§ 1.2. КОНДЕНСАТОРЫ

Конденсаторы, как и резисторы, являются одним из наиболее массовых элементов электронных цепей. Электрические характеристики, конструкция и область их применения зависят от типа диэлектрика между его обкладками. По виду диэлектрика конденсаторы постоянной емкости можно подразделить на пять групп: 1) с газообразным диэлектриком (воздушные, газонаполненные, вакуумные); 2) с жидким диэлектриком; 3) с твердым неорганическим диэлектриком (керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, стеклопленочные, тонкослойные из неорганических пленок, слюдяные); 4) с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, фторопластовые, полиэтиленфталатные); 5) с оксидным диэлектриком (электролитические, оксидно-полупроводниковые, оксидно-металлические), выполняемые с использованием алюминия, титана, ниобия, сплавов тантала и ниобия.

У конденсаторов различают номинальное и фактическое значения емкости. Номинальная емкость указывается на его маркировке в сопроводительной документации; фактическая — это значение емкости, измеренное при данной температуре и определенной частоте.

Допускаемое отклонение емкости обычно задается в процентах:

Изменения значения емкости в зависимости от температуры характеризуются температурным коэффициентом емкости (ТКЕ), который иногда обозначают :

Этот коэффициент показывает изменение емкости при изменении на 1 К температуры окружающей среды. В зависимости от материала диэлектрика ТКЕ может быть положительным, нулевым или отрицательным. Его значение, определенное на конкретной частоте, указывается в маркировке конденсатора с помощью букв и цифр или цветного кода. По допускаемому отклонению ТКЕ от нормированного значения конденсаторы подразделяются на два класса: А и Б. У класса А отклонение в раза меньше, чем у класса Б. При необходимости получить определенное значение ТКЕ применяют последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов с разными номиналами и разными ТКЕ. При параллельном соединении конденсаторов ТКЕ полученной результирующей емкости С находят из уравнения

При последовательном соединении — из уравнения

Подбирая номиналы и ТКЕ, а также комбинируя последовательное и параллельное соединения можно обеспечить нулевой ТКЕ, что применяется при создании измерительных конденсаторов.

Упрощенные эквивалентные схемы конденсаторов содержат емкость , сопротивление и индуктивность . Их используют с последовательным и последовательно-параллельным включением этих элементов (рис. 1.7, а, б). Индуктивность образована элементами конструкции конденсатора.

Рис. 1.7. Эквивалентные схемы конденсатора с последовательным (а) и последовательно-параллельным (б) включением элементов

Сопротивление характеризует потери энергии и отражает тот факт, что напряжение и ток реального конденсатора сдвинуты по фазе на угол в диапазоне частот, где индуктивностью можно пренебречь.

При использовании эквивалентной схемы (рис. 1.7,а) сопротивление конденсатора

где — круговая (угловая) частота.

Из этого уравнения видно, что на частотах, больших , где — резонансная частота, определяемая из уравнения , конденсатор становится индуктивностью. Поэтому в электронных цепях конденсаторы стремятся использовать в той полосе частот, в которой индуктивность не оказывает существенного влияния. Так, у воздушных конденсаторов максимальная частота порядка МГц, слюдяных — 150—200 МГц; бумажных — 50—80 МГц; керамических дисковых — 200—2000 МГц; керамических трубчатых — 5— 200 МГц.

Следует обратить внимание на то, что значения конденсатора и сопротивления потерь, измеренные по последовательной и параллельной схемам включения этих элементов, различаются между собой. Это вытекает из правила эквивалентного преобразования последовательного соединения сопротивлений в параллельное. Отличия между значениями тем больше, чем больше тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь характеризует электромагнитные потери в конденсаторе и определяется как отношение его активной Р к реактивной Q мощности: .

В отличие от емкости тангенс угла потерь не зависит от схемы, по которой проводились измерения: . Значения зависят от вида диэлектрика и могут меняться с частотой и с течением времени, а также зависеть от температуры и напряженности электрического поля.

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

Частичные разряды — местные разряды внутри изоляции и на поверхности, не вызывающие полного пробоя межэлектродного промежутка. Они имеют вид или коронных разрядов, или частичных пробоев отдельных элементов изоляции, которые могут самовосстанавливаться.

Мерцание емкости — скачкообразное изменение емкости, имеющее случайный характер. Оно обусловлено тем, что у ряда конденсаторов края обкладок состоят из отдельных островков. При приложении внешнего напряжения между ними и сплошной частью обкладки возникают микродуги, соединяющие их вместе и меняющие емкость. Спектр этих шумов широкий. Изменения емкости могут достигать номинального значения. Этот вид шумов характерен для стеклянных, стеклокерамических и слюдяных конденсаторов.

Пьезоэлектрические шумы возникают, как правило, в результате механических воздействий и имеют характер импульсов.

