Конденсаторы

Электрические конденсаторы предназначены для образования на участке электрической цепи определенной емкости.

Конденсаторы, емкость которых не зависит от значения приложенного напряжения, называются линейными. Емкость нелинейных конденсаторов, например, варикапов, зависит от значения приложенного напряжения.

Линейные конденсаторы подразделяются на конденсаторы постоянной емкости (С= const) и конденсаторы переменной емкости, в которых значение емкости при повороте подвижных пластин (ротора) изменяется в определенных пределах.

Кроме емкости, конденсаторы характеризуются еще рядом параметров:

1. Сопротивление изоляции. Ввиду несовершенства изоляции активное сопротивление конденсатора не бесконечно. Поэтому через него протекает ток, который называется током утечки. Если конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения, то сопротивление изоляции можно определить по формуле:

где U — напряжение источника; I_ут — ток утечки.

Произведение сопротивления изоляции на емкость конденсатора называется постоянной времени конденсатора:

Постоянная времени измеряется в секундах и характеризует скорость саморазряда конденсатора. За время τ напряжение на обкладках отключенного от источника конденсатора уменьшается в 2,72 раза (2,72—приближенное значение числа е).

В различных конденсаторах значение τ бывает очень разным (от 20 до 5000 с), а в некоторых типах (например, в конденсаторах с диэлектриком из полистирола или из фторопласта) достигает 10 суток.

2. Максимальное напряжение. Во избежание электрического пробоя напряжение, подводимое к конденсатору, должно быть ограничено. Напряжение, при котором в течение 1-5 с возникает пробой конденсатора, называется пробивным.

Рабочее напряжение, т.е. максимальное напряжение, под которым конденсатор может работать в течение всего срока службы, выбирается в три – десять раз меньшим, чем пробивное. Иногда в паспорте указывают также испытательное напряжение, под которым понимается напряжение, выдерживаемое конденсатором в течение установленного для него времени (от 5 до 60 с).

3. Добротность. Поскольку сопротивление диэлектрика между обкладками конденсатора не бесконечно, при работе конденсатора в цепи переменного тока на нем выделяется не только реактивная мощность Q=U²/X_c, но и активная мощность Р=U²/R_из. Резистор R_из соответствует сопротивлению изоляции. Отношение реактивной мощности Р_р к мощности потерь Р_п называется добротностью конденсатора Q; следовательно:

Если действующее значение напряжения равно U, то:

где ω— круговая частота.

Добротность современных высококачественных конденсаторов в рабочем диапазоне частот составляет 1·10³. Величина, обратная добротности, называется тангенсом угла потерь (tgδ= 1/Q).

4. Температурный коэффициент емкости (ТКЕ). Значение ТКЕ для разных типов конденсаторов существенно разное. Некоторые типы конденсаторов имеют отрицательный ТКЕ.

5. Частотный диапазон (ограничен собственной индуктивностью конденсатора).

Конденсаторы постоянной емкости (их называют также постоянными конденсаторами) классифицируются обычно по виду используемого диэлектрика.

Керамические конденсаторы выпускаются с различными видами керамического диэлектрика: высокочастотная керамика имеет малые потери (tgδ<6•10^-4 при частоте 1 МГц), низкочастотная — значительно большие потери (tgδ<2•10^-2 при частоте 1 кГц). Номинальные емкости керамических конденсаторов от 1 пФ до 2,2 мкФ, предельная рабочая частота 10 МГц. ТКЕ керамических конденсаторов лежит в пределах от 1,2•10^-6 до 2,2•10^-4 °С^-1. Рабочее напряжение до 500 В.

Керамические конденсаторы с различными ТКЕ широко применя­ются в качестве высокостабильиых, компенсационных, контурных, блокировочных, разделительных и других элементов.

Слюдяные конденсаторы обладают рядом ценных качеств, но относительно дороги. Они выпускаются в номиналах от 10 пФ до 1 мкФ и имеют очень малые потери (tgδ<0,0015 при частоте 1 МГц) и ТКЕ (в лучших образцах =0,5•10^-4 °С^-1). Предельная рабочая частота 10 МГц. Рабочее напряжение до 1500 В. Слюдяные конденсаторы при­меняются в качестве контурных элементов, а также в различной изме­рительной аппаратуре.

Стеклянные и стеклокерамические конденсаторы выпускаются в номиналах 10—15 000 пФ. Они имеют tgδ<2•10^-3, максимальное рабочее напряжение 500 В.

Бумажные конденсаторы выпускаются в номиналах от 50 пФ до 30 мкФ при рабочих напряжениях до 40 кВ, однако у них большие потери и ТКЕ. Бумажные конденсаторы используются как разделитель­ные и блокировочные, а также в электрических фильтрах.

В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используются тонкие пленки из высокомолекулярных соединений — полимеров (полистирол, фторопласт, лавсан и др.). Конденсаторы с полистироловым и фторопластовым диэлектриками выпускаются в номиналах 100 пФ—10 мкФ, они имеют малые потери на высоких частотах (tgδ<<10^-3), однако допустимая рабочая температура полистироловых конденсаторов ограничена + 40 °С.

Конденсаторы с лавсановым диэлектриком выпускаются емкостью до 100 мкФ, в остальном они подобны полистироловым конденсаторам. Рабочее напряжение некоторых типов пленочных конденсаторов достигает 15000 В.