1.2. Конденсаторы

Конденсаторы наравне с резисторами являются наиболее распространенными элементами электронных цепей. Конструктивно конденсатор представляет собой две обкладки, между которыми находится диэлектрик. Электрические характеристики и область применения конденсаторов зависят от типа диэлектрика между обкладками. Конденсаторы бывают как постоянной, так и переменной емкости. По способу изменения емкости конденсаторы бывают с механически и электрически управляемой емкостью.

В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы постоянной емкости бывают: вакуумные, воздушные, с твердым неорганическим диэлектриком (слюдяные, керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, пленочные, стеклопленочные), с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, фторопластовые, полиэтиленфталатные), электролитические (танталовые, титановые, алюминиевые).

Условное обозначение конденсаторов указано на рис. 1.9.

Конденсатор, как законченное устройство, обладает рядом паразитных параметров. Эквивалентная схема конденсатора показана на рис. 1.10, где L – определяется конструкцией, размерами обкладок и ограничивает частотный диапазон их применения, R_из – сопротивление изоляции, R_п – сопротивление потерь, под действием переменного поля изменяется состояние диэлектрика, на что происходит затрата мощности. R_п указывает на то, что напряжение и ток реального конденсатора сдвинуты по фазе на угол меньше 90 в частотном диапазоне, где индуктивностью можно пренебречь.

Для количественной оценки потерь вводят тангенс угла потерь . Значение тангенса угла потерь зависит от вида диэлектрика, температуры и напряженности электрического поля. Он может изменяться с частотой и во времени. На практике для характеристики потерь пользуются понятием добротности конденсатора или отношение реактивной м ощности к активной. Конденсаторы характеризуются номинальной и фактической емкостью. Номинальная емкость С_ном указывается заводом-изготовителем, а фактическая С_ф – определяется при данной температуре и частоте. Допустимое отклонение емкости задается в процентах

.

По точности и отклонению емкости от номинального значения конденсаторы разделяются на классы (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Деление конденсаторов на классы

Класс	0,01	0,02	0,05	00	0	1	2	3	4	5	6
Допуск, %	0,1	0,2	0,5	1	2	5	10	20	–10… +20	–20… +30	–20… +50

Стабильность конденсатора определяется материалом диэлектрика и конструкцией. Изменение емкости в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом емкости (ТКЕ)

,

где Т – температура, С_от – значение емкости при номинальной температуре.

ТКЕ может быть отрицательным, нулевым и положительным. Для обеспечения нулевого ТКЕ используют последовательное и параллельное соединения нескольких конденсаторов с разным знаком ТКЕ.

Стабильность конденсаторов во времени характеризуется коэффициентом старения

,

где t – время, C₀ – значение емкости непосредственно после изготовления.

Часто стабильность конденсаторов в зависимости от времени характеризуется граничными значениями емкости.

При длительном воздействии напряжения возможен пробой диэлектрика. В твердом диэлектрике возможны следующие виды пробоев: электрический, ионизационный, тепловой и электрохимический.

Электрический пробой возникает при кратковременном приложении высокого напряжения. Свободным электронам в диэлектрике сообщаются большие скорости, и возможно их лавинное размножение. Напряжение пробоя зависит от температуры. В реальных условиях конденсаторы работают при рабочих напряжениях ниже пробивного. Поэтому электрический пробой диэлектрика не относится к основным факторам, определяющий его долговечность.

Ионизационный пробой обусловлен наличием остаточных воздушных включений в толщи диэлектрика или в прослойках между диэлектриком и обкладками. Даже при небольших напряжениях возникает большая напряженность электрического поля в создавшихся неоднородностях, что приводит к локальному пробою, разрушению диэлектрика и к образованию в диэлектрике областей с ухудшенными свойствами.

Тепловой пробой происходит при длительном воздействии напряжения на конденсаторе. Возрастают потери, из-за неоднородности диэлектрика в отдельных местах может возникать перегрев, ухудшаются диэлектрические свойства, и уменьшается напряжение пробоя.

Электрохимический пробой обусловлен электрохимическими процессами в диэлектрике при действии постоянного напряжения и повышенной температуры. Ионы в диэлектрике вступают во взаимосвязь с металлом обкладок, что приводит к образованию в толщи диэлектрика проводящих нитей и возникновению пробоя. Для избежания этого пробоя необходимо тщательно выбирать материалы обкладок и диэлектрик.

При воздействии на конденсатор напряжения в нем возникают электрические и акустические шумы. Электрические шумы вызваны частичными разрядами, мерцаниями емкости, пьезоэлектрическими эффектами. Акустические шумы конденсатора обусловлены вибрацией обкладок под действием кулоновских и электродинамических сил.