Приложение б

(справочное)

Конденсаторы

Название "конденсатор" было введено в конце XVIII века, когда существовало представление об "электрических жидкостях" и конденсатор рассматривался как прибор для сгущения, конденсирования этих жидкостей. Сейчас это устарелое название сохраняется еще во всех языках, кроме английского, где вместо старого термина condenser уже широко применяется термин capacitor. В отечественной технической литературе распространенным термином является сочетание "емкость конденсатора", когда говорят о величине емкости.

Первые сведения о конденсаторах относятся к середине XVIII века. Эти конденсаторы представляли собой стеклянные сосуды, наполненные водой, служившей первой обкладкой и присоединяемой к электростатическому генератору. Второй обкладкой служила ладонь экспериментатора, прикладываемая ко дну стеклянного сосуда. Применение конденсатора позволяло резко усилить эффект от разряда маломощного электростатического генератора, являвшегося в то время единственным источником электроэнергии.

Приоритет в изобретении конденсатора сначала приписывали Ван Мушенброку, профессору Лейденского университета (Голландия). Отсюда появилось название "Лейденская банка" для стеклянного конденсатора. Однако правильнее считать изобретателем конденсатора Эвальда Георга фон Клейста, прелата собора в г. Камине (Германия). Дата изобретения конденсатора — 11 октября 1745 г. Первые сведения о появлении конденсаторов в России относятся к 1752 г. Стеклянные банки, наполненные дробью и обклеенные снаружи металлической фольгой, применялись М. В. Ломоносовым и Г. Рихтером при исследовании атмосферного электричества.

Начало технического применения конденсаторов относится к середине XIX века. В 1856 г. был выдан английский патент Исхаму Баггсу на использование разряда стеклянных конденсаторов для зажигания газовых ламп, а также для целей телеграфирования, что можно считать первым применением конденсаторов в технике связи. В 1877 г. П. Н. Яблочкову был выдан французский патент на "систему распределения и усиления атмосферным электричеством токов, получаемых от одного источника света с целью одновременного питания нескольких светильников". Эту дату можно считать началом применения конденсаторов в силовой электротехнике.

До конца XIX века техническое использование конденсаторов имело ограниченный характер. Необходимость их широкого промышленного производства возникла только после изобретения радио в 1895 г. А. С. Поповым. В связи с быстрым развитием производства радиостанций, прежде всего для военно-морского флота, уже в первые годы XX века за рубежом возникает ряд фирм, специализирующихся на изготовлении конденсаторов.

Кроме электроники и электроэнергетики, конденсаторы применяют и в других, неэлектротехнических областях техники и промышленности, в частности, в металлообработке — в высокочастотных установках для плавки и термической обработки металлов; в электроэрозионных (электроискровых) установках; для магнитоимпульсной обработки металлов; в добывающей промышленности (угольной, металлорудной и т.п.) — в рудничном транспорте на конденсаторных электровозах нормальной и повышенной частоты (бесконтактных); в электровзрывных устройствах; в устройствах с использованием электрогидравлического эффекта и т.д.

Разнообразие областей применения обусловливает исключительно большое разнообразие типов конденсаторов, используемых в современной технике. Наряду с миниатюрными конденсаторами, имеющими вес менее грамма и размеры порядка нескольких миллиметров, можно встретить конденсаторы весом несколько тонн и по высоте превышающие человеческий рост. Емкость современных конденсаторов может составлять от долей пикофарады до нескольких фарад, а номинальное рабочее напряжение может лежать в пределах от нескольких вольт до сотен киловольт.

Электрические свойства, конструкция и область применения конденсатора в максимальной степени определяются диэлектриком, разделяющим его обкладки. Поэтому конденсаторы правильнее всего классифицировать по роду диэлектрика.

1. Конденсаторы постоянной емкости: с газообразным диэлектриком — воздушные, газонаполненные и вакуумные; с жидким диэлектриком; с твердым неорганическим диэлектриком — стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклопленочные), слюдяные, керамические (низкочастотные и высокочастотные), тонкослойные из неорганических пленок; с твердым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, пленочные (из неполярных пленок и из полярных пленок), комбинированные — бумажнопленочные, тонкослойные из органических синтетических пленок (тонкопленочные); электролитические (оксидные): алюминиевые, танталовые, ниобиевые, титановые, эти конденсаторы можно также различать по типу конструкции на жидкостные, сухие, твердые (оксидно-полупроводниковые) и оксидно-металлические.

