Основные параметры конденсатора

Номинальная емкость С_ном относится к главному параметру и измеряется в фарадах [Ф], названная в честь выдающегося английского физика Майкла Фарадея.

Емкостью в одну фараду обладает конденсатор, который накапливает заряд, величиной в один кулон, если приложить к пластинкам напряжение один вольт. С_ном зависит от материала диэлектрика и конструкции конденсатора (взаимного расположения обкладок)

С_ном =εε_оS/d [Ф], где

ε_о – диэлектрическая постоянная ε_о = 8,85 х 10^-12 Ф/м,

ε - относительная диэлектрическая проницаемость, которая характеризует способность диэлектрика к поляризации. Диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз заряд конденсатора с данным диэлектриком превосходит заряд аналогичного накопителя, если между его пластинками той же площади и находящихся на таком же расстоянии вакуум. Для воздуха ε равна единице, то есть практически ничем не отличается от вакуума. Сухая бумага обладает диэлектрической проницаемостью в два раза больше воздуха; фарфор – в четыре с половиной раза ε = 4,5. Конденсаторная керамика имеет ε = 10..200 единиц.

Отсюда вытекает важный вывод: чтобы получить максимальную емкость при сохранении прежних геометрических размеров, следует применять диэлектрик с максимальной диэлектрической проницаемостью. Поэтому в широко распространённых плоских конденсаторах используют керамику.

S – площадь обкладок конденсатора,

d – расстояние между обкладками (толщина диэлектрика).

Физический смысл данной формулы следующий: чем больше площадь обкладок, тем больше зарядов на ней может расположиться (накопиться); чем больше расстояние между пластинами и соответственно между зарядами, тем меньшая сила их взаимного притяжения – тем слабее они удерживаются на обкладках, поэтому зарядам легче покинуть обкладки, что приводит к снижению их числа, следовательно и уменьшению емкости конденсатора.

Ранее часто можно было услышать такое утверждение, что емкость в 1 Ф – это очень много – почти емкость нашей планеты. Однако сейчас, с появлением суперконденсаторов так больше не говорят, поскольку емкость последних достигает сотни фарад. Тем не менее в большинстве электронных схем используют накопители меньшей C – пикофарады, нанофарады и микрофарады.

Фактическое значение емкости может отличаться от номинального на величину допускаемого отклонения в процентах.

Для емкостей, также как для резисторов, установлены семь рядов номинальных значений: ЕЗ, Е6, Е12, Е24, Е48, Е95, Е192 . Каждый ряд имеет свой класс точности

В зависимости от класса точности (допустимого отклонения) производятся стандартные значения емкости, то есть стандартные номиналы конденсаторов. Емкость в приведенной ниже таблице исчисляется пикофарадами. Любое значение из таблицы может быть умножено на 0,1 или 1 или 10 и т.д.

Температурный коэффициент емкости

Протекание электрического тока через любой радиоэлектронный элемент вызывает его нагрев, ввиду неизбежного наличия сопротивления. Чем больше ток и выше сопротивление, тем интенсивнее нагревается прибор. Такое явление в большинстве случаев является вредным и может привести к изменению параметров схемы, а соответственно и нарушить режим работы всего устройства. Поэтому нагрев радиоэлектронных элементов всегда учитывается при проектировании изделия. Характеристики конденсаторов также склонны изменятся с изменением температуры и с этим обязательно нужно считаться. Для этого введен температурный коэффициент емкости, сокращенно ТКЕ.

ТКЕ показывает, насколько отклоняется емкость конденсатора от номинального значения с ростом температуры. Значение емкости С₀ конденсатора приводится для температуры окружающей среды +20 С.

ТКЕ = (1/С₀ )  (dС dT ) [1C]

Рост температуры может вызвать как рост емкости, так и ее уменьшение. В зависимости от этого различают конденсаторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом емкости.

Следует знать, чем меньше значение ТКЕ, тем более стабильными характеристиками обладает конденсатор. Особое внимание уделяют ТКЕ при разработке измерительного оборудования высокого класса точности, где критичны значительные отклонения параметров любого радиоэлектронного элемента.

Тангенс угла потерь

Потери, неизбежно возникающие при работе конденсатора, главным образом определяются свойствами диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора, и характеризуются тангенсом угла потерь tg δ. Производители стремятся снизить значение угла tg δ и за счет этого улучшить характеристики конденсаторов. Поэтому наибольшее применение получила специальная керамика, обладающая минимальным тангенсом угла потерь. Значения тангенса угла потерь у керамических высокочастотных, слюдяных, полистирольных и фторопластовых конденсаторов находятся в пределах (10...15)х10^-4, поликарбонатных (15...25)х10^-4, керамических низкочастотных 0,035, оксидных 5...35%.

Обратной величиной тангенса угла потерь конденсатора является добротность, равная

Q_C=1/tgδ.

Конденсаторы высокого качества обладают добротностью свыше тысячи единиц.

Номинальное напряжение — напряжение, обозначенное на конденсаторе (или указанное в документации), при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Все конденсаторы имеют какое-то предельное напряжение, которое можно на них подавать. Дело все в том, что может произойти пробой диэлектрика, и конденсатор выйдет из строя. Чаще всего это напряжение пишут на самом корпусе конденсатора. Например, на электролитическом конденсаторе.

Кроме номинального рабочего напряжения в технических условиях обычно указывается испытательное напряжение. При выборочном выходном контроле оценивают способность конденсатора выдерживать кратковременные перегрузки U_исп = (1,5 – 2)U _ном

Ток утечки конденсатора

Дело все в том, что какой бы ни был диэлектрик, конденсатор все равно рано или поздно разрядится, так как через диэлектрик, как ни странно, все равно течет ток. Величина этого тока у разных конденсаторов тоже разная. Электролитические конденсаторы обладают самым большим током утечки.

Также ток утечки зависит от напряжения между обкладками конденсатора. Здесь уже работает закон Ома: I=U/R_{диэлектрика}. Поэтому, никогда не стоит подавать напряжение больше, чем максимально рабочее напряжение, прописанное на конденсаторе.

Удельная емкость конденсатора

С_уд = С_ном/V (S_{подложки}), где

С_ном –номинальная емкость конденсатора,

V – объем конденсатора,

S_{подложки} – площадь, которую занимает конденсатор на подложке.

Величина удельной емкости должна быть максимально возможной, т. к. желательно получить конденсатор с необходимой величиной емкости при минимальных размерах.

Хотите сделать конденсатор с огромной удельной емкостью, делайте площадь пластин как можно больше, расстояние между пластинами как можно меньше и выбирайте диэлектрик с максимальным значением диэлектрической проницаемости. К сожалению, все эти способы получения максимальной С_уд имеют серьезные ограничения.

Уменьшение толщины диэлектрика ограничено электрической прочностью материала.

Выбор материала с большой диэлектрической проницаемостью приводит к ограничению частотного диапазона применения конденсатора, т.к. как правило, такие материалы обладают большим значением тангенса угла диэлектрических потерь tg δ.

Поэтому часто, для увеличения удельной емкости используют разные конструктивные решения.