Конденсаторы.

В классификации конденсаторов, как и во многих других случаях, единства взглядов нет. Приведенная таблица (и в основном остальной материал лекции) взята из “Справочника по электрическим конденсаторам” 1983 г.

Особых комментариев таблица не требует, подробности ниже.

Конденсаторы общего назначения - наиболее широко применяемые во всех классах аппаратуры низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются специальные требования.

К специальным относят высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, пусковые, дозиметрические и др.

Деление на постоянные, переменные и подстроечные понятно. К переменным относят вариконды (емкость управляется приложенным постоянным напряжением) и термоконденсаторы ( с ярко выраженной и жестко нормированной зависимостью емкости от температуры).

Подстроечные имеют диапазон изменения емкости уже, чем переменные.

Классификацию по виду диэлектрика можно сделать более подробной:

органический диэлектрик означает и бумагу, и полистирол, и лавсан (полиэтилентерефталат), и фторопласт, неорганический - сегнетокерамику, слюду, стекло, стеклокерамику (ситалл).

Оксидные конденсаторы формально следовало бы причислить к конденсаторам с неорганическим диэлектриком, но их свойства настолько специфичны, что их выделяют в отдельную группу. К ним с некоторой натяжкой можно отнести также ионисторы (конденсаторы с двойным электрическим слоем).

Конденсаторы с газоразрядным диэлектриком - газонаполненные, воздушные и вакуумные.

Классификация по способу защиты отличается от классификации резисторов: незащищенные практически никак не защищены от климатических воздействий внешней среды и могут использоваться лишь в аппаратуре с высокой степенью защиты, защищенные такого ограничение не имеют, Неизолированные, если и имеют покрытие, то декоративное, не обладающее достаточной электрической и механической прочностью, то есть нельзя допускать, чтобы они корпусом касались токоведущих частей ( если только корпус сам не является одним из выводов). Для изолированных этого ограничения нет.

Уплотненные заключены в оболочку из органического материала, примером могут служить импортные оксидные конденсаторы, корпус которых обтянут термоусаживающимся материалом.

Герметизированные полностью изолированы от внешней среды с помощью стеклянной колбы или аналогичным образом.

Система условных обозначений конденсаторов.

Так же, как и у резисторов существует несколько систем обозначений, однако старые системы исчезают прямо на глазах.

Первый элемент обозначения - либо буква К (для постоянных), либо КТ (дляподстроечных), либо КП (для переменных).

Далее идут две цифры, первая обозначает вид диэлектрика, вторая - некоторые подробности. Так, первая цифра 1 означает керамику, 2 - стекло или стеклокерамику, 3 - слюду, 4 - бумажные конденсаторы, 5 - оксидные, при этом 50 - оксидно-электролитические алюминиевые, 51 - оксидно-электролитические танталовые и ниобиевые, 52 - объемно-пористые, 53 - оксидно-полупроводниковые, 58 - ионисторы. Цифра 6 означает газонаполненные конденсаторы, 7 - пленочные, среди которых 70 и 71 - полистирольные, 72 - фторопластовые, 73 - полиэтилентерефталатные (лавсановые) и т. д.

Электрические параметры конденсаторов.

Основной параметр конденсаторов - естественно, номинальная емкость. Так же, как и у резисторов, значения номинальной емкости выбираются из рядов, однако чаще используются младшие ряды, от Е3 до Е24.

Диапазоны емкостей, охватываемые различными типами конденсаторов, очень сильно различаются. Так, керамические и другие конденсаторы с неорганическим диэлектриком охватывают диапазон от единиц пикофарад до нескольких микрофарад, пленочные - от десятков пикофарад до десятков микрофарад, оксидные - от единиц до сотен тысяч микрофарад, а ионисторы имеют емкости от десятых долей до единиц фарад.

Что касается допускаемых отклонений, то они, во-первых, существенно больше, чем у резисторов, а, во-вторых, могут быть несимметричными.

Стандартный ряд включает (в %): ±0.1, ±0.25, ±0.5, ±1, ±2, ±10, ±20, ±30, 0+50, -10+30, -10+50, -10+100, -20+50, -20+80.

