Из чего сделан конденсатор. Электрические конденсаторы

13.09.2019

Конденсатор – устройство, способное накапливать электрический заряд. В зависимости от назначения и конструкции конденсаторы делятся на ряд видов.В статье рассмотрим основные электрические параметры конденсаторов.

Электрические параметры конденсаторов

Основные характеристики и единицы их измерения приведены в таблице

Фарада – физическая величина, названная в честь английского физика Майкла Фарадея. Она слишком велика для использования в электротехнике. На практике емкость измеряют в микрофарадах (1мкФ = 10 -6 Ф), нанофарадах (1нФ = 10 -9 Ф) или пикофарадах (1пФ=10 -12 Ф)

При нанесении величины емкости на корпус конденсатора для обозначения «нФ» дополнительно используют символы «nF», «пФ» — «рФ», а микрофараду обозначают сокращением «мкФ» или «μФ».

Емкость конденсаторов не может принимать произвольные значения. Они унифицированы и выбираются из стандартных рядов емкостей.

Допустимое отклонение емкости указывает, с какой точностью изготовлен конденсатор. Она указывает, в каком допустимом диапазоне может находиться величина емкости в процентах от номинала. Для измерительных устройств этот параметр выбирается как можно меньшим.

Номинальное напряжение – это напряжение, которое выдерживают обкладки конденсатора длительное время. При превышении этого параметра конденсатор выйдет из строя. Для переменного тока руководствуются не действующим, а амплитудным значением напряжения. Например, при выборе конденсатора для пуска электродвигателя на номинальное напряжение 380 В нужно использовать конденсатор на рабочее напряжение U>380∙√2=537, то есть, на 600 В.

Температурная стабильность характеризует диапазон, в котором изменяется емкость при изменении температуры окружающей среды. Для устройств, сохраняющих работоспособность в широком диапазоне температур, значение этого параметра выбирается более низким.

Конструктивные исполнения конденсаторов

Конденсаторы, емкость которых не может изменяться, называются конденсаторами постоянной емкости .

Но в некоторых цепях для обеспечения возможности регулировки работы схемы и установки точных параметров ее работы применяются подстроечные конденсаторы . Емкость их изменяется при помощи отвертки.

В отличие от них конденсаторы переменной емкости применяются для выполнения пользовательских регулировок, например, для настройки радиоприемника на нужную волну.

Существуют конденсаторы специального назначения. Например, конденсаторы для защиты от радиопомех и сглаживающих фильтров, располагающихся парами в одном корпусе.

Отдельно выделяются конденсаторы для поверхностного монтажа или . Они технологичны для монтажа на автоматических конвейерных линиях, а размеры позволяют минимизировать габаритные размеры устройств.

Классификация конденсаторов по виду диэлектрика

Воздух в качестве диэлектрика использовался только для конденсаторов переменной емкости старого образца. Чем меньше материал между обкладками конденсатора проводит электрический ток, тем меньших размеров может быть изготовлен этот элемент на то же рабочее напряжение. При использовании определенных материалов можно получить конденсаторы с необходимыми свойствами.

В зависимости от материала диэлектрика между обкладками выпускаются конденсаторы:

Из всего этого перечня самыми распространенными в электротехнике являются бумажные и металлобумажные конденсаторы, использующиеся для схем запуска однофазных двигателей и для компенсации реактивной мощности. Всем известны электролитические конденсаторы, используемые в выпрямителях для сглаживающих фильтров. Их главная особенность – невозможность работы на переменном токе.

При ошибках в полярности подключения электролитических конденсаторов они выходят из строя, иногда – со взрывом. То же произойдет при превышении номинального напряжения электролитического и металлобумажного конденсатора, так как они выпускаются в герметичных корпусах.

