1.1.2. Конденсаторы, назначения и классификация. Характеристики основных типов конденсаторов. Параметры и характеристики конденсаторов. Особенности выбора и применения конденсаторов.

Конденсаторы применяются в электрических цепях в качестве сосредоточенной емкости; выпускаются постоянной, полуперемен­ной и переменной емкостей. Емкость конденсатора пропорциональна диэлектрической проницаемости диэлектрика . В качестве диэлек­трика используются газы, жидкости, твердые неорганические веще­ства (стекло, слюда, керамика, полупроводник), твердые органические вещества (бумага, полистирол, фторопласт), электролиты.

При подключении конденсатора к источнику постоянного напря­жения U на его обкладках накапливается электрический заряд, а в диэлектрике создается электрическое поле с энергией, дж,

,

которая может быть использована при разряде для формирования импульса.

При включении конденсатора в цепь переменного напряжения возникает реактивный (емкостной) ток, а,

где - реактивное сопротивление конденсатора, ом; f - частота, гц.

Конденсатор можно применять для разделения токов разной частоты (фильтры) или постоянной и переменной составляющих выпрямленного тока.

Рассмотрим основные параметры конденсаторов постоянной емкости.

Номинальная величина и класс точности. Номи­нальная величина конденсатора постоянной емкости выбирается из определенного ряда чисел (шкалы номинальных значений), уста­новленного ГОСТ 2519-67 и приведенного в табл.5.

Таблица 5.

Величина отклонения фактического значения емкости конденса­тора от номинального определяется классом точности по ГОСТ 9661-61 (табл.6).

Таблица 6.

Наибольшее распространение получили конденсаторы I, II, III классов.

Электрическая прочность. Электрическая прочность характеризуется рабочим напряжением, при котором конденсатор длительное время эксплуатируется (обычно более 10000 ч), сохра­няя свои параметры в допуске; испытательным напряжением (пре­вышает рабочее в 2-3 раза), которое конденсатор выдерживает в течение испытательного срока (обычно до I мин); пробивным на­пряжением, которое выводит конденсатор из строя в течение не­скольких секунд (пробивает диэлектрик).

Потери в конденсаторе. Потери в конденсаторе харак­теризуются тангенсом угла потерь. В реальном конденсаторе при прохождении через него переменного тока часть энергии рассеи­вается и переходит в тепловую форму. В эквивалентной схеме кон­денсатора это учитывается резистором (утечка изоляции, потери на высокой частоте и др.), включенным параллельно конденсатору.

На рис.12, а изображена схема конденсатора с потерями, а на рис.12, б - векторная диаграмма токов и напряжений в цепи данного конденсатора.

Рис.12. Схема и угол потерь в конденсаторе

Ток I_r = U/R, текущий через резистор R, находится в фазе с напряжением U.

Он изображен вектором, совпадающим по направлению с U. Вектор тока , текущего через емкость, сдвинут на угол 90 к вектору напряжения.

Вектор результирующего тока I составляет с вектором U некоторый угол. Схема и угол <90°, что и приводит к активным потерям в конденсаторе.

Дополнительный угол является углом потерь, а его тангенс определяемый из векторной диаграммы,

,

где - частота, гц; R - сопротивление, ом; С - емкость, ф.

Чем меньше , тем лучше конденсатор выполняет свои функции. Так, конденсатор с диэлектриком из слюды имеет tg= 0,002 ( = 7'), с бумажным диэлектриком - tg  = 0,015 (=50'); для электролитических конденсаторов tg = 0,25 (=14°).

Иногда вместо tg  пользуются понятием «добротность конден­сатора:

Качество конденсатора тем выше, чем больше его добротность. Лучшие конденсаторы имеют добротность от 200 до 1000.

Сопротивление изоляции. Сопротивление изоляции оп­ределяет ток утечки через конденсатор, зависит от качества и раз­меров диэлектрика, уменьшается с повышением температуры окру­жающего воздуха и влажности.

Для электролитических конденсаторов вместо понятия сопро­тивления изоляции пользуются понятием тока утечки, так как зна­чительные по величине токи утечки, появляющиеся при низком значении сопротивления изоляции, могут привести к нарушению работы схемы.