При создании точных устройств с заряжаемыми и разряжаемыми конденсаторами необходимо учитывать явление адсорбции (замедленной поляризации и деполяризации). Сущность его заключается в том, что конденсатор не удается полностью зарядить или разрядить за малый промежуток времени из-за медленных перемещений зарядов в толще диэлектрика. Так, если обкладки заряженного конденсатора замкнуть накоротко на небольшой промежуток времени, а потом разомкнуть, то через некоторый промежуток времени на обкладках появится остаточное напряжение и соответственно остаточный заряд. Отношение напряжения , появившегося через промежуток времени после размыкания, к напряжению , до которого заряжен конденсатор в течение времени , после замыкания накоротко в течение времени называется коэффициентом адсорбции, который выражают в процентах:

Коэффициент зависит от интервалов времени , (рис. 1.8,а) и обычно уменьшается при увеличении емкости С.

Его значение при мин, Змин у фторопластовых конденсаторов равно , у слюдяных — 2—5; у электролитических — у керамических — 5—15. Для большинства конденсаторов, кроме электролитических, полярность напряжения не играет роли. Электролитические конденсаторы бывают как неполярными , так и полярными. Это особый тип конденсаторов, в котором в качестве диэлектрика используется тонкий слой оксида металла. Он образуется на поверхности этого металла электролитическим путем за счет выделения кислорода у металлической поверхности, к которой при изготовлении приложен положительный потенциал. Толщина этого оксидного слоя зависит от напряжения, прикладываемого к металлу в процессе создания оксидного слоя (процессе формовки).

В связи с тем что слой оксида обладает вентильными свойствами, электрические конденсаторы полярны.

Подключение напряжения к ним должно вестись с учетом указанной на электродах полярности. В противном случае конденсатор выйдет из строя. Малая толщина диэлектрика, большая диэлектрическая проницаемость и возможность создания надежных оксидных слоев на большой площади позволяют изготовлять электрические конденсаторы большой емкости.

Для электрических конденсаторов важным параметром является ток утечки (это электрический ток при постоянном напряжении, приложенном к нему):

где К и — коэффициенты, зависящие от типа и емкости конденсатора: , — номинальные емкость, , и напряжение, В. Ток определяется через минуту после подачи на конденсатор постоянного напряжения.

Различают полные и сокращенные условные обозначения конденсатора. Полное обозначение состоит из четырех элементов, например ОЖО . Первый элемент — сокращенное обозначение (К 10-25); второй — значения основных параметров и характеристик ); — номинальная емкость; - допускаемое отклонение номинальной емкости, — группа по температурной стабильности (условное обозначение ТКЕ), НМ — с отсутствием мерцания емкости); третий — обозначение климатического исполнения (В — всеклиматическое, Т — тропическое); четвертый — обозначение документа на поставку (ОЖО ).

Сокращенное обозначение состоит из трех элементов. Первый — буквы, характеризующие подкласс коденсаторов (К — постоянной емкости; КТ — подстроечные; КП — переменной емкости; КС — конденсаторные сборки); второй — цифры, характеризующие тип диэлектрика и назначение конденсатора, т. е. его группу; третий — порядковый номер разработки, например .

Рис. 1.8. Напряжение на конденсаторе при определении коэффициента изменение емкости С в зависимости от площади перекрытия пластин (б); переменный конденсатор (в): 1 — статор; 2 — ротор

Для обозначения номинальной емкости, допустимого отклонения, группы по температурной стабильности применяют кодированное обозначение. Номинальная емкость характеризуется цифрой и буквой, указывающей на единицу измерений и представляющей собой множитель.

Так, буквы обозначают множители соответственно для значений емкости, выраженной в фарадах (старое обозначение ). За обозначением емкости следует буква, характеризующая допустимое отклонение (табл. 1.1), например (емкость с допускаемым отклонением ). Соответствующие обозначения номиналов имеют такой вид: .

В обозначении ТКЕ буквы означают его знак (М — минус, П — плюс, МП — близкое к нулю), а цифры указывают значение ТКЕ, например . Буква H указывает на то, что ТКЕ не нормируется, а цифры после нее — на возможное изменение емкости в диапазоне допустимых температур, например (изменение емкости относительно измеренной при не более ).

Для обозначения ТКЕ часто используют цветной код. Цвет покрытия корпуса указывает на знак ТКЕ, а цвет кодировочного знака — на его значение, например: синий и серый цвета корпуса — положительный ТКЕ; голубой — близкий к нулю; красный и зеленый — отрицательный ТКЕ; серый корпус с красным знаком — красный с зеленым знаком — зеленый без знака — и т. д. (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Продолжение табл. 1.2

В изменениях к ГОСТ 11076—69 предусмотрены кодированные обозначения ТКЕ латинскими буквами, например: .

Аналогично резисторам номинальные емкости конденсаторов соответствуют рядам предпочтительных значений, на которые имеются ГОСТы.