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 Сном и фактическое Сф 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),

ТКЕ = (1/С)(dC/dT)100%

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 2,0—2,5 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.

Упрощенные эквивалентные схемы конденсаторов содержат емкость С (Cо), сопротивление - R и индуктивность L. Их используют с последовательным и последовательно-параллельным включением этих элементов (рис. 4, а, б). Индуктивность L образована элементами конструкции конденсатора. Сопротивление R характеризует потери энергии и отражает тот факт, что напряжение и ток реального конденсатора сдвинуты по фазе на угол (φ<90° в диапазоне частот, где индуктивностью L можно пренебречь.

C

Рис. 4. Эквивалентные схемы конденсатора с последовательным (а) и последовательно-параллельным (б) включением элементов

В электронных цепях конденсаторы стремятся использовать в той полосе частот, в которой индуктивность L не оказывает существенного влияния. Так, у воздушных конденсаторов максимальная частота порядка 2,5— 3,6 МГц, слюдяных—150—200 МГц; бумажных—50—80 МГц; керамических дисковых—200—2000 МГц; керамических трубчатых—5— 200МГц.

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

tgδ =P/Q.

Значения tgδ 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.

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

Для большинства конденсаторов, кроме электролитических, полярность напряжения не играет роли. Электролитические конденсаторы бывают как неполярными (К 50-6), 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.

Различают полные и сокращенные условные обозначения конденсатора. Полное обозначение состоит из четырех элементов, например К10-25-100 пФ±М47-НМ-В ОЖО 460.106ТУ. Первый элемент—сокращенное обозначение (К 10-25); второй— значения основных параметров и характеристик (100пФ+10% М47-НМ); 100 пФ —номинальная емкость; ± 10% —допускаемое отклонение номинальной емкости, М47—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 460.106ТУ).

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 К 10-2 5.

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 р, п, μ, m, F обозначают множители 10^-12, 10^-9, 10^-6, 10^-3, (например, 1 pF =10^{-12 F} (фарад)). За обозначением емкости следует буква, характеризующая допустимое отклонение (табл. 1.1),

В обозначении ТКЕ буквы означают его знак (М—минус, П—плюс, МП—близкое к нулю), а цифры указывают значение ТКЕ, например П100 (ТКЕ= +100 • 10^-6 К^-1). Буква Н указывает на то, что ТКЕ не нормируется, а цифры после нее—на возможное изменение емкости в диапазоне допустимых температур, например Н20 (изменение емкости относительно измеренной при 20 °С не более ±20%).

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