1.2. Конденсаторы.

Конденсатор − элемент электрической цепи, состоящий из проводящих элементов, разделенных диэлектриком, и предназначенный для использования его емкости.

Емкость — отношение заряда конденсатора к той разности потенциалов, которую заряд сообщает конденсатору.

C=q/U ,

где С – емкость Ф, мкФ, нФ, пФ;

q – заряд, Кл;

U – напряжение, В.

1 Ф=10⁶ мкФ=10⁹ нФ=10¹² пФ.

где ε₀ =8,85⋅10⁻¹² Ф/м.

Электрические характеристики и область применения конденсаторов зависят от типа диэлектрика между обкладками.

Классификация.

По характеру изменения ёмкости различают конденсаторы постоянной и переменной емкости.

По способу изменения емкости конденсато­ры бывают с механически и электрически управляемой емкостью.

В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы постоян­ной емкости бывают: вакуумные, воздушные, с твердым неорга­ническим диэлектриком (слюдяные, керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, пленочные, стеклопленочные), с твер­дым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, фторопластовые, полиэтиленфталатные), электролитические (танталовые, титановые, алюминиевые).

Условные обозначения конденса­торов показаны на рис.1.5.

Рисунок 1.5 - Условное обозначение конденсаторов: a — постоянной емкости; б — электролитический полярный; в — переменной емкости; г — подстроенный; д — вариконд; е — дифференциальный; ж — многосекционный; з — варикап

Конденсаторы специального назначения. К ним относятся вариконды и варикапы. Вариконды представляют собой сегнетокерамические конденсаторы, имеющие резко нелинейную зависимость величины ёмкости от приложенного напряжения. Вариконды используют для управления параметрами цепей (умножители частоты и т.д.). В варикапах используют свойство р-n-перехода изменять свою толщину при переменном модулирующем и постоянном запирающем напряжениях. Варикапы применяют для частотной модуляции в диапазоне УКВ, а также для автоматической подстройки резонансной частоты колебательных контуров.

Конденсатор как законченное уст­ройство обладает рядом паразитных параметров. Эквивалентная схема конденсатора приведена на рис. 1.6.

Рисунок 1.6 - Эквивалентная схема конденсатора

где L — определяется конструкцией, размерами обкладок и огра­ничивает частотный диапазон применения, R_из — сопротивление изоляции, R_п — сопротивление потерь, поскольку под действием переменного поля изменяется состояние диэлектрика, на что тре­буются затраты мощности. Сопротивление R_п указывает на то, что напряжение и ток реального конденсатора сдвинуты по фазе на угол меньше 90° в частотном диапазоне, в котором индуктивностью можно пренебречь.

Для количественной оценки потерь вводят тангенс угла диэлектрических потерь

tgδ = R_ПωC.

Значение tgδ зависит от вида диэлектрика, температуры и напряженности электрического поля. Он может изменяться с час­тотой и во времени. На практике для характеристики потерь пользуются понятием добротности конденсатора Q_c =1/ tgδ.

Стабильность конденсаторов во времени характеризуется ко­эффициентом старения:

где t — время,

C_q — значение емкости непосредственно после изготовления.

Часто стабильность конденсаторов в зависимости от времени характеризуется граничными значениями емкости.

При длительном воздействии напряжения возможен пробой диэлектрика. В твердом диэлектрике наблюдаются следующие виды пробоев: электрический, ионизационный, тепловой и элек­трохимический.

Электрический пробой возникает при кратковременном при­ложении высокого напряжения. Свободным электронам в диэлек­трике сообщаются большие скорости и возможно их лавинное раз­множение. Напряжение пробоя зависит от температуры. В реальных условиях конденсаторы эксплуатируют при рабочих напряжениях ниже пробивного. Поэтому электрический пробой диэлектрика не относится к основным факторам, определяющим его долговечность.

Ионизационный пробой обусловлен наличием остаточных воздушных включений в толщи диэлектрика или в прослойках между диэлектриком и обкладками. Даже при небольших напря­жениях возникает большая напряженность электрического поля в создавшихся неоднородностях, что приводит к локальному про­бою, разрушению диэлектрика и к образованию в нем областей с ухудшенными свойствами.

Тепловой пробой происходит при длительном воздействии напряжения на конденсаторе. Возрастают потери, из-за неодно­родности диэлектрика в отдельных местах может возникать пере­грев, ухудшаются диэлектрические свойства и уменьшается на­пряжение пробоя.

