Отфильтрованный

Конденсаторы широко используются для фильтрации и развязки. В приложениях с малыми сигналами емкость определяется топологией фильтра и его частотным диапазоном. В силовых цепях конденсаторы должны уметь накапливать очень большие объемы электрической энергии и соответствовать требованиям безопасности. Это наглядный пример того, что чем больше, тем лучше, поскольку мощность конденсатора и встроенная изоляция важнее его размера. Размер, особенно минимальное расстояние между силовыми дорожками на печатной плате или между проводами, является важнейшим параметром во многих стандартах безопасности, что побуждает многих производителей улучшать материалы компонентов и конструкцию для увеличения емкости, а не для уменьшения размера. Многие большие конденсаторы предназначены для фильтрации в системах питания.

Конденсаторы класса X и класса Y

Конденсаторы классов X и Y относятся к числу наиболее часто используемых больших фильтрующих конденсаторов в системах переменного тока и часто называются конденсаторами подавления электромагнитных/радиочастотных помех или защитными конденсаторами для фильтров сети переменного тока. В связи с рисками для безопасности, связанными с прямым подключением к сети переменного тока по фазным и нейтральным линиям (класс Y), все эти разъемы имеют сертификат безопасности, и любые неисправности должны устраняться таким образом, чтобы обеспечить безопасность.

Конденсаторы класса Y особенно чувствительны к скачкам напряжения и переходным процессам, характерным для электропитания бытовых приборов и промышленного оборудования. Например, удар молнии поблизости может вызвать чрезвычайно высокие переходные процессы напряжения, и существует высокая вероятность повреждения устройства. Однако отказ устройства класса Y может привести к потенциально смертельному поражению электрическим током из-за потери заземления. Чтобы предотвратить это, конденсаторы класса Y проектируются с разомкнутой цепью, что сводит на нет их фильтрующие свойства, но в конечном итоге устраняет угрозу безопасности.

При выходе из строя конденсатора класса X весьма вероятно короткое замыкание, которое, в свою очередь, активирует устройство защиты от перегрузки по току, такое как предохранитель или автоматический выключатель. Поэтому маловероятно, что отказ конденсатора приведет к поражению пользователя электрическим током.

Восприимчивость конденсатора к отказам зависит от его внутренней конструкции. В керамических конденсаторах X- и Y-типа повреждения могут происходить со временем, ослабляя устройство до тех пор, пока оно не выйдет из строя. Однако металлизированные пленочные конденсаторы, такие как серия Vishay MKP3381 или серия TDK (ранее EPCOS) B32916, обладают способностью к самовосстановлению, что предотвращает короткие замыкания и связанные с ними повреждения. В точке отказа образуется изолированная область, позволяющая конденсатору почти полностью восстановить свою рабочую емкость, тем самым предотвращая короткое замыкание. Металлизированные пленочные конденсаторы Y-типа также более склонны к обрыву цепи, чем керамические конденсаторы, что повышает безопасность.

Международный стандарт EN 60384-14 определяет несколько подтипов конденсаторов X и Y. Конденсаторы типа X делятся на категории X1, X2 и X3: конденсаторы X1 используются в приложениях, требующих высокой импульсной устойчивости, а X2 и X3 — в приложениях общего назначения. Конденсаторы типа Y классифицируются аналогично, но различаются уровнем изоляции: от конденсаторов класса Y1 (до 500 В переменного тока с максимальным испытательным напряжением 8 кВ) до конденсаторов класса Y4 (до 150 В переменного тока с максимальным испытательным напряжением 2,5 кВ). Для повышения плотности емкости производители, такие как Kemet, интегрируют более одного конденсатора в один корпус; например, PHE840M имеет максимальную емкость 10 мкФ.

Коррекция коэффициента мощности

Крупные конденсаторы также часто используются для коррекции коэффициента мощности, что во многих странах требуется по закону и может снизить затраты на электроснабжение.

Коэффициент мощности системы — это отношение фактической потребляемой системой мощности к средней потребляемой мощности за цикл переменного тока и её максимальной потребляемой мощности. Если на входе системы используются линейные преобразователи мощности, их коэффициент мощности обычно близок к 1, что вызывает некоторые проблемы. Эти преобразователи менее эффективны по сравнению с более совершенными импульсными источниками питания, используемыми во многих входных каскадах; они получают мощность короткими импульсами, а не на протяжении всего цикла переменного тока, что приводит к высокой пиковой мощности относительно фактической мощности и низкому коэффициенту мощности. Мощный асинхронный двигатель также будет демонстрировать низкий коэффициент мощности относительно источника.

В модулях коррекции коэффициента мощности, которые обычно устанавливаются параллельно с оборудованием пользователя для повышения плотности емкости и упрощения конструкции, могут использоваться высоковольтные конденсаторы емкостью 50 мкФ и более на фазу переменного тока. Такие производители, как TDK и Kemet, предлагают конденсаторы с выводами для всех трех фаз, каждая из которых подключена к отдельному внутреннему емкостному модулю.

Подавление

Большие конденсаторы очень ценны для фильтрации и подавления скачков напряжения в системе, особенно для сильно индуктивных нагрузок, таких как системы управления двигателями. Полипропиленовые пленочные конденсаторы, аналогичные тем, которые часто используются для коррекции коэффициента мощности, являются эффективным выбором в приложениях подавления скачков напряжения благодаря их способности к самовосстановлению, низким потерям и высокой изоляции. Размеры этих устройств варьируются от нескольких сотен нанофарад до сотен микрофарад, и их продукция доступна от различных производителей, включая Kemet, TDK, Vishay и Wima.

Двигатели могут потреблять большие токи во время запуска и резких остановок. Это часто создает особую проблему для систем с батарейным питанием, которым может быть трудно обеспечить необходимый мгновенный ток. Использование больших конденсаторов, способных выдавать большие импульсы тока, позволяет реагировать на эти события и предотвращать падение напряжения в других частях системы. Электролитические конденсаторы, такие как алюминиевые электролитические конденсаторы серии MS/MD от Kemet, обычно обладают низким последовательным сопротивлением и емкостью, необходимыми для поддержания работы системы в течение миллисекунд пикового потребления тока.

Сильнодействующие реле в системе представляют собой еще один источник скачков напряжения, которые необходимо подавлять: искрение на контактах при размыкании или замыкании реле. Если это не контролировать, повторяющееся искрение приводит к износу контактов реле и, в конечном итоге, к его выходу из строя. Конденсатор, подключенный параллельно нагрузке реле, подавляет искрение, поскольку он может заряжаться и разряжаться быстрее, чем время переключения реле. Как и в других системах фильтрации и подавления высоких напряжений, эффективные конденсаторы имеют металлизированную пленочную или фольговую конструкцию. Поскольку время зарядки имеет решающее значение, при выборе компонентов необходимо учитывать соотношение между требуемой емкостью и эффективным последовательным сопротивлением. Кроме того, поскольку многие пленочные конденсаторы имеют эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже, чем требуется для типичной схемы подавления, часто последовательно подключается резистор с низким сопротивлением.

Заключение

Поскольку устойчивость к высоким скачкам напряжения и тока, а также способность справляться с высокими уровнями мощности в течение длительного времени имеют решающее значение для многих применений, необходимы большие конденсаторы большой емкости. Производители продолжают работать над повышением производительности и улучшением плотности системы за счет совместной инкапсуляции, но в этих приложениях уменьшение размеров не является привлекательным, поскольку проектные решения определяются емкостью.