Конденсатор - это устройство для накопления заряда и энергии электрического поля, которое имеет два проводящих электрода, разделенных диэлектриком. Эволюция конденсаторов проходила в несколько этапов:
- Первые прототипы конденсаторов были созданы в XVIII веке и назывались Лейденскими банками. Они состояли из стеклянных бутылок, покрытых металлической фольгой снаружи и внутри, и использовались для хранения электрического заряда, полученного от электрических машин.
- В XIX веке появились бумажные конденсаторы, которые имели бумажный диэлектрик, пропитанный парафином или маслом, и металлические обкладки. Они имели большую ёмкость и меньший размер, чем Лейденские банки, и применялись в телеграфии, радио и электротехнике.
- В XX веке развитие конденсаторной технологии было связано с поиском новых материалов для диэлектриков и обкладок, а также с увеличением рабочих напряжений и частот. Были изобретены электролитические, керамические, пленочные, танталовые, сверхёмкие и другие типы конденсаторов, каждый из которых имел свои преимущества и недостатки.
Предыдущая статья: Эволюция конденсаторов и областей их применения в первой половине XX века
Конденсаторы в электронной вычислительной технике
Мощный толчок совершенствованию конденсаторов был дан развитием средств электронной вычислительной техники.
Электронные аналоговые вычислительные машины, создание которых началось в конце 30-х годов, а первые образцы ламповых машин были выпущены в 1946—1947 годах. Они позволяли моделировать реальные процессы в различных областях науки и техники.
Основным элементом интегратора такой машины является конденсатор, от стабильности емкости и сопротивления утечки изоляции которого зависит точность решения задач. Для таких машин потребовались высокостабильные конденсаторы с малой абсорбцией и большим сопротивлением утечки.
Для этих целей первоначально использовались специальные конструкции бумажных конденсаторов, а затем были разработаны конденсаторы с синтетическим пленочным диэлектриком — полистиролом.
Параллельно аналоговым развивались цифровые вычислительные машины, первое поколение которых (1940—1956 годы) было ламповым, а второе (1956—1963) — на транзисторах. Число конденсаторов в них достигало десятков и сотен тысяч штук. Поэтому конденсаторы для электронно-вычислительных машин должны были быть миниатюрными и обладать высокой надежностью.
Компьютер Colossus на почтовом блоке Великобритании 2015 года
Переход от навесного монтажа ламповых машин к печатному в машинах второго поколения, обусловленный необходимостью серийного производства множества идентичных плат, повышения надежности монтажа и уменьшения габаритов устройств, потребовал разработки конструкций конденсаторов, приспособленных для печатного монтажа.
Были разработаны и широко стали использоваться электролитические конденсаторы с радиальными выводами и строго фиксированным расстоянием между ними. Встала задача создания конденсаторов для автоматического монтажа плат, и были выполнены разработки таких конденсаторов, закрепленных на ленте, подобно пулеметным патронам.
Новые технологии в конденсаторостроении
В это время разрешалась проблема уменьшения габаритов конденсаторов. В начале 50-х годов осваивается технология производства так называемых металлизированных конденсаторов с обкладками, которые напылялись в вакууме на диэлектрик (первоначально на бумаге, затем и синтетических пленках). Для этого использовались легкоплавкие цинк, олово и другие металлы.
Затем начала широко применяется технология металлизации пленок алюминием. Малая толщина таких обкладок (сотые доли микрометра) обеспечила не только значительное (в 1,5—2 раза по сравнению с фольговыми для конденсаторов низкого напряжения) уменьшение габаритов, но придала конденсаторам уникальное свойство самовосстановления при пробоях.
Компьютер на почтовой марке Югославии 1988 года
Позднее появились конструкции лакопленочных конденсаторов. В них диэлектрик — очень тонкая (десятые доли — единицы микрометра) пленка лака, осаждающаяся либо на фольговые обкладки, либо на подложку, с которой она снимается, а затем металлизируется. Из получаемых таким образом лент наматывается секция.
