Основные электрические характеристики конденсаторов

К основным электрическим характеристикам конденсаторов относятся- номинальная емкость и допуск на нее, температурный коэффициент емкости, номинальное напряжение, номинальный ре­активный ток, тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление изоляции и ток утечки,

НОМИНАЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ И ДОПУСК

Номинальным называют значение емкости конденсатора, ко­торое указано в технической документации на конденсатор или ко­торое обозначено на его корпусе. Номинальная емкость является исходной для отсчета допустимого и реального отклонений конкретного конденсатора. Практически используемые значения емкостей конденсаторов находятся в пределах от 1 пФ до 1Ф, т.е. 12 порядков или 12 декад.

Экономически целесообразно, чтобы конденсаторы имели лишь некоторые значения емкости, которые находят наибольшее применение. Номинальные значения емкостей (табл. 9.3), согласно рекомендациям МЭК (Международной электротехнической комис­сии), стандартизованы (т.е. не произвольны) и выбираются из опре­деленных рядов чисел ЕЗ; Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192 (цифра ука­зывает количество номинальных значений в каждой декаде).

Таблица 3. Ряды номинальных емкостей конденсаторов, наиболее часто используемые в РЭС

Е3	Е6	Е12	Е24	Е3	Е6	Е12	Е24
1,0	1,0	1,0	1,0		3,3	3,3	3,3
			1,1				3,6
	1,2	1,2	1,2			3,9	3,9
			1,3				4,3
	1,5	1,5	1,5	4,7	4,7	4,7	4,7
			1,6				5,1
	1,8	1,8	1,8			5,6	5,6
			2,0				6,2
2,2	2,2	2,2	2,2		6,8	6,8	6,8
			2,4				7,5
	2,7	2,7	2,7			8,2	8,2
			3,0				9,1

Так, в ряде ЕЗ имеется три значения номинальных емкостей в каждой их декаде, которые соответствуют числам 1,0; 2,2; 4,7. Это зна­чит, что конденсаторы могут иметь, например, номинальные значения в микрофарадах: 1,0; 2,2; 4,7; 10; 22; 47; 100; 220; 470 и т.д. Аналогично в пикофарадах, нанофарадах, фарадах. Номинальные емкости должны соответствовать значениям теоретического ряда, однако реально ис­пользуемый состав ряда может быть ограничен по технологическим или физическим причинам. Например, керамический монолитный кон­денсатор типа К10-23 с температурными коэффициентами ПЗЗ и М47 производятся с номинальными емкостями, подчиняющимися ряду Е6, от 2,2 до 330 пФ, т.е. всего три декады из теоретических двенадцати.

В производстве конденсаторов наиболее часто применяются ряды номиналов ЕЗ, Е6, Е12 и Е24. Фактическое значение емкости, измеренное у конкретного конденсатора, может отличаться от номи­нального на некоторое значение, обязанное находиться в пределах поля допуска. Назначаемые допуски обычно исчисляются в процен­тах от номинального значения и также подчиняются ряду (табл. 4). Как уже упоминалось, допустимые отклонения могут указываться на самом конденсаторе. Кроме того, существует международная коди­ровка допусков, которой соответствуют отечественные обозначения (в скобках табл. 4).

Таблица 4. Ряд допустимых отклонений емкости конденсаторов от номинальных значений и их кодировка

Допуск, %	Международный код	Допуск, %	Международный код
0,1	B(Ж)	20	M(В)
0,2	C(У)	30	NФ()
0,5	D(Д)	-10…+30	O(О)
1	FР()	-10…+50	T(Э)
2	G(Л)	-10…+100	Y(Ю)
5	J(И)	-20…+50	S(Б)
10	K(С)	-20…+80	Z(А)

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ЕМКОСТИ

Емкость большинства конденсаторов зависит от их температу­ры, причем зависимость имеет нелинейный характер. Для практиче­ских целей используют линеаризацию введением температурного коэффициента емкости (ТКЕ) - величины, равной относительному изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус. При наличии существенной нелинейности линеари­зацию применяют для диапазонов температур.

Керамические (и немногие другие) конденсаторы по уровню ТКЕ подразделяют на группы с линейной или близкой к ней зависи­мостью емкости от температуры. В табл. 9.5 приведены условные обозначения (буквенно-цифровое и цветными поясами) групп тем­пературных коэффициентов емкости конденсаторов.