2. Конденсаторы переменной емкости: с механическим управлением величиной емкости, с газообразным диэлектриком: воздушные, газонаполненные, вакуумные; с жидким диэлектриком; с твердым диэлектриком: керамические, стеклянные, пластмассовые; с электрическим управлением величиной емкости — сегнетокерамические (вариконды) и полупроводниковые (варикапы).

3. При заданном типе диэлектрика конденсаторы можно классифицировать дополнительно по режиму работы, для которого предназначается конденсатор. При этом различают следующие основные режимы работы: 1) при постоянном или выпрямленном напряжении; 2) при переменном напряжении технической частоты 50 Гц; 3) при звуковых частотах 20...20 000 Гц; 4) при радиочастотах; 5) при импульсных режимах (при единичных импульсах или при повторяющихся импульсах постоянной или переменной полярности).

У конденсаторов, предназначенных для использования в электронной технике, в маркировке обычно указывается номинальное рабочее напряжение постоянного тока. Для силовых конденсаторов обычно указывается эффективное значение рабочего напряжения при частоте 50 Гц.

В повседневной практике применения конденсаторов пользуются следующими параметрами.

Номинальная емкость — емкость, значение которой обозначено на конденсаторе или указано в документации. Номинальные значения емкостей стандартизованы и выбираются из определенных рядов чисел.

Фактические значения емкостей могут отличаться от номинальных в пределах допустимых отклонений, которые указываются в процентах.

Номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе или указанное в документации, при котором он может работать в заданных условиях в течение установленного срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение конденсаторов многих типов уменьшается с ростом температуры окружающей среды, так как с увеличением температуры, как правило, ускоряются процессы старения диэлектрика.

Под номинальным током конденсатора понимают наибольший ток, при котором конденсатор может работать в заданных условиях в течение гарантированного срока службы. Значение номинального тока зависит от конструкции конденсатора, примененных в нем материалов, частоты переменного или пульсирующего напряжения и температуры окружающей среды.

Тангенс угла потерь характеризует потери энергии в конденсаторе и определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты.

Конкретное значение тангенса угла потерь зависит от типа диэлектрика и его качества, а также от температуры окружающей среды и от частоты переменного тока, на которой он измеряется. Как правило, тангенс угла потерь имеет минимум в области комнатных температур. С ростом частоты значение тангенс угла потерь увеличивается. С течением времени, а также при эксплуатации во влажной среде значение тангенса угла потерь растет и может увеличиться в несколько раз.

Электрическое сопротивление конденсатора постоянному току определенного напряжения называется сопротивлением изоляции конденсатора. Этот параметр характерен для конденсаторов с органическим и неорганическим диэлектриками. Сопротивление изоляции зависит от типа диэлектрика, конструкции конденсатора и условий его эксплуатации. При длительном хранении сопротивление изоляции может уменьшиться на один-три порядка.

Ток проводимости, проходящий через конденсатор при постоянном напряжении на его обкладках в установившемся режиме, называют током утечки. Ток утечки обусловлен наличием в диэлектрике свободных носителей заряда и характеризует качество диэлектрика конденсатора. Этот параметр характерен для вакуумных и оксидных конденсаторов. Ток утечки в большой степени зависит от значения приложенного напряжения и времени, в течение которого оно приложено. При включении конденсатора под напряжение происходит "тренировка", т.е. постепенное уменьшение тока утечки. При длительном хранении и длительной работе ток утечки конденсаторов возрастает.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) — величина, применяемая для характеристики конденсаторов с линейной зависимостью емкости от температуры и равная относительному изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия. По значению ТКЕ керамические и некоторые другие конденсаторы разделяются на группы. Для конденсаторов с нелинейной зависимостью емкости от температуры, а также с большими уходами емкости от температуры обычно приводится относительное изменение емкости в рабочем интервале температур.

