниатюрной электронике и электромобилях.Представьте, что вам нужно всего 10 минут, чтобы полностью зарядить ваш электромобиль, или пару минут для вашего телефона, и этого хватит на весь день ».

О, мы воображаем, профессор Паркин, мы хорошо представляем. И есть множество других применений суперконденсаторов, где такая технология могла бы мгновенно проявить себя, если дойдет до производства.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Energy .

Источник: Университетский колледж, Лондон

Электрический двухслойный конденсатор — обзор

a Конструкция и характеристики электрохимических конденсаторов

Электрические двухслойные конденсаторы (EDLC) привлекли внимание как одно из устройств для хранения электроэнергии.Он основан на формировании двойных электрических слоев на поверхности электродов, как схематично показано на рис. 3.241, где катионы и анионы электролита образуют слои Гельмгольца на поверхности обоих электродов. По конструкции элемента, а также по своим характеристикам он может располагаться между батареями, например литий-ионными перезаряжаемыми батареями, упомянутыми в предыдущем разделе, и сегнетоэлектрическими конденсаторами (конденсаторами). В таблице 3.46 сравниваются три устройства. По производительности EDLC имеют относительно низкую плотность энергии по сравнению с батареями, но могут заряжаться и разряжаться быстро, намного быстрее, чем батареи; в батареях электрохимические реакции, интеркаляция и деинтеркаляция ионов лития, определяет скорость зарядки и разрядки, но в EDLC двойные электрические слои быстро образуются на поверхности электродов.По своим характеристикам EDLC очень похожи на сегнетоэлектрические конденсаторы, имеют низкую плотность энергии, но быстрый процесс заряда / разряда.

Рисунок 3.241. Схематическое изображение образования двойных электрических слоев на поверхности угольных электродов в 2-электродных и 3-электродных ячейках.

Таблица 3.46. Три устройства для накопления электрической энергии

Высокая плотность 901

		Батареи	Электрические двухслойные конденсаторы	Ферроэлектрические конденсаторы (конденсаторы)
Строительство	Функциональные материалы	Электролитические материалы	Электрохимическая реакция	Адсорбция	Поляризация
Строительство	Производительность	Электролитические материалы	Плотность энергии	Высокая	Низкая
Зарядка / разряд		Медленная			Низкая	Высокая плотность
Life		Limited	Long

Преимущества EDLC резюмируются следующим образом; (1) возможность быстрой зарядки / разрядки, (2) длительный срок службы из-за отсутствия химических реакций, только адсорбция / десорбция ионов электролита, (3) высокая эффективность цикла зарядки / разрядки, (4) отсутствие использования тяжелых металлов и, следовательно, экологически чистый, и (5) возможность разряда с высокой плотностью тока.На основе этих преимуществ и, кроме того, из-за их легкости, низкой стоимости и работы, не требующей обслуживания, они теперь используются в качестве источников резервного питания памяти для различных электронных устройств [415, 723, 724]. Было проведено множество исследований EDLC для достижения высокой плотности энергии, чтобы использовать их в трансмиссиях электромобилей.

Используются различные электролиты, которые можно разделить на водные и неводные растворы. В первом случае в качестве электролита часто используются H ₂ SO ₄ и КОН.В последнем растворе пропиленкарбоната (ПК) либо (C ₂ H ₅) ₄ NBF ₄ (Et ₄ NBF ₄), (C ₂ H ₅) ₄ PBF ₄ (Et ₄ PBF ₄) или LiClO ₄. Чтобы проверить характеристики EDLC электродных материалов, были использованы две установки: одна состоит из двух угольных электродов, разделенных сепаратором (рис. 3.241a), а другая имеет только один угольный электрод, соединенный с противоэлектродом, обычно платина или металлический никель и электрод сравнения, например Hg / HgSO ₄ (рис.3.241b). Емкость материала электрода определялась либо по кривым заряда / разряда, либо по кривым циклической вольтамперограммы (CV).

Чтобы охарактеризовать углеродные материалы в качестве электрода EDLC, их удельная емкость была определена с использованием электролита, водного или неводного электролита, с ячейкой, двухэлектродного или трехэлектродного типа, рассчитываемой по заряду. / кривые нагнетания или кривая CV. Величина емкости сильно зависит от того, какой электролит, какая ячейка и какая кривая используются, другими словами, необходимо указать не только значение емкости, но также электролит, ячейку и метод измерения.Значение емкости, измеренное двухэлектродным элементом, составляет 1/4 от значения емкости трехэлектродного элемента [725]. Расчетная емкость по кривым заряда / разряда обычно немного отличается от рассчитанной по кривой CV.