Таблица 5. Условное обозначение групп температурных коэффи­циентов емкости керамических конденсаторов

Группа ТКЕ	ТКЕ (20...80°C)*10-6. 1/°С	Группа ТКЕ	ТКЕ (+20...+80°С),10"в. 1/°С
П100(П120)	+ 100 (+120) Цвет оран­жевый + черный	М150	-150 Цвет оранжевый
П60	+60	М220	-220 Цвет желтый
П33	+33 Цвет серый	МЗЗО	- 330 Цвет зеленый
МПО	0 Цвет черный	М470	- 470 Цвет голубой
M33	-33 Цвет коричневый	М750 (М700)	- 750 (- 700) Цвет фиолетовый
M47	-47 Цвет голубой + красный	М1500	-1500 Цвет оранжевый
M75	- 75 Цвет красный	М2200	-2200 Цвет желтый + оранжевый

Таблица 6. Кодированные обозначения изменений емкости кон­денсаторов с ненормируемым ТКЕ

Группа ТКЕ	Изменение емкости в диапазоне -60…+85°С	Цветная кодировка
Н10	±10%	Оранжевый + черный
Н20	±20%	Оранжевый + красный
Н30	±30%	Оранжевый + зеленый
Н50	±50%	Оранжевый + голубой
Н70	-70%	Оранжевый + фиолетовый
Н90	-90%	Оранжевый + белый

Температурный коэффициент емкости слюдяных и полистирольных конденсаторов колеблется в пределах , 1/°С. Поли карбонатные конденсаторы по знаку ТКЕ не гарантируются производителями ( 1/°С). ТКЕ конденсаторов с другими ди­электриками не нормируются, но с помощью кодировки могут быть указаны допустимые пределы нелинейного изменения емкости в за­данном диапазоне температур (табл. 6).

НОМИНАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЕ, ТОК И РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ

Номинальным называют напряжение, при котором конденса­тор может работать с сохранением своих характеристик в пределах допусков в течение эксплуатации в заданных условиях. Уровень это­го напряжения зависит от применяемых материалов и конструкции конденсатора. Поскольку свойства диэлектриков существенно зави­сят от температуры, то с ее повышением (обычно выше 70...90°С) для многих типов конденсаторов номинальное напряжение снижают.

Номинальное напряжение назначают с некоторым запасом по отношению к электрической прочности диэлектрика. Такой запас ис­ключает интенсивное старение диэлектрика и снижение пробивного напряжения в течение срока эксплуатации. В свою очередь, электри­ческая прочность диэлектрика зависит от формы приложенного на­пряжения (постоянное, переменное гармоническое, переменное им­пульсное), температуры и влажности среды, от площади соприкосно­вения с электродными пластинами, от длительности эксплуатации.

Номинальные напряжения подчиняются стандартному ряду следующих значений: 1; 1,6; 2,5; 3,2; 4; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350; 400; 450; 500; 630; 800; 1000; 1600; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000; 10 000 В.

Особенностью применения конденсаторов в составе РЭС яв­ляется их работа под напряжением, содержащем постоянную и пе­ременную составляющие. Сумма амплитуд постоянной и перемен­ной составляющей не должна превышать номинальное напряжение конденсатора.

С целью установления допустимого электрического режима вы­сокочастотных и особенно высоковольтных конденсаторов вводят по­нятие реактивной мощности, которая характеризует нагрузочную способность конденсатора при наличии на нем больших напряжений U_m высокой частоты. Реактивную мощность конденсатора определяют соотношением (ВАР). В области низких частот допус­тимый электрический режим обусловлен амплитудой переменного напряжения U_m, а на высоких - допустимой реактивной мощностью.

В свою очередь, амплитуду переменной составляющей можно найти с учетом допустимой пропускаемой реактивной мощно­сти (ВАР) на частоте f (Гц) конденсатора емкостью С (пФ):

.

Пропускаемая реактивная мощность конденсатора оказывает существенное влияние на допустимую амплитуду переменной со­ставляющей приложенного напряжения при включении конденсато­ра в цепь, например, высоковольтного делителя. Так, высоковольтный керамический конденсатор типа К15-12 имеет (о зависимости от номинального импульсного напряжения) допустимую реактивную мощность 0,5…3,5 кВАР и номинальное напряжение в пределах 2…4 кВ, а опорный керамический конденсатор К1ОУ-1 (применяемый при изготовлении помехоподавляющих фильтров РЭС) емкостью 2Н2 - всего 0,5 ВАР и номинальное напряженно 350 В.

Наличие омических (активных) потерь в конденсаторе приво­дит к возникновению активной мощности потерь , выделяемой на конденсаторе и приводящей к его нагреву.

Номинальный ток (нормируется только для вакуумных кон­денсаторов) - это наибольший ток, при котором конденсатор может работать длительное время. Он введен для целесообразного выбо­ра теплового режима конденсатора при значительных уровнях пере­менного тока. При пропускании через конденсатор радиоимпульсов (импульсов с заполнением сигналом высокой частоты) уровень им­пульсного тока 1„ со скважностью q может превышать номинальный ток , в несколько раз: .