Условные обозначения конденсаторов



Подстроечный конденсатор
Электролитический конденсатор
Два конденсатора в общей обкладкой в одном корпусе

Многие интересуются, имеют ли конденсаторы типы? Конденсаторов в электронике существует множество. Такие показатели, как емкость, рабочее напряжение и допуск, являются основными. Не менее важен тип диэлектрика, из которого они состоят. В этой статье будет рассмотрено подробнее, какие типы конденсаторов бывают по виду диэлектрика.

Классификации конденсаторов

Конденсаторы являются распространенными компонентами в радиоэлектронике. Они классифицируются по множеству показателей. Важно знать, какими моделями, в зависимости от характера изменения величины, представлены разные конденсаторы. Типы конденсаторов:

Устройства с постоянной емкостью.
Приборы с переменным видом емкости.
Подстроечные модели.

Тип диэлектрика конденсатора может быть разным:

бумага;
металлическая бумага;
слюда;
тефлон;
поликарбонат;
электролит.

По способу установки данные приборы предназначены для печатного и навесного монтажа. При этом типы корпусов конденсаторов SMD-модификации бывают:

керамическими;
пластиковыми;
металлическими (алюминиевыми).

Следует знать, что приборы из керамики, пленки и неполярные виды не обладают маркировкой. Показатель их емкости колеблется от 1 пф до 10 мкф. А электролитные типы имеют форму бочонков в корпусе из алюминия и маркируются.

Танталовый же тип производится в корпусах прямоугольной формы. Такие устройства бывают разного размера и расцветки: черные, желтые и оранжевые. На них также присутствует кодовая маркировка.

Электролитические конденсаторы из алюминия

Основой электролитических конденсаторов из алюминия являются две тонкие скрученные алюминиевые полоски. Между ними расположена бумага, содержащая электролит. Показатель емкости этого прибора равен 0,1-100 000 uF. Кстати, в этом и заключается его основное преимущество перед другими видами. Максимальное напряжение равно 500 V.

К минусам относятся повышенная утечка тока и уменьшение емкости с возрастанием частоты. Поэтому в платах часто вместе с электролитическим конденсатором используется и керамический.

Также следует отметить, что данный тип отличается полярностью. Это означает, что с минусовым показателем находится под отрицательным напряжением, в отличие от противоположного вывода. Если не придерживаться этого правила, то скорее всего, приспособление выйдет из строя. Поэтому рекомендуется применять его в цепях с наличием постоянного или пульсирующего тока, но ни в коем случае не переменного.

Электролитические конденсаторы: типы и предназначение

Типы электролитических конденсаторов представлены широким рядом. Они бывают:

полимерными;
полимерными радиальными;
с низким уровнем утечки тока;
стандартной конфигурации;
с широким диапазоном температур;
миниатюрными;
неполярными;
с наличием жесткого вывода;
низкоимпедансными.

Где применяются электролитические конденсаторы? Типы конденсаторов из алюминия используются в разных радиотехнических устройствах, деталях компьютера, периферийных приборах типа принтеров, графических устройствах и сканерах. Также они применяются в строительном оборудовании, промышленных приборах для измерения, в сфере вооружения и космоса.

Конденсаторы КМ

Существуют и глиняные конденсаторы типа КМ. Они используются:

в промышленном оборудовании;
при создании приборов для измерения, отличающихся высокоточными показателями;
в радиоэлектронике;
в сфере военной индустрии.

Устройства подобного типа отличаются высоким уровнем стабильности. Основу их функциональности составляют импульсные режимы в цепях с переменным и неизменным током. Их характеризует высокий уровень сцепления обкладок из керамики и долгая служба. Это обеспечивается низким значением коэффициента емкостного непостоянства температур.

При маленьких размерах имеют высокий показатель емкости, достигающий 2,2 мкФ. Изменение ее значения в интервале рабочей температуры у данного вида составляет от 10 до 90%.

Типы группы Н, как правило, применяются как переходники или же блокирующие устройства и т. п. Современные приборы из глины изготавливаются при помощи прессовки под давлением в целостный блок тончайших металлизированных керамических пластинок.