Углеродные материалы для электрохимических конденсаторов были рассмотрены с уделением особого внимания процессам их получения, их структуре и текстуре [726].

Помимо литий-ионного аккумулятора! Взгляд на суперконденсаторы и другие батареи

Суперконденсаторы

Суперконденсатор (также электрический двухслойный конденсатор (EDLC), также называемый суперкаром, ультраконденсатором или Goldcap) — это конденсатор большой емкости, значения емкости которого намного выше, чем у других конденсаторов (но с более низкими пределами напряжения), которые перекрывают зазор между электролитическими конденсаторами. и аккумуляторные батареи.

	Суперконденсатор	Литий-ионный
Время зарядки	1-20 секунд	10-60 минут
Срок службы	1 миллион	> 500
Напряжение элемента	2.3 -2,7 В	3,6 В (номинальное)
Удельная энергия	5 Втч / кг	1000-3000 Втч / кг
Срок службы	10-15 лет	5-10 лет
Стоимость	10 000 долларов США	250–1000

Рис. Характеристики напряжения литий-ионной батареи и суперконденсатора

Преимущества:

Практически неограниченный срок службы

Высокая удельная мощность

Низкое сопротивление

Обеспечивает высокие токи нагрузки

Заряжается за секунды

Нет необходимости в окончании заряда

Простая зарядка, расходует только то, что нужно , не подлежит перезарядке

Безопаснее

Отличные характеристики заряда и разряда при низких температурах

Недостатки:

Линейное напряжение разряда не позволяет использовать весь энергетический спектр

Высокий саморазряд; выше, чем у большинства батарей

Низкое напряжение ячеек; требует последовательного подключения с балансировкой напряжения

Высокая стоимость ватта

Факт: По состоянию на 2013 год коммерчески доступные литий-ионные суперконденсаторы предлагали самую высокую на сегодняшний день удельную гравиметрическую энергию, достигающую 15 Втч / кг (54 кДж / кг)

Литий-воздушный

Анод-катод: литий-пористый углерод (кислород)

Преимущества: в 10 раз большая плотность энергии, чем у литий-ионных

Недостатки: воздух недостаточно чистый, и его необходимо фильтровать.Литий и кислород образуют пероксидные пленки, которые создают барьер, в конечном итоге убивая емкость. Срок службы в лабораторных условиях составляет всего 50 циклов.

Варианты: Ученые также пробуют алюминиево-воздушные и натриево-воздушные батареи.

Серно-литиевый

Анод-катод: литий-сера, углерод

Преимущества: легче, дешевле и мощнее, чем литий-ионный

Недостатки: Объемное расширение до 80%, вызывающее механическое напряжение. Нежелательные реакции с электролитами.Плохая проводимость и плохая стабильность при более высоких температурах.

Варианты: существует множество различных вариаций, в том числе с использованием графита / графена и кремния в химии.

Ванадиевые проточные батареи

Анолит — Католит: Ванадий-Ванадий

Преимущества: Использование ионов ванадия в различных степенях окисления для хранения химической потенциальной энергии в масштабе. Можно расширить, просто используя баки с электролитом большего размера.

Недостатки: Плохое соотношение энергии к объему.Очень тяжелая; должны использоваться в стационарных приложениях.

Варианты: Ученые экспериментируют и с другими химическими составами проточных батарей, такими как цинк-бром.

Рис. Методы тестирования аккумуляторов для обычных аккумуляторов

Предоставлено: Batteryuniverity.com

СОВЕТ: Умеренно заряжайте литий-ионный аккумулятор. Сверхбыстрая зарядка работает только до 70 процентов заряда (SoC) и вызывает стресс; максимальная зарядка занимает больше времени (никель-кадмиевый аккумулятор — единственный аккумулятор, способный выдерживать сверхбыструю зарядку с минимальной нагрузкой.)

Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?

Ультраконденсаторы — это круто. Но смогут ли они заменить батареи в электромобилях будущего?

Ультраконденсаторы имеют значительные преимущества перед батареями, в конце концов, они намного легче, быстрее заряжаются, безопаснее и нетоксичны. Однако есть места, где батарейки протирают ими пол. По крайней мере на данный момент.

СВЯЗАННЫЕ С: TESLA ПРИСОЕДИНЯЕТСЯ К «ПРОРЫВНЫМ» ИННОВАЦИЯМ В БАТАРЕЯХ

С недавним приобретением таких производителей ультраконденсаторов, как Tesla, ультраконденсаторы могут оказаться на грани вытеснения аккумуляторов в качестве источника питания для электромобилей.

Что такое ультраконденсатор?