Благодаря малой толщине диэлектрика и повышенной (по сравнению с бумагой и другими органическими диэлектриками) диэлектрической проницаемости лакопленочные конденсаторы имеют высокие удельные емкости, близкие к удельным емкостям электролитических конденсаторов на такие же напряжения, но обладают существенно большим сопротивлением изоляции, чем последние.
Наиболее революционные сдвиги в конденсаторостроении обусловлены применением новых видов диэлектриков и соответственно новых технологий.
В последнее десятилетие наиболее массовыми стали конденсаторы с диэлектриком из синтетических пленок, керамики и упоминавшиеся оксидно-полупроводниковые. Эти конденсаторы значительно большей емкости, приходящейся на единицу объема с меньшими потерями энергии, более дешевые и долговечные.
Успехи химии полимеров открыли возможность получения тонких синтетических пленок самых разнообразных физико-химических свойств.
Хотя многие пленки (полистирол, полиэтилен и др.) были известны давно, массовое производство конденсаторов на их основе началось только с начала 50-х годов благодаря освоению промышленного выпуска однородных, т. е. с малым количеством дефектов (проколов, пор, включений и т. д.) специальных конденсаторных пленок.
В настоящее время используются такие синтетические пленочные диэлектрики, как полипропилен, полиэтилентерефталат (лавсан), полистирол, поликарбонат, политетрафторэтилен (фторопласт). Постепенно, но все с большим успехом пленочные конденсаторы заменяют бумажные благодаря исключительно высоким электрическим свойствам высококачественных синтетических пленок.
Компьютер на почтовой марке Италии 1986 года
Современное состояние развития конденсаторов различных видов
В течении XX века все виды конденсаторов постоянно совершенствовались, некоторые даже «переживали» свое второе рождение. Довольно быстро образовалась новая группа — пленочные конденсаторы, получившие широкое применение раньше в устройствах связи, измерительных установках, а затем, по мере снижения стоимости пленок, и в других областях.
«Долгожителями» являются бумажные и слюдяные конденсаторы. Но из-за дефицита природной слюды производство их постоянно сокращалось. Такие конденсаторы обладают очень хорошей стабильностью и малыми потерями энергии. В последнее время благодаря разработке способов получения искусственной слюды были созданы конструкции слюдобумажных конденсаторов, предназначенных для работы при повышенных (выше 100°С) температурах.
Второе рождение испытали также конденсаторы с диэлектриком из стекла — прямые потомки лейденской банки.
Изготовляются и стеклокерамические конденсаторы, имеющие более высокую удельную емкость, чем стеклянные.
Широко применяется в качестве диэлектрика керамика, на электрические свойства которой можно влиять путем изменения компонентов и их процентного содержания.
Высокая диэлектрическая проницаемость, достигающая у некоторых видов керамики десятков и сотен тысяч единиц, позволила резко уменьшить габариты низковольтных конденсаторов.
Были разработаны низковольтные и высоковольтные керамические конденсаторы с малыми потерями, способные работать на высоких частотах и в импульсных режимах. Немаловажными достоинствами керамических конденсаторов являются их низкая стоимость и сравнительно простая технология производства.
Марки из венгерской серии "Телекоммуникации" 1983 года
Импульсный режим работы конденсаторов в электронных вычислительных машинах на высоких частотах потребовал разработки конденсаторов с малой собственной индуктивностью. В блоках питания, стабилизаторы которых были переведены в импульсный режим для повышения коэффициента полезного действия, также требовались конденсаторы большой емкости с низкой индуктивностью и потерями.
Они были разработаны на основе «бисквитной» конструкции или конструкции типа «книга». В таких конденсаторах используются чередующиеся слои диэлектрика и широких обкладок, образующие контактные узлы большой площади.
Однако подлинно революционное воздействие на конденсаторы для вычислительных устройств оказал переход полупроводниковой техники на микроэлектронику.
