2 Основные электрические характеристики и параметры конденсаторов

Основными электрическими параметрами конденсатора являются емкость С и рабочее напряжение Up. Однако во многих случаях для правильного использования конденсаторов необходимо знать допускаемое отклонение от номинальной емкости, температурную стабильность, тангенс угла потерь, частотные свойства конденсаторов, сопротивление изоляции и др.

Номинальная емкость конденсатора - это емкость, значение которой указано на корпусе конденсатора или в нормативной документации. Значение емкости конденсатора устанавливают семь рядов ЕЗ, Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192. Чаще всего используются ряды ЕЗ, Е6, Е12, Е24. Величина емкости конденсаторов изменяется от 0,1 пФ до 0,47Ф.

Допустимое отклонение емкости от номинальной (допуск) ус­танавливается рядом: ±0.1; ±0.25; ±0.5; ±1; ±2; ±5; ±10; ±30; 0 - +50; -10 - +80; -10 - +100; -20 - +50; -20 - +80%. Для конденсаторов емкостью 10 пФ и менее допуск указывают в абсолютных значениях ±0.1; ±25; ±0.5; ±1пФ.

Номинальное рабочее напряжение - это напряжение, при котором конденсатор может работать в течении времени номинальной наработки в заданных условиях. В зависимости от назначения конденсатора под номинальным напряжением понимают постоянное напряжение, амплитудное значение переменного или импульсного напряжения.

Значение номинальных напряжений устанавливается рядом: 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 B.

Величина рабочего напряжения определяется электрической прочностью диэлектрика между обкладками конденсатора и его кон­струкцией. Она в 2-4 раза меньше пробивного напряжения.

Сопротивление изоляции - это сопротивление между обкладками или корпусом и обкладками конденсатора, работающего на постоянном токе. Оно характеризует качество диэлектрика и качество изготовления конденсатора. Наибольшим сопротивлением изоляции обладают пленочные конденсаторы (R_из = 100000 МОм) наименьшим - электролитические (R_ИЗ = 3 МОм). Поэтому электролитические конденсаторы характеризуют током утечки. Качество изоляции конденсаторов с большой площадью обкладок (бумажных, пленочных и др.) определяют также с помощью величины, которую называют постоянной времени конденсатора _С - это время, в течении которого напряжение на конденсаторе уменьшается в е раз (т.е до 36.8% от своего начального значения).

_С=R_ИЗ·С, МОм ·мкФ.

Наибольшей величиной _С обладают пленочные конденсаторы, у которых _С = 20000с при С = 0.33 мкФ. При значениях емкости меньше 0.1 мкФ величина те в большей степени определяется конструктивными особенностями конденсатора, чем качеством диэлектрика между обкладками.

Тангенс угла потерь (tg) характеризует потери энергии в конденсаторе. Тангенс угла потерь (tg) - это отношение активной мощности конденсатора Р_а к его реактивной мощности Р_р при синусоидальном напряжении определенной частоты.

tg = Pa / Pp.

В конденсаторах малой мощности, для которых допустимая реактивная мощность составляет не более сотен вольтампер, потери в основном определяются потерями в диэлектрике.

Величина обратная tg, называется добротностью конденсатора. Величина tg в зависимости от типа конденсаторов измеряется на частотах 50Гц; 1МГц; 10 МГц; 100МГц. При повышении температуры и влажности окружающей среды, а также с течением времени значение tg растет. У современных конденсаторов величина tg изменяется в пределах от 0,15 до 0,001.

Стабильность конденсатора характеризуется изменением его емкости, добротности, электрической прочности при изменении температуры, влажности, давления, а также во времени (старение).

Под влиянием температуры изменяются размеры обкладок, величины зазоров, значения диэлектрической проницаемости диэлектриков. Эти причины вызывают обратимые и необратимые изменения емкости. Обратимые изменения характеризуются температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), а необратимые - коэффициентом температурной нестабильности емкости (КТНЕ).

С₂ - С₁

TKC = –––––––––––

C₁ ^. (T₂ - T₁)

где C₁ и C₂ - емкость конденсатора при температуре T₁ и T₂ соответственно.