Ультраконденсаторы, также называемые суперконденсаторами, двухслойными конденсаторами или электрохимическими конденсаторами, представляют собой тип системы накопления энергии, который набирает популярность в последние годы. Их можно рассматривать как нечто среднее между обычным конденсатором и батареей, но они отличаются от того и другого.

Ультраконденсаторы имеют очень высокую емкость по сравнению с их традиционными альтернативами — отсюда и название. Как и батарея, у ультраконденсаторных элементов положительный и отрицательный электроды разделены электролитом.Но в отличие от батарей ультраконденсаторы накапливают энергию электростатически (так же, как конденсатор), а не химически, как батарея.

Ультраконденсаторы также имеют диэлектрический разделитель, разделяющий электролит, как и конденсатор. Такая внутренняя структура ячеек позволяет ультраконденсаторам иметь очень высокую плотность хранения энергии, особенно по сравнению с обычными конденсаторами.

Ультраконденсаторы действительно потребляют меньше энергии, чем батареи аналогичного размера. Но они могут высвобождать свою энергию гораздо быстрее, поскольку разряд не зависит от протекающей химической реакции.

Еще одним большим преимуществом ультраконденсаторов является то, что их можно заряжать огромное количество раз с незначительной деградацией или без нее (более 1 миллион циклов зарядки / разрядки не редкость). Это связано с тем, что при их подзарядке не происходит никаких физических или химических изменений.

По этой причине суперконденсаторы часто используются в приложениях, требующих множества быстрых циклов зарядки / разрядки, а не в долговременных компактных накопителях энергии, таких как автомобильные бустерные блоки и блоки питания.

Источник: stantontcady / Flickr

Наиболее часто используемым электродным материалом для ультраконденсаторов является углерод в различных формах, например активированный уголь, углеродное волокно-ткань, углерод на основе карбида, углеродный аэрогель, графит (графен) и углеродные нанотрубки ( УНТ).

Как заряжать ультраконденсатор?

Когда на положительную и отрицательную пластины конденсатора подается разность напряжений, он начинает заряжаться. По данным Battery University, «это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру.Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец ».

Некоторые из самых первых примеров этой технологии были разработаны в конце 1950-х годов в General Electric, но в то время не было жизнеспособных коммерческих приложений. На это потребовалось до 1990-х годов. за достижения в области материаловедения и производства для улучшения характеристик ультраконденсаторов и снижения их стоимости, чтобы сделать их коммерчески жизнеспособными.

Как работают ультраконденсаторы? потребляемая мощность, а затем улавливает и быстро накапливает избыточную энергию, которая в противном случае может быть потеряна.

Источник: Учебники по электронике

По этой причине они являются отличным дополнением к первичным источникам энергии, так как заряжаются и разряжаются очень быстро и эффективно.

Несмотря на то, что аккумуляторы могут выдерживать большое количество энергии, для их перезарядки требуется несколько часов. Напротив, конденсаторы, и особенно ультраконденсаторы, заряжаются почти мгновенно, но они могут хранить только небольшое количество энергии.

По этой причине ультраконденсаторы являются идеальным решением, когда системе требуется быстрая зарядка и не нужно хранить электричество в течение длительного времени.Они также весят меньше, чем батареи, стоят меньше и, как правило, не содержат токсичных металлов или вредных материалов.

Могут ли ультраконденсаторы заменять батареи?

Ответ на этот вопрос во многом зависит от того, для чего они будут использоваться. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Как упоминалось ранее, батареи имеют гораздо более высокую плотность энергии , чем ультраконденсаторы.

Это означает, что они больше подходят для приложений с более высокой плотностью энергии или когда устройству необходимо работать в течение длительных периодов времени на одной зарядке.У суперконденсаторов мощности и плотность намного выше, чем у аккумуляторов. Это делает их идеальными для приложений с высоким энергопотреблением, таких как приведение в действие электромобиля.

Как упоминалось выше, ультраконденсаторы имеют гораздо больший срок службы, чем батареи. Обычная батарея может выдержать около 2000-3000 циклов заряда и разряда, в то время как ультраконденсаторы обычно могут выдержать более 1000000 . Это может дать огромную экономию материалов и затрат.

Извлечено из: skeletontech

Ультраконденсаторы также намного безопаснее и значительно менее токсичны.Они не содержат вредных химикатов или тяжелых металлов и с гораздо меньшей вероятностью взорвутся, чем батареи.

Кроме того, ультраконденсаторы имеют гораздо больший рабочий диапазон, чем батареи. Фактически, в этой области они безнадежно превосходят батареи, поскольку они могут работать в диапазоне от -40 до +65 градусов по Цельсию.

Ультраконденсаторы также могут заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем батареи, обычно в течение секунд, и они намного эффективнее саморазряда, чем батареи.