Технология напыления пленок оказалась плодотворной для микроэлектронной техники, где конденсаторы, как и другие элементы схем (резисторы, транзисторы, диоды и т. д.), образуются путем последовательного нанесения тонких слоев различных материалов на подложку.
Получаемый таким путем конденсатор уже нельзя выделить как дискретный (отдельный) элемент, он является неотъемлемой частью интегральной схемы.
Компьютер на марке Ирландии 1985 года
Микроэлектронная техника обусловила и дальнейшее снижение габаритов дискретных конденсаторов, которые продолжали использоваться в источниках питания, в цепях развязки. Зачастую блок питания микроэлектронного устройства занимает большую часть объема этого устройства.
Разрабатываются специальные типы малоиндуктивных электролитических и пленочных конденсаторов большой емкости (тысячи и десятки тысяч микрофарад у электролитических и сотни микрофарад у пленочных конденсаторов).
Уменьшение размеров пленочных конденсаторов обеспечено за счет применения тонких пленок (1—3,5 микрометра), а также металлизированных обкладок, которые ранее с большим успехом применялись для бумажных конденсаторов.
К частотным характеристикам, температурной и временной стабильности, долговечности и безотказности дискретных конденсаторов электронной аппаратуры предъявляются жесткие требования.
В подавляющем большинстве нужные характеристики конденсаторов достигаются высоким качеством исходных материалов и совершенной технологией, нередко также и благодаря удачной конструкции.
В качестве примера можно привести разработанные в 60-е годы и получившие широкое применение в 70-х годах многослойные керамические (фарфоровые) конденсаторы, обладающие очень маленькой индуктивностью при довольно больших значениях емкости (до нескольких микрофарад).
Значительное улучшение характеристик конденсаторов — накопление зарядов — достигалось новыми принципами. В конце 50-х годов были созданы керамические конденсаторы с барьерной емкостью, в которых заряды накапливаются на границе раздела — запорном слое.
Отличительная особенность таких конденсаторов — очень большая емкость на единицу поверхности (до 0,5 мкФ/см2).
Таким образом, путь развития конденсаторов, как и любого элемента электронных, электротехнических и электроэнергетических установок, предопределялся потребностями и спецификой областей применения, которые непрерывно расширялись и продолжают расширяться.
Возможности создания конструкций конденсаторов с требуемыми характеристиками постоянно расширяются и за счет применения разнообразных материалов, в основном окислов титана, стронция, редкоземельных элементов и др.
Развитие телевидения, радиолокации обусловило создание импульсных конденсаторов. Затем они стали применяться в импульсной электротехнологии, ядерных исследованиях, импульсных источниках света, в оптических квантовых генераторах (лазерах) и даже в медицине. Каждая из этих областей вызывала модификацию конструктивных и номинальных данных конденсаторов.
История развития конструкций конденсаторов — это история освоения известных и синтезированных материалов.
Можно с уверенностью сказать, что каждое появление нового синтетического материала, в частности пленок, сопровождается и будет сопровождаться попытками применения его в конденсаторах. То же можно сказать о технологии, вспомнив хотя бы о "перевороте" в электронной технике, который был связан с освоением и совершенствованием вакуумной технологии, технологии тонких пленок и т. д.
В области технологии изготовления конденсаторов заключены большие возможности. Очень редко, когда лучшее решение находилось быстро, сразу. К нему последовательно приближались через более сложные и менее эффективные решения, недостатки которых обнаруживались иногда много лет спустя благодаря опыту эксплуатации тех или иных конструкций.
В XXI веке продолжается разработка конденсаторов с высокой энергетической плотностью, низкими потерями, длительным сроком службы и надежностью. Одним из перспективных направлений является использование наноматериалов, таких как графен, углеродные нанотрубки, нанопроволока и другие, для создания конденсаторов нового поколения.
Продолжение статьи: Эволюция высоковольтных конденсаторов в электроэнергетике