Слюдяные, керамические и некоторые пленочные конденсаторы в зависимости от температурной стабильности разделяются на группы, каждая из которых характеризуется своим ТКЕ. Например, керамические конденсаторы разделяют на 16 групп по ТКЕ, имеющим значения ТКЕ от -2200-10^-6 до +120-10^-6. Это обозначается М2200 и П120 соответственно. Керамические низкочастотные конденсаторы из сегнетокерамики имеют нелинейную зависимость емкости от температуры, их ТКЕ не нормируется, а температурная стабильность емкости определяется относительным изменением емкости в интервале рабочих температур от -60 до +85°С. Конденсаторы с ненормированным ТКЕ делят на шесть групп: Н10 (± 10%); Н20 (±20%); Н3О (±30%); Н50 (±50%); Н70 (±70%); Н90 (±90).

Абсорбция - это явление восстановления заряда на обкладках конденсатора после их кратковременного короткого замыкания. Появляется абсорбция у конденсаторов с многослойным неоднородным диэлектриком, для которых характерна миграционная поляризация. Это явление в высоковольтных конденсаторах может создать опасное напряжение, а в низковольтных - вызвать ложные срабатывания импульсных схем, блокировку усилительных приборов и т.п. Конденсатор как законченное устройство обладает рядом паразитных параметров (рис .54). Это и ндуктивность LC, сопротивление изоляции Rиз, сопротивление потерь Rп,

емкость между выводами конденсатора и корпусом С_В.

Емкость конденсатора зависит от частоты приложенного напряжения. При изменении частоты изменяется величина диэлектрической проницаемости диэлектрика, потери и степень влияния собственной паразитной индуктивности и сопротивление потерь.

Используя схему замещения конденсатора (рис. 54) определим сопротивление цепи:

Z = √[R_п² + ( l / C - L_C)²]^1/2

У конденсаторов, имеющих большую величину tg, эквивалентное последовательное сопротивление потерь R_п будет ограничивать ток через конденсатор, что эквивалентно уменьшению емкости. Сопротивление конденсатора без учета влияния паразитной индуктивности:

Z = 1 / С_Д = (R_п² - 1/²C_Д)^1/2 ,

где Сд - действующая емкость конденсатора.

С С

Отсюда Сд = ––––––––––––––– = –––––––––––––––

(R_n^{2 .}² С² +1)^1/2 (tg² + 1)^1/2

Снижение емкости при возрастании частоты особенно сильно проявляется в электролитических конденсаторах, у которых величина tg может достигать 0,3.

Паразитная индуктивность конденсатора Lc определяется конструкцией, размерами обкладок и также ограничивает применение конденсаторов на высокой частоте. Она слагается из индуктивности самого конденсатора (рабочего элемента) и индуктивности внутренних и внешних проводников. Чем меньше размеры конденсатора и чем короче и толще соединительные проводники и выводы, тем меньше собственная индуктивность.

Оценим влияние паразитной индуктивности. Считая, что конденсатор имеет малые потери, не будем учитывать величину R_П. Тогда выражение для полного сопротивления конденсатора упростится:

Действующая емкость конденсатора равна:

C

C_Д = –––––––––––

1 - ^{2 .} L_C ^. C

Индуктивное сопротивление частично компенсирует емкостное, полное сопротивление конденсатора уменьшается, что эквивалентно увеличению емкости.

На частоте _C = l / (Lc ^. C) наступает собственный резонанс конденсатора, его сопротивление минимально и равно активному со­противлению потерь R_П На других частотах полное сопротивление конденсатора больше и имеет реактивный характер (рис.55): на более низких частотах - емкостной, а на более высоких - индуктивный. Пунктиром на рис.55 показана зависимость полного сопротивления от частоты для идеального конденсатора.

Некоторые типы керамических конденсаторов, предназначенные для использования на СВЧ, для уменьшения величины паразитной индуктивности не имеют проволочных выводов, а снабжены металлизированными торцами, при помощи которых они непосредственно впаиваются в схему.

Обычно максимальная рабочая частота конденсатора в 2-3 раза меньше резонансной. Конденсаторы, обладаю­щие большим tg и паразитной индуктивностью (как правило, это электролитические конденсаторы) характеризуют модулем полного сопротивления на определенной частоте.