Конденсаторы с допуском ±1 уже считаются прецизионными, а конденсаторов с меньшими допусками даже в справочнике нет.

При номинальной емкости меньше 10 пФ допуск указывается в абсолютных единицах.

Номинальное напряжение.

Номинальное напряжение характеризует не электрическую прочность изоляции, а то напряжение, при котором установленные в технических условиях параметры сохраняются в течение нормативного срока службы. Если конденсатор эксплуатировать с превышением номинального напряжения, то естественная деградация параметров значительно ускоряется.

Под номинальным напряжением понимается пиковое, а не эффективное значение напряжения на конденсаторе.

Значения номинальных напряжений также выбираются из ряда.

Тангенс угла диэлектрических потерь.

По определению tgd есть отношение активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении. Если под "j" понимать фазовый сдвиг между током и напряжением, то

d = 90^о- j.

tgd характеризует потери, связанные с поляризацией диэлектрика, по аналогии с потерями на перемагничивание ( кстати, те потери также характеризуются tgd).

tgd зависит от температуры, а также от частоты, на которой конденсатор работает. Как правило, он имеет минимум при температурах вблизи 20^ОС и растет с ростом частоты.

У керамических и стеклянных конденсаторов его величина лежит в пределах 0.001 - 0.03, у слюдяных - от 0.0005 до 0.0015 и практически не меняется в диапазоне рабочих частот, у металлобумажных, лавсановых и других пленочных, кроме полистирольных и фторопластовых - около 0.01 на частоте 1 кГц, у полистирольных и фторопластовых - на порядок меньше. У оксидных tgd очень велик - от 0.05 до 1.2, по крайней мере у старых типов. Наименьшим tgd обладают вакуумные конденсаторы - 0.0001..0.0002.

Понятно, что в резонансных цепях с высокой добротностью нужны конденсаторы с наименьшим tgd.

Сопротивление изоляции и ток утечки.

Физический смысл сопротивления изоляции ясен. Единственное, что стоит по этому поводу добавить - у конденсаторов с емкостью более 0.33 мкФ принято характеризовать качество изоляции постоянной времени - произведением емкости и сопротивления изоляции, поскольку емкость растет прямо пропорционально площади обкладок, а сопротивление изоляции меняется обратно пропорционально ей.

У оксидных, а также вакуумных конденсаторов в силу особенностей физических процессов качество изоляции характеризуется током утечки.

Естественно, качество изоляции заметно ухудшается с ростом температуры.

Коэффициент диэлектрической абсорбции.

Само явление диэлектрической абсорбции заключается в том, что после кратковременного разряда конденсатора на его обкладках снова появляется напряжение. Грубо это можно объяснить тем, что заряды “медленно всплывают из глубины”. Естественно, чем длительнее разряд, тем это явление меньше сказывается, но при разработке схем, особенно с прецизионными компараторами, пренебрегать этим явлением нельзя - можно получить ложные срабатывания и долго гадать, откуда они берутся.

Коэффициент диэлектрической абсорбции определяется при стандартной длительности разряда и представляет собой отношение остаточного напряжения к начальному в процентах.

Полное сопротивление и резонансная частота.

Нетрудно сообразить, что реальный конденсатор, кроме емкости, обладает и активным сопротивлением (которое характеризуется уже упомянутым tgd ), а также индуктивностью, состоящей из индуктивности выводов и индуктивности, обусловленной самой конструкцией конденсатора (в частности, рулонной конструкцией пленочных или оксидных конденсаторов).

Естественно, на какой-то характерной частоте наступит резонанс напряжений, и при более высокой частоте конденсатор поведет себя уже как индуктивность.

Эта частота у керамических и слюдяных конденсаторов может быть в диапазоне 1 - 5000 Мгц, у пленочных в цилиндрических корпусах от 1.5 до 15 Мгц, в прямоугольных корпусах - от 0.1 до 2.5 Мгц, у оксидных - от 0.035 (у конденсаторов большой емкости) до 12 Мгц (у оксидно - полупроводниковых самых маленьких емкостей).

Температурный коэффициент емкости.