Электрохимический пробой обусловлен электрохимически­ми процессами в диэлектрике при действии постоянного напря­жения и повышенной температуры. Ионы в диэлектрике вступа­ют во взаимосвязь с металлом обкладок, что приводит к образова­нию в толще диэлектрика проводящих нитей и возникновению пробоя. Для избежания этого необходимо тщательно выбирать материалы обкладок и диэлектрик.

При воздействии на конденсатор напряжения в нем возникают электрические и акустические шумы. Электрические шумы вызваны частичными разрядами, мерцаниями емкости, пьезоэлектрическими эффектами. Акустические — обусловлены вибрацией обкладок под действием кулоновских и электродинамических сил.

К основным параметрам конденсаторов относятся:

1. Номинальное значение емкости конденсатора и допустимое отклонение действительной емкости от номинального значения (класс точности).

Значения номинальных емкостей конденсаторов стандартизированы и имеют значения, сосредоточенные в 7 рядах: Е3, Е6, ..., Е192.

В производстве используются Е3, Е6, Е12, Е24.

Конденсаторы ха­рактеризуются номинальной и фактической емкостью. Номиналь­ная емкость С_ном указывается заводом-изготовителем, а фактиче­ская С_ф определяется при данных температуре и частоте. Допусти­мое отклонение емкости задается в процентах:

По точности и отклонению емкости от номинального значе­ния конденсаторы разделяются на классы (табл. 1.2).

Таблица 1.2 - Деление конденсаторов на классы

Класс	0,01	0,02	0,05	00	0	1	2	3	4	5	6
Допуск, %	±0,1	±0,2	±0,5	±1	±2	±5	±10	±20	-10...+20	-20...+30	-20... +50

2. Номинальное напряжение – зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов

3. Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ или добротность Q_c.

4. Температурный коэффициент ёмкости ТКЕ.

где С₀ – емкость конденсатора при нормальной температуре, ΔС - изменение емкости под влиянием температуры.

ТКЕ может быть отрицательным, нулевым и положитель­ным. Для обеспечения нулевого ТКЕ используют последователь­ное и параллельное соединения нескольких конденсаторов с раз­ным знаком ТКЕ.

5. Сопротивление изоляции и ток утечки, которые характе­ризуют качество диэлектрика и используются при расчетах высокомегомных, времязадающих и слаботочных цепей. Наименьший ток утечки имеют танталовые конденсаторы.

Конденсаторы переменной емкости по способу управления бы­вают механически или электрически управляемые. Подстроечные конденсаторы обычно имеют механическое управление и использу­ются в процессе регулировки аппаратуры. Так как емкость конденса­тора пропорциональна площади обкладок, диэлектрической прони­цаемости и обратно пропорциональна расстоянию между обкладка­ми, то при механическом управлении изменяется взаимное перекры­тие пластин. Одна обкладка выполняется в виде ротора, а вторая служит статором. Поэтому поворот ротора относительно статора вы­зывает изменение площади обкладок и изменение самой емкости.

По типу диэлектрика конденсаторы переменной емкости бы­вают: воздушные, керамические, слюдяные (твердый неорганиче­ский диэлектрик), полистироловые, полиэтиленовые (органический диэлектрик). Конденсаторы с твердым диэлектриком чаще всего используются в качестве подстроечных, ибо они не обеспечивают хорошей повторяемости значений емкости из-за наличия воздуш­ных зазоров между подвижными и неподвижными обкладками.

Конденсаторы с воздушными зазорами обладают высокой стабильностью и небольшими потерями, однако имеют большие габариты.

Переменные и подстроечные конденсаторы характеризуются максимальной С_макс и минимальной С_мин емкостями, коэффици­ентом перекрытия по емкости К = С_макс/С_мин, ТКЕ, tgδ, законом изменения емкости.

Система обозначений.

1. К – постоянный конденсатор;

КТ – подстроечный конденсатор;

КП – переменный конденсатор;

КН – вариконд.

2. число – обозначает тип диэлектрика:

10 керамический, с рабочим напряжением менее 1600В;

15 керамический, с рабочим напряжением более 1600В;

22 стекляннокерамический;

21 стеклянный;

31 слюдяной, малой мощности;

32 слюдяной, большой мощности;

40 бумажные, с рабочим напряжением менее 2 кВ;

41 бумажные, с рабочим напряжением более 2 кВ;

42 металлобумажные;

50 оксидные, электролитические алюминиевые;

51 оксидные, электролитические танталовые;

52 оксидные, объемно-пористые;

53 оксидные, полупроводниковые;

60 воздушные;

61 вакуумные;

71 полистирольные;

72 фторопластовые;

73. лавсановые.