Высокий уровень прочности этого материала дает возможность использовать тонкие заготовки. В итоге пропорциональная показателю объема, резко возрастает.

Устройства КМ отличаются высокой стоимостью. Объясняется это тем, что при их изготовлении используются драгоценные металлы и их сплавы: Ag, Pl, Pd. Палладий присутствует во всех моделях.

Конденсаторы на основе керамики

Дисковая модель обладает высоким уровнем емкости. Ее показатель колеблется от 1 pF до 220 nF, а самое высокое рабочее напряжение не должно быть выше 50 V.

К плюсам данного типа можно отнести:

малые потери тока;
небольшой размер;
низкий показатель индукции;
способность функционировать при высоких частотах;
высокий уровень температурной стабильности емкости;
возможность работы в цепях с постоянным, переменным и пульсирующим током.

Основу многослойного устройства составляют чередующиеся тонкие слои из керамики и металла.

Этот вид похож на однослойный дисковый. Но такие устройства обладают высоким показателем емкости. Максимальное рабочее напряжение на корпусе этих приборов не указывается. Так же как и на однослойной модели, напряжение не должно быть выше 50 V.

Устройства функционируют в цепях с постоянным, переменным и пульсирующим током.

Плюсом высоковольных керамических конденсаторов является их способность функционировать под высоким уровнем напряжения. Диапазон рабочего напряжения колеблется от 50 до 15000 V, а показатель емкости может составлять от 68 до 150 pF.

Могут функционировать в цепях с постоянным, переменным и пульсирующим током.

Танталовые устройства

Современные танталовые устройства являются самостоятельным подвидом электролитического вида из алюминия. Основу конденсаторов составляет пентаоксид тантала.

Конденсаторы обладают небольшим показателем напряжения и применяются в случае необходимости использования прибора с большим показателем емкости, но в корпусе малого размера. У данного типа есть свои особенности:

небольшой размер;
показатель максимального рабочего напряжения составляет до 100 V;
повышенный уровень надежности при долгом употреблении;
низкий показатель утечки тока;
широкий спектр рабочих температур;
показатель емкости может колебаться от 47 nF до 1000 uF;
устройства обладают более низким уровнем индуктивности и применяются в высокочастотных конфигурациях.

Минус этого вида заключен в высокой чувствительности к повышению рабочего напряжения.

Следует отметить, что, в отличие от электролитического вида, линией на корпусе помечается плюсовой вывод.

Разновидности корпусов

Какие разновидности имеют танталовые конденсаторы? Типы конденсаторов из тантала выделяются в зависимости от материала корпуса.

SMD-корпус. Для изготовления корпусных устройств, которые используются при поверхностном монтаже, катод соединяется с терминалом посредством эпоксидной смолы с содержанием серебряного наполнителя. Анод приваривается к электроду, а стрингер отрезается. После формирования устройства на него наносится печатная маркировка. Она содержит показатель номинальной емкости напряжения.
При формировании этого типа корпусного устройства анодный проводник должен быть приварен к самому выводу анода, а затем отрезается от стрингера. В этом случае терминал катода припаивается к основе конденсатора. Далее конденсатор заполняется эпоксидом и высушивается. Как и в первом случае, на него наносится маркировка

Конденсаторы первого типа отличаются большей степенью надежности. Но все типы танталовых конденсаторов применятся:

в машиностроении;
компьютерах и вычислительной технике;
оборудовании для телевизионного вещания;
электрических приборах бытового назначения;
разнообразных блоках питания для материнских плат, процессоров и т.д.

Поиск новых решений

На сегодняшний день танталовые конденсаторы являются самыми востребованными. Современные производители находятся в поисках новых методов повышения уровня прочности изделия, оптимизации его технических характеристик, а также существенного понижения цены и унификации производственного процесса.

С этой целью пытаются снизить стоимость на основе составляющих компонентов. Последующая роботизация всего процесса производства также способствует падению цены на изделие.