Многие ультраконденсаторы также имеют гораздо более длительный срок хранения, чем батареи. Некоторые из них, такие как ячейки SkelCap, могут храниться до 15 лет одновременно с незначительным снижением емкости или без него.

Источник: Windell Oskay / Flickr

Как и в случае с большинством других технологий, основным фактором, способствующим применению ультраконденсаторов, является их соотношение цены и качества. Ультраконденсаторы, как правило, являются более экономичным выбором в долгосрочной перспективе для приложений, требующих коротких всплесков энергии.

Батареи, однако, являются гораздо лучшим выбором для приложений, требующих постоянного низкого тока с течением времени.

Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?

Как мы видели, ультраконденсаторы лучше всего подходят для ситуаций, когда требуется много энергии за короткий промежуток времени. Что касается электромобилей, это будет означать, что они будут иметь преимущества перед батареями, когда транспортному средству нужны всплески энергии — например, во время ускорения.

Фактически, это именно то, что Toyota сделала с концептуальным автомобилем Yaris Hybrid-R, в котором используется суперконденсатор для использования во время разгона.

PSA Peugeot Citroen также начала использовать ультраконденсаторы в составе своих систем экономии топлива start-stop. Это позволяет значительно ускорить начальное ускорение.

Система Mazda i-ELOOP также использует ультраконденсаторы для хранения энергии во время замедления. Сохраненная мощность затем используется для систем запуска и остановки двигателя.

Суперконденсаторы также используются для быстрой зарядки источников питания в гибридных автобусах при их движении от остановки к остановке.

Когда гибридная энергия используется исключительно для повышения производительности, такие вопросы, как дальность действия и способность удерживать заряд, не так важны — и поэтому некоторые производители высокого класса, такие как Lamborghini, также начинают включать электронные двигатели с питанием от суперконденсаторов в их гибриды.

Однако ультраконденсаторы пока не заменяют батареи в большинстве электромобилей. Литий-ионные аккумуляторы, вероятно, станут основным источником питания для электромобилей в ближайшем или отдаленном будущем.

Многие полагают, что более вероятно, что ультраконденсаторы станут более обычным явлением в качестве систем рекуперации энергии во время замедления. Эту накопленную мощность можно затем повторно использовать в периоды ускорения, а не напрямую заменять батареи.

Источник: Mic / Flickr

Однако, согласно этому исследованию, они могут также применяться в гибридных транспортных средствах вместо батарей, когда «потребляемая мощность меньше мощности электродвигателя; когда потребляемая мощность транспортного средства превышает мощность электродвигателя, двигатель работает, чтобы удовлетворить потребность транспортного средства в мощности, а также обеспечить мощность для перезарядки блока суперконденсатора.«

Недавние исследования суперконденсаторов на основе графена могут также привести к прогрессу в использовании суперконденсаторов в электромобилях. Одно исследование, проведенное учеными из Университета Райса и Технологического университета Квинсленда, привело к появлению двух статей, опубликованных в журнале Journal of Power Sources и Nanotechnology .

Они предложили решение, состоящее из двух слоев графена со слоем электролита между ними.Пленка получается прочной, тонкой и способной выделять большое количество энергии за короткое время.

Эти факторы даны как данность — в конце концов, это суперконденсатор. Что отличает это исследование, так это то, что исследователи предполагают, что новые, более тонкие ультраконденсаторы могут заменить более громоздкие батареи в будущих электромобилях.

Это также может включать в себя интеграцию ультраконденсаторов, например, в панели кузова, обшивку крыши, полы и даже двери. Теоретически это могло бы обеспечить транспортное средство всей необходимой энергией и сделать его значительно легче, чем электромобили с батарейным питанием.

Источник: Depositphotos

Такой электромобиль будет заряжаться значительно быстрее, чем современные автомобили с батарейным питанием. Но, как и все ультраконденсаторы, это решение по-прежнему не может удерживать столько энергии, сколько стандартные батареи.

«В будущем есть надежда, что суперконденсатор будет разработан для хранения большего количества энергии, чем литий-ионный аккумулятор, сохраняя при этом способность выделять свою энергию в 10 раз быстрее, что означает, что автомобиль может полностью питаться от — суперконденсаторы в его корпусных панелях », — сказал соавтор исследования Цзиньчжан Лю.

«После одной полной зарядки этот автомобиль должен быть в состоянии проехать до 500 км ( 310 миль ) — аналогично автомобилю с бензиновым двигателем и более чем вдвое превышает лимит тока электромобиля».

Кажется, впереди интересные времена. Следите за этой страницей.

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Настройка вашего браузера на прием файлов cookie

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

Разное