ТКЕ характеризует изменение емкости в зависимости от температуры и нормируется для типов конденсаторов, у которых эта зависимость сильно выражена - для керамических и слюдяных.

По значению ТКЕ конденсаторы делятся на группы. Обозначение группы с линейной зависимостью емкости от температуры включает в себя знак ТКЕ (П - плюс, М - минус, МП0 - практически нулевой ТКЕ), и цифры (ТКЕх10⁶ град^-1).

Существуют группы П100, П60, П30, МП0, М33, М47, М75, М150, М220, М330, М470, М750 (М700), М1500 (М1300), М2200, М3300.

Конденсаторы с нелинейной зависимостью емкости от температуры также делятся на группы, но смысл цифр совершенно другой. Обозначение группы включает в себя букву Н (нелинейная) и цифры, означающие допустимое относительное изменение емкости в интервале рабочих температур в процентах.

Таким образом, конденсатор К10-17 Н90 0.1 мкФ +80-20% может иметь емкость от 0.008 до 0.342 мкФ - прямо бальзам на душу схемотехника!

К счастью, такое стечение обстоятельств практически невероятно, а вообще-то на середину рабочего диапазона температур обычно приходится минимум емкости.

Ионисторы.

Ионистор - конденсатор с двойным электрическим слоем - весьма своеобразный электронный прибор, который в основном ведет себя как конденсатор, но проявляет некоторые черты аккумулятора.

Не вдаваясь в подробности устройства ионистора и физических явлений, в нем происходящих, начнем с параметров.

* Освоение в 1997году

Температура	+70оС	-25..+70 оС	-25..+70 оС
Напряжение, В	Uном	0.8Uном	0.6Uном
Долговечность, час	500	5000	40000

Основные нормируемые параметры: емкость, рабочее напряжение, ток утечки, последовательное внутреннее сопротивление и долговечность.

Главное - это огромная емкость при очень невысоком рабочем напряжении, при этом, как видно из таблицы, долговечность сильно зависит от электрического и температурного режима, что для оксидных конденсаторов по крайней мере теоретически не свойственно.

Зависимость тока утечки от напряжения ярко выражена. Порядок величины - десятые и даже сотые доли мкА/В.

Внутреннее сопротивление зависит в первую очередь от внутреннего устройства, а именно от типа электролита: у ионисторов на водных электролитах Rвн существенно меньше, чем у ионисторов на органических растворителях, но рабочее напряжение также меньше. В России их еще не делают.

Области применения: сегодня основное применение - источники резервного питания для электронных устройств, где внутреннее сопротивление не играет большой роли. С применением ионисторов полностью исчезают специфически аккумуляторные проблемы: ограниченность числа циклов заряд-разряд, необходимость контроля и замены в течение срока службы аппаратуры. С учетом малых токов утечки время хранения информации в слаботочных ОЗУ может достигать 30 суток.

При использовании ионисторов в качестве источников резервного питания некоторую сложность представляет значительное время, необходимое для их заряда до номинального напряжения, в течение которого аппаратура либо не будет работать совсем, либо будет работать без резервного питания.

Емкость ионистора в некоторой степени зависит от времени заряда, а также от режима разряда (сходство с аккумуляторами), и зависимость U(t) при постоянном токе заряда не вполне линейна, но использовать их во времязадающих цепях все-таки можно.

Сейчас основное внимание сосредоточено на уменьшении внутреннего сопротивления и создании мощных ионисторов, способных намного эффективнее, чем аккумуляторы, обеспечивать пусковые режимы приводов постоянного тока (самое актуальное - запуск автомобильных двигателей), поскольку у ионистора нет естественного ограничения скорости разряда, кроме Rвн.

К58-3 и К58-9 (последние состоят из последовательно включенных и заключенных в общую оболочку К58-3) выпускаются ТОО "ГЕЛИОН", г. Рязань, К58-4 - заводом "ГИРИКОНД"

Источник информации: С. Карабанов, Ю. Кухмистров “Ионисторы - конденсаторы с двойным электрическим слоем”, журнал "Электронные компоненты" № 1-2 1997 г., стр. 24 - 27