Эти обозначения применимы для конденсаторов типа К, а для КП и КТ могут быть следующие обозначения:

1. вакуумные;

2 воздушные;

3 газообразные;

4. твердые.

3. номер разработки.

Пример: К50-7а-250В-100 мкФ-В ГОСТ 5635-70 – конденсатор оксидно-электролитический К50-7, конструктивный вариант «а», 250 В, 100 мкФ, климатического исполнения «В».

Величину емкости указывают на корпусе конденсатора числом и буквой. При этом емкость от 0 до 100пФ обозначают в пикофарадах, помещая букву "п" или "р" после числа, если оно целое, либо на месте запятой, если число дробное). Емкость от 100пФ до 0,1мкФ обозначают в нанофарадах "н" или'"п", а от 0,1мкФ и выше в микрофарадах "м" или "m") .

Бумажные конденсаторы выполняются в виде бумаги пропитанной маслом, и фольговых обкладок, которые затем сворачиваются в рулон. Достоинства: широкие интервалы номиналов мощностей ( от 0.01 мкФ до 10мкФ); широкие интервалы рабочих напряжений. Недостатки: малая температурная и временная стабильность; большие потери. Например: БМ (бумажный малогабаритный ); КБГ ( бумажный герметизированный ); К40-1.

Металлобумажные конденсаторы выполнены из диэлектрической бумаги, а на неё с двух сторон напыляются обкладки, у них емкость больше и меньшие габариты. Достоинства: способность самовосстанавливаться после пробоя (так как из-за малой толщины обкладок, металл в месте пробоя испаряется). Например: МБМ; К42-2.

Слюдяные конденсаторы. Берется пакет из слюдяных пластинок и обкладки (алюминий или оловянно-свинцовый сплав), а затем всё это герметизируется. У таких конденсаторов малые потери (работают до 100МГц), хорошая стабильность, но имеют большие габариты. Например: КСО; К31-3.

Керамические конденсаторы. Диэлектрик выполнен из ВЧ керамики, обкладки наносятся методом вжигания серебра. Конструкции: дисковые, трубчатые, пластинчатые, бочоночные, проходные, опорные и литые щелевидные. Эти конденсаторы высокостабильные, с малыми потерями и дешевые. Например: КТ ( трубчатый ); КД ( дисковый ); КМ-6 ( малогабаритный ).

Стеклянные конденсаторы. В качестве диэлектрика используется стекло, удельная емкость выше чем у слюдяных. Они дёшевы, малогабаритны и стабильны, с высокой электрической прочностью. Например: КС; К21-5.

Стеклянно керамические конденсаторы. Диэлектрик – это стекло смешанное с керамикой, для увеличения . Например: СКМ; К22-5.

Пленочные конденсаторы. Диэлектрик – это синтетическая пленка с фольговым или металлизированными обкладками. В качестве диэлектрика используются органические полярные (большие потери) и неполярные (малые потери) диэлектрики. Например: ПСО (полистирольные) – полистирол плавится при низкой температуре; К70-6; ФТ ( фторопластовые ); К72-2; К73-3 ( лавсановые – полярный диэлектрик ).

Оксидные конденсаторы. В качестве диэлектрика применяется пленка окисла металла. В качестве пленок используются окислы тантала, ниобия или алюминия. Все эти конденсаторы полярные.

Разновидности: оксидные электролитические алюминиевые; оксидные электролитические танталовые ( ниобиевые ); объемно-пористые; оксидные полупроводниковые.

Для увеличения площади обкладок используется травление фольги. Например: К50-3 (К50-6).

 у танталового окисла в 2.5 раза больше, чем у окисла алюминия, следовательно, меньшие габариты, дорогие, стабильные, но с малым рабочим напряжением. У ниобия  больше в 5 раз, чем у алюминия, но он дороже тантала. Например: К51-3 ( танталовый ).

Объемно-пористые конденсаторы чаше всего танталовые, представляют собой пористое тело с танталом, залитое электролитом, следовательно, большая емкость.

У оксидных полупроводниковых диэлектриков электролит заменен полупроводником, здесь нет проблем с испарением электролита, что увеличивает стабильность. Они выпускаются алюминиевые, танталовые и ниобиевые. Например: К53-8; К53-4; К53-1.

Ионисторы – конденсаторы большой ёмкости но на низкие рабочие напряжения 2,5…5 В. Используются для хранения информации.