Важным вопросом считается и уменьшение корпуса устройства при сохранении высоких технических параметров. Уже проводятся эксперименты на новых типах корпусов в уменьшенном исполнении.

Конденсаторы из полиэстера

Показатель емкости этого типа устройства может колебаться от 1 nF до 15 uF. Спектром рабочего напряжения является показатель от 50 до 1500 V.

Существуют устройства с разной степенью допуска (допустимое отклонение емкости составляет 5%, 10% и 20%).

Это вид обладает стабильностью температуры, высоким уровнем емкости и низкой стоимостью, что и объясняет их широкое применение.

Конденсаторы с переменной емкостью

Типы переменных конденсаторов обладают определенным принципом работы, который заключается в накоплении заряда на пластинах-электродах, изолированных посредством диэлектрика. Пластины эти отличаются подвижностью. Они могут перемещаться.

Подвижная пластина называется ротором, а неподвижная — статором. При изменении их положения изменятся и площадь пересечения, и, как следствие, показатель емкости конденсатора.

Конденсаторы бывают с двумя типами диэлектриков: воздушным и твердым.

В первом случае в роли диэлектрика выступает обыкновенный воздух. Во втором случае применяют керамику, слюду и др. материалы. Для увеличения показателя емкости устройства статорные и роторные пластины собираются в блоки, закрепленные на единой оси.

Конденсаторы с воздушным типом диэлектрика применяются в системах с постоянной регулировкой емкости (например, в узлах настройки радиоприемников). Такой тип устройства обладает более высоким уровнем стойкости, чем керамический.

Построечный вид

Самым распространенным видом являются построечные конденсаторы. Они относятся к переменному типу, но обладают меньшей износостойкостью, так как регулируются реже.

Типы конденсаторов этой категории в основе содержат металлизированную керамику. Металл функционирует в качестве электрода, а керамика выступает в роли изолятора.

К атегория:

Производство радиоаппаратуры

Конденсаторы постоянной емкости

Конденсаторы постоянной емкости применяют в различных схемах для разделения переменной и постоянной составляющих тока и сглаживания пульсации напряжений выпрямителя. В сочетании с другими элементами схем конденсаторы образуют резонансные контуры, широко используемые в радиоаппаратуре.

Конденсаторы постоянной емкости классифицируют по величине номинальной емкости, классу точности, номинальному рабочему напряжению, назначению, материалу диэлектрика и по конструктивным признакам.

Номинальные величины емкостей конденсаторов установлены ГОСТ 2519 - 60.

При изготовлении конденсаторов действительное значение емкости отличается от номинального, обозначенного в маркировке. Допустимое отклонение емкости от номинального называется допуском. По этому принципу все конденсаторы разделяют на пять классов: 0, 1, II, III , IV, допуски их соответственно составляют ±2%; ±5%; ±10%; ±20% и от - 20 до + 50%.

В зависимости от назначения различают контурные, разделительные, блокировочные и фильтровые конденсаторы.

По материалу диэлектрика конденсаторы делят на слюдяные, керамические, бумажные, металлобумажные, бумаго-масляные, пленочные, стеклоэмалевые, стеклокерамические, электролитические, воздушные, вакуумные, газонаполненные.

По конструктивному признаку конденсаторы подразделяют на трубчатые, дисковые, бочоночные, горшковые, опрессованные и герметизированные, плоские и цилиндрические и т. д.

Независимо от вида конденсатор характеризуется рабочим напряжением. Рабочим напряжением называется напряжение, под которым обкладки конденсатора могут длительно находиться без пробоя разделяющего их диэлектрика. Рабочее напряжение выражают в вольтах.

Большое значение для нормальной работы конденсатора имеет сопротивление его изоляции. При малом сопротивлении изоляции возникают утечки, нарушающие нормальную работу схемы. Потери в конденсаторе характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь, выражающим отношение мощности активных потерь к реактивной мощности конденсатора.