Полное сопротивление конденсатора — это сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определенной частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с емкостью также активного сопротивления и индуктивности. Этот параметр обычно применяется при использовании конденсатора в СВЧ-устройствах. Наименьшей индуктивностью обладают керамические конденсаторы (Ж...30 нГн).

Реактивная мощность — это произведение напряжения определенной частоты, приложенного к конденсатору, на силу тока, проходящего через него, и на синус угла сдвига фаз между ними. В большинстве случаев угол сдвига фаз близок к 90°, поэтому приближенно P_p=2л/(CU²). Понятие реактивной мощности введено для высокочастотных и особенно высоковольтных конденсаторов и используется для установления допустимых электрических режимов эксплуатации. При этом в области низких частот ограничения определяются допустимой амплитудой напряжения переменного тока, а на высоких частотах — допустимой реактивной мощностью конденсатора.

Вносимое затухание и сопротивление связи — это величины, характеризующие способность помехоподавляющих конденсаторов и фильтров подавлять помехи переменного тока заданной частоты. Вносимое затухание (А) пропорционально логарифму отношения напряжений, измеренных на нагрузке электрической цепи до (U1) и после (U2) включения конденсатора или фильтра в эту цепь: A=201g(Ul/U2).

Сопротивление связи R. определяется как отношение напряжения на выходе помехоподавляющего конденсатора Uвх к его входному току Iвх т.е. Re=Uвх/вх. Понятие сопротивления связи введено для 3- и 4-выводных конденсаторов.

Вносимое затухание и сопротивление связи зависят от частоты переменного тока, емкости, индуктивности, добротности и конструкции конденсаторов и фильтров, а также от выходного сопротивления генератора и сопротивления нагрузки.

Подстроенные и переменные конденсаторы имеют дополнительные параметры, учитывающие особенности их функционального назначения и конструктивного исполнения. Вместо параметра номинальная емкость используются параметры максимальная и минимальная емкости, которое могут быть получены при перемещении его подвижной системы. Специфичными параметрами подстроечных и переменных конденсаторов являются момент вращения, скорость перестройки емкости и износоустойчивость.

К подстроечным конденсаторам с электрическим управлением относятся сегнетоэлектрические и полупроводниковые. Для управления емкостью сегнетоэлектрических конденсаторов (варикондов) используется характерная для спонтанной поляризации зависимость диэлектрической проницаемости от приложенного к обкладкам конденсатора напряжения. Для управления емкостью полупроводниковых конденсаторов (варикапов) используется зависимость емкости р—га-перехода от напряжения.

Поскольку при спонтанной поляризации диэлектрическая проницаемость может достигать огромных значений, порядка 10000 и даже выше, то для варикондов характерны большие значения емкости при малых размерах конденсаторов. Для полупроводников — кремния и германия — она существенно меньше, порядка 11...15, поэтому верхний предел емкости у полупроводниковых конденсаторов заметно ниже, чем у варикондов, и обычно не превышает десятков пикофарад, реже достигает нескольких сотен. Однако варикоды обладают существенными недостатками (сильная температурная зависимость, временная нестабильность, низкая добротность — около 25 в лучшем случае). Тем не менее сегнетоэлектрические конденсаторы нашли применение в диэлектрических усилителях, умножителях частоты, стабилизаторах напряжения и т.д.

Полупроводниковые конденсаторы, уступая сегнетоэлектрическим по величине номинальной емкости, имеют улучшенную стабильность емкости (при заданном значении напряжения) как во времени, так и при изменении температуры. Добротность этих конденсаторов также повышена и в определенной области частот может превышать 1000, составляя не ниже 25... 50 при частотах порядка десятков мегагерц. Хотя по величине добротности и стабильности емкости эти конденсаторы уступают воздушным, однако они обладают значительно меньшими размерами и весом, а также повышенной надежностью, что позволяет использовать их в разнообразной аппаратуре для автоматической настройки и подстройки частоты, фазы и т.п. Наряду с этим полупроводниковые конденсаторы могут применяться и во многих других случаях, где требуется емкость, зависящая от напряжения, конкурируя с сегнетокерамическими конденсаторами особенно успешно при небольших значениях емкости и в тех случаях, когда к ее стабильности предъявляются повышенные требования, а также когда нужны пониженные потери.