Конденсатор, включенный в цепь переменного тока, обладает полным сопротивлением (импедансом), обусловленным присутстви­ем (помимо емкости) у реального конденсатора внутреннего омиче­ского сопротивления и индуктивности. На высоких частотах они ока­зывают заметное влияние на амплитуду и форму напряжений и то­ков цепи, в которую включен конденсатор.

Рис 3. Эквивалентная схема замещения конденсатора на высокой частоте

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика полного сопротивления конденсатора

В простейшем случае эквивалентную схему конденсатора можно представить (рис. 3) последовательным включенном емко­сти С, индуктивности L и сопротивления r, которая характеризуется импедансом

.

На резонансной частоте f₀ конденсатор имеет (рис. 4) чисто активное сопротивление - на этой частоте компенсируются емкост­ная и индуктивная составляющие импеданса, т.е. . Следует отметить весьма важную для практики особенность - на часто­тах ниже f₀ реактивное сопротивление носит емкостной характер, на частоте выше f₀ - индуктивный.

В табл. 7, представлены усредненные значения характери­стик элементов эквивалентной схемы замещения конденсатора.

Таблица 7. Значения усредненных характеристик элементов за­мещения конденсаторов некоторых типов

Группы конденсаторов по типу диэлектрика	Индуктивность, мГн	Резонансная частота, МГц
Керамические и слюдяные	0,25…15	1…5000
Бумажные и пленочные цилиндрической формы	6…20	1,5…15
Бумажные и пленочные в форме параллепипеда	10…100	0,1…2,5
С оксидным диэлектриком	3…40	0,035…12

В большинстве случаев применения конденсаторы являются линейными компонентами, у которых основные электрические ха­рактеристики считаются не зависящими от приложенных напряжений и протекающих токов. При протекании через один из таких конденса­торов переменного тока синусоидальной формы вида падение напряжения на нем должно учитывать инерционные свойства конденсатора:

.

Таким образом, напряжение на конденсаторе отстает от тока через него на 90^º (векторная диаграмма показана на рис. 5). До­полнительный угол появился при переходе к синусоидальной функ­ции. В комплексной форме имеет место следующее соотношение:

, где величина является комплексным сопротивлением конденсатора, а величина - называется реактивным сопротивлением конден­сатора, которое на постоянном токе стремится к бесконечности, а на переменном токе снижается до минимальных значений при уве­личении частоты (рис. 6),

Рис. 5. Векторная диаграмма тока и напряжения на конденсаторе

Рис. 6. Зависимость реактивного со- Рис. 7. Временные зависимости на-противления конденсатора от частоты пряжения, тока и реактивной мощно­сти

конденсатора

Мгновенная мощность, выделяемая на конденсаторе (рис.7),

может иметь положительное и отрицательное значения (конденса­тор запасает электрическую энергию или отдает ее в ту цепь, в ко­торую он включен).

ТАНГЕНС УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

Потери энергии на заданной частоте в конденсаторе отражает тангенс угла потерь, который определяют отношением активной мощности на конденсаторе к его реактивной мощности (при напряжении синусоидального тока): . Тангенс угла диэлектриче­ских потерь обусловлен типом диэлектрика и его качеством, температурой окружающей среды, частотой переменного тока. Зна­чения для керамических высокочастотных, слюдяных, полистирольных, фторопластовых конденсаторов находятся в пределах , поликарбонатных , керамических низко­частотных , оксидных , полиэтиленфталатных .

СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ И ТОК УТЕЧКИ

На постоянном токе конденсатор представляет собой доста­точно большое сопротивление. Это сопротивление называют сопро­тивлением изоляции конденсатора. Его значение отражает качество, как диэлектрика, так и изготовленного конденсатора. При длитель­ной эксплуатации или хранении сопротивление изоляции под дейст­вием внешних воздействий может снизиться на несколько порядков. Для практической оценки этой характеристики конденсатора изме­рение сопротивления изоляции производят при некоторых фиксиро­ванных напряжениях (10, 100, 500 В), значения которых ниже номи­нальных для соответствующих типов конденсаторов.

Проводимость конденсатора на постоянном токе в установив­шемся режиме обусловливает ток утечки между его обкладками. Причиной его возникновения являются свободные носители заряда в диэлектрике, и он нелинейно зависит от приложенного напряжения и длительности воздействия. Поэтому практическое измерение тока утечки конденсатора производят через 5 мин после подачи на него напряжения. Обнаружено, что многократное приложение постоянно­го напряжения (ниже номинального) вызывает у вновь изготовленно­го конденсатора «формовку» диэлектрика (некоторое снижение тока утечки). Длительная эксплуатация и хранение вызывают рост тока утечки.