Ток утечки электролитических конденсаторов КЭ

,

где I - ток утечки, ма; С - номинальная емкость, мкф; V - номи­нальное рабочее напряжение, в; m - величина, равная 0,2 для ем­костей до 0,5 мкф, 0,1 - для емкостей от 5 до 50 мкф и 0 - для ем­костей больше 50 мкф.

Стабильность емкости. Стабильность емкости зависит от целого ряда причин, но главным образом от колебаний темпе­ратуры и влажности окружающего воздуха. Учитывается она с по­мощью соответствующих коэффициентов.

Изменение емкости при колебаниях температуры определяется температурным коэффициентом емкости (ТКЕ). Последний харак­теризует относительное изменение емкости при изменении темпера­туры на 1°С.

,

Где С — изменение емкости при изменении температуры па t ⁰С; С -значение емкости при нормальной температуре.

ТКЕ может быть по знаку как положительным, так и отрица­тельным. Например, у конденсаторов с диэлектриком из слюды и бумаги при повышении температуры емкость увеличивается, а из керамики — уменьшается. Конденсаторы постоянной емкости в за­висимости от ТКЕ разделяются на группы, которым присваивается определенная буква, а иногда и цвет корпуса.

Собственная индуктивность. Всякий конденсатор имеет собственную (паразитную) индуктивность L, определяемую конструкцией его выводив и обкладок. Наличие собственной индук­тивности приводит к появлению резонанса:

Если рабочая частота f > f_o, то сопротивление конденсатора но­сит индуктивный характер, а при f < f_о - емкостной. Поэтому кон­денсаторы следует использовать в схеме при частоте, которая в 2-3 раза меньше, чем собственная резонансная частота конден­сатора.

Имеются справочные таблицы, где указаны собственные индук­тивности стандартных конденсаторов и максимальные рабочие ча­стоты для них.

К другим не менее важным параметрам конденсаторов отно­сятся: срок службы, габариты, вес, допустимые климатические воз­действия {температура, влажность, давление), механические перегрузке и др.

По виду применения различают следующие конденсаторы.

Конденсаторы низкого напряжения низкочас­тотные. Эти конденсаторы должны иметь большую удельную емкость:

где V - объем конденсатора, см³.

Конденсаторы низкого напряжения высоко­частотные. Эти конденсаторы должны иметь высокие стабиль­ность и удельную емкость, малую активную мощность, выделяю­щуюся в конденсаторе,

Конденсаторы высокого напряжения низко­частотные и высокочастотные. Эти конденсаторы должны иметь высокую удельную реактивную мощность и малую удельную активную мощность

.

Конденсаторы высокого напряжения постоян­ного тока. Эти конденсаторы должны иметь большую удель­ную энергию

.

Для схем на транзисторах выпускаются электролитические кон­денсаторы: ЭМ (электролитические малогабаритные); ЭМИ (электролитические миниатюрные); ЭТО (электролитические танталовые объемно-пористые). Номинальные емкости и рабочие напряжения указанных конденсаторов приведены в табл.7.

В спецификации электрических схем для постоянных конденса­торов указывается: тип, рабочее напряжение, номинальная вели­чина емкости, точность, номер технических условий или ГОСТ. На­пример, конденсатор БМ-1-300-470+ 10%, ГОСТ,9687-61.

В табл.8 даны значения напряжений на выходе схемы в процессе заряда конденсатора, соответствующие различным дискретным значениям времени, при этом время выражено через постоянную времени .

Таблица 8.

Время t, сек	Напряжение(Uвых.)зар.
0  2.2 5	0 0.63U 0.9U U

После окончания действия импульса конденсатора С разряжается, а напряжение на выходе схемы изменяется по закону

Если на выходе схемы RC- задержки включен пороговый элемент, который срабатывает при заряде емкости от амплитуды 0.9U, то время фронта импульса можно считать временем максимальной задержки: .

При согласовании RC-задержки с другими элементами, как правило, на вход е должен включаться элемент, имеющий малое выходное сопротивление (эммитерный повторитель, каскад с трансформаторной связью), а на выходе – элемент с большим входным сопротивлением (эммитерный повторитель).