В маломощных конденсаторах потери энергии в основном вызываются проводимостью диэлектрика и диэлектрическим гистерезисом, т. е. потерями на поворот полярных молекул в направлении поля при приложении напряжения к обкладкам. Потери в обкладках и выводах малы, поэтому ими обычно пренебрегают.

Одной из важнейших характеристик конденсатора является стабильность - неизменность величины емкости конденсатора во время работы. Изменение емкости может быть как временным, так и необратимым. Основным фактором, влияющим на стабильность емкости конденсатора, является воздействие температуры окружающей среды и нагрев конденсатора за счет рассеиваемой на нем мощности. При повышении температуры увеличиваются геометрические размеры материала, что и влечет за собой временное (до возвращения температуры к первоначальному значению) изменение емкости.

Однако повышение температуры может привести и к необратимым изменениям емкости. Например, в конденсаторе может произойти перегруппировка воздушных зазоров между обкладками и диэлектриком. Необратимое изменение емкости происходит также вследствие старения диэлектрика, которое заключается в изменении его диэлектрической проницаемости.

Меры борьбы против изменения емкости конденсаторов - пропитка их специальными составами (касторовое масло, церезин, вазелин и т. д.) и серебрение пластинок слюды вместо применения металлической фольги. В особо ответственных случаях конденсаторы герметизируют.

При маркировке конденсаторов указывают тип, номинальное рабочее напряжение, номинальную емкость (в пикофарадах или микрофарадах), класс точности (допустимое отклонение от номинальной емкости в процентах).

Слюдяные и стеклоэмалевые конденсаторы имеют дополнительные указания на принадлежность к группе ТКЕ (температурный коэффициент емкости) в виде букв А, Б, В, Г для слюдяных и Р, О, М, П для стеклоэмалевых. Температурный коэффициент емкости керамических конденсаторов обозначают цветным кодом: корпуса конденсаторов окрашивают в цвета группы ТКЕ .

Рис. 1. Слюдяные конденсаторы: а -КСО; б – КСГ

Конденсаторы КСО могут работать в температурном интервале от 60 до 4 70° С, при относительной влажности воздуха до 80% (кратковременно - до 98%) и при атмосферном давлении не ниже 5 мм рт. cm (для конденсаторов на рабочее напряжение до 500 в). При монтаже конденсаторов КСО в контурах различных видов аппаратуры следует помнить, что они имеют разный ТКЕ .

Кроме того, выпускаются температуростойкие опрессованные слюдяные конденсаторы КСОТ , а также конденсаторы повышенной надежности К31У-ЗЕ.

Помимо опрессованных конденсаторов, выпускаются слюдяные герметизированные конденсаторы в металлических и керамических корпусах.

Конденсаторы КСГ (конденсаторы слюдяные герметизированные) в металлических корпусах (рис. 39, б) бывают двух видов: КСГ -1 и КСГ -2. Конденсаторы КСГ -1 используются на номинальные емкости 470 - 20000 пф, а КСГ -2 - от 0,02 до 0,1 мкф при рабочем напряжении 500 и 1000 в. Эти конденсаторы выпускаются 0, I, II и III классов точности.

Конденсаторы СГМ (слюдяные герметизированные малогабаритные) во влагонепроницаемых керамических корпусах, опаянных по торцам, имеют серебряные, нанесенные на слюду обкладки. Их выпускают по габаритным размерам четырех видов: СГМ -1, СГМ -2, СГМ -3 и СГМ -4. Вес конденсаторов СГМ от 3 до 10 г, номинальные значения емкости от 100 до 10 ООО пф с допусками по 0 I, II и III классам точности. Они рассчитаны на рабочее напряжение от 250 до 1500 в. Во влажной атмосфере эти конденсаторы работают более устойчиво, чем конденсаторы КСО .

Для изготовления слюдяных конденсаторов применяют слюду высшего сорта - мусковит. Обкладки конденсаторов изготовляют из тонкой металлической фольги (алюминиевой, свинцово-оловянной или медной) толщиной 7 - 100 мкм.

В качестве обкладок высокостабильных конденсаторов применяют серебро, которое вжигают или наносят методом распыления.

Керамические конденсаторы. Керамические конденсаторы разделяют по конструкции на трубчатые и дисковые. Более распространенными являются трубчатые конденсаторы КТК и КТ (конденсаторы трубчатые керамические). Конденсатор КТК (рис. 40, а) представляет собой тонкостенную керамическую трубочку, на внешнюю и внутреннюю поверхности которой нанесены обкладки из тонких слоев серебра. Выводы от обкладок выполнены из медной посеребренной проволоки.

Конденсаторы КТМ (конденсаторы трубчатые малогабаритные) имеют аналогичную с конденсаторами КТК конструкцию, но размеры их меньше.

Очень удобны при монтаже так называемые опорные керамические конденсаторы КО. В них внешняя обкладка соединена с болтом, который служит одновременно для укрепления конденсатора на металлическом шасси (панели) и для надежного заземления этой обкладки. Внутренняя обкладка имеет вывод в виде лепестка.

В радиоаппаратуре, предназначенной для работы при повышенной влажности, рекомендуется применять трубчатые конденсаторы КГК (конденсаторы герметизированные керамические), имеющие влагонепроницаемую керамическую оболочку.

Основой конденсаторов КДК и КД (конденсаторы дисковые керамические) сужит керамическая пластина, выполненная в виде диска. Обкладками его являются тонкие слои серебра, нанесенные на каждую из поверхностей этой пластины. Конденсаторы КДК (рис. 2, в) в зависимости от диаметра диска разделяют на три типа:

Рис. 2. Керамические конденсаторы: а -КТК; б-КГК : в-КДК

Конденсаторы КДМ (конденсаторы дисковые малогабаритные), предназначенные для малогабаритной аппаратуры, собранной на полупроводниковых приборах, имеют диаметр 4 мм. Выводы КДК и КДМ - проволочки, припаянные к обкладкам.

Конденсаторы КДУ (конденсаторы дисковые для ультракоротковолновых цепей) имеют такой же диаметр, что и КДК , но выводы их сделаны в виде коротких широких лепестков.

В конденсаторах КДО (конденсаторы дисковые опорные) одна из обкладок припаяна к головке болта, который служит для крепления конденсатора на шасси и надежного соединения этой обкладки с шасси. Вторая обкладка имеет вывод в виде лепестка.

Рис. 3. Секция бумажного конденсатора: 1 - конденсаторная бумага: 2 - фольга

В качестве диэлектрика в керамических конденсаторах применяют специальную конденсаторную керамику, характеризующуюся относительно высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями. Конденсаторы КТК выпускают емкостью от 2 до 100 пф, а конденсаторы КДК -от 1 до 75 пф по 0, I, II и III классам точности. Конденсаторы КДМ изготовляют на номинальные емкости от 1 до 220 пф по I, II и III классам точности, а конденсаторы КТМ емкостью от 1 до 10 000 пф также по I, II и III классам точности.

В последнее время широкое применение в радиоаппаратуре на полупроводниковых приборах нашли керамические конденсаторы с большими значениями емкости (порядка 0,01 мкф) при малых габаритах КЛС (керамический литой секционированный), КП (керамический пластинчатый) и КПС (керамический пластинчатый сегнетоэлектрический).

Бумажные конденсаторы. В бумажных конденсаторах в качестве диэлектрика используют конденсаторную бумагу толщиной от 4 до 10 мкм, а в качестве обкладок - алюминиевую или свин-цово-оловянную фольгу толщиной 7-7,5 мкм.

Секция бумажного конденсатора состоит из лент металлической фольги 2, между которыми проложена конденсаторная бумага /; число слоев бумