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 С ном и фактическое С ф 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 aс:
Этот коэффициент показывает изменение емкости при изменении на 1К 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 соединения конденсаторов с разными номиналами и разными ТКЕ. При параллельном соединении т 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 С(w), сопротивление R (w)и индуктивность L эк. Используются последовательное и последовательно-параллельное включение этих элементов (рис. 2.7, а, б). Индуктивность L эк образована элементами конструкции конденсатора. Сопротивление R (w)характеризует потери энергии и отражает тот факт, что напряжение и ток реального конденсатора сдвинуты по фазе на угол j < 90° в диапазоне частот, где индуктивностью L ЭК можно пренебречь. При использовании эквивалентной схемы (рис. 2.7, а) сопротивление конденсатора
где w - круговая (угловая) частота.
Рис. 2.7. Эквивалентные схемы конденсатора с последовательным (а) и последовательно-параллельным (б) включением элементов Из этого уравнения видно, что на частотах, больших f0, где fo = ω;0/(2π) (ω0 – резонансная частота, определяемая из уравнения
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 tgδ. Тангенс угла потерь характеризует электромагнитные потери в конденсаторе и определяется как отношение его активной Р к реактивной Q мощности: tgδ = P/Q. В отличие от емкости тангенс угла потерь не зависит от схемы, по которой проводились измерения: tg δ =ωCsRs =1/(ωCрRр) 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. Изменения емкости могут достигать 10-4 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, приводящее к замедленной поляризации и деполяризации. Сущность его влияния 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 Uост и соответственно остаточный заряд. Отношение напряжения Uост, появившегося через промежуток времени t3 после размыкания, к напряжению Uзар, до которого заряжен конденсатор в течение времени t1 после замыкания накоротко в течение времени t2, называется коэффициентом адсорбции, который выражают в процентах:
Коэффициент Ка зависит от интервалов времени t1, t2, tз (рис. 2.8, а) и обычно уменьшается при увеличении емкости С. Его значение при t1= 15 мин, t2 = 5 с, t3 =3 мин у фторопластовых конденсаторов равно 0,01...0,05, у слюдяных – 2...5; у электролитических – 0,5...6; у керамических – 5...15. Для большинства конденсаторов, кроме электролитических, полярность напряжения не играет роли. Электролитические конденсаторы бывают как неполярными (К50-6), 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).
б)
Рис. 2.8. Напряжение на конденсаторе при определении коэффициента К, (а); изменение емкости С в зависимости от площади перекрытия пластин S (б); переменный конденсатор (в): 1 – статор; 2 –ротор В связи с тем что слой оксида обладает вентильными свойствами, электролитические 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 электролитические конденсаторы большой емкости. Для электролитических конденсаторов важным параметром является ток утечки Iут (это электрический ток при постоянном напряжении, приложенном к нему): Iут = КСномUном+m, где К и т — коэффициенты, зависящие от типа и емкости конденсатора: К= 10-4...2·10-6; m = 0...10-2 мА; Сном, Uном - номинальные емкость, мкФ, и напряжение, В. Ток Iутопределяется через минуту после подачи на конденсатор постоянного напряжения. Различают полные и сокращенные условные обозначения конденсатора. Полное обозначение состоит из четырех элементов, например К10-25-100 пФ±10% М47-НМ-В ТУ. Первый элемент- сокращенное обозначение (К10-25); второй – значения основных параметров и характеристик (100 пФ±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 (ТУ). 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 К10-25. 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, n, μ, m, F обозначают множители 10-12, 10-9, 10-6, 10-3, 1 соответственно для значений емкости, выраженной в фарадах. За обозначением емкости следует буква, характеризующая допустимое отклонение (табл. 2.2). 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), М750 (ТКЕ = –750·10-6 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%). 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 – П60; красный с зеленым знаком – М330; зеленый без знака - Ml500 и т.д. (табл. 2.2). Предусмотрены кодированные обозначения ТКЕ латинскими буквами, например: П100-А; П60-G; ПЗЗ-N; МПО-С; МЗЗ-Н; М47-М; M75-L; М150-Р; M220-R; M330-S; М470-Т; M750-U; M1500-V; М2200-К; Н10-В; H20-Z; H30-D;H50-X; H70-E; H90-F. Аналогично резисторам номинальные емкости конденсаторов соответствуют рядам предпочтительных значений, на которые имеются ГОСТы. Таблица 2.2
|
, конденсатор становится индуктивностью. Поэтому в электронных цепях конденсаторы стремятся использовать в той полосе частот, в которой индуктивность Lэк не оказывает существенного влияния. Так, у воздушных конденсаторов максимальная частота порядка 2,5...3,6 МГц, слюдяных – 150...200; бумажных – 50...80; керамических дисковых – 200...2000; керамических трубчатых – 5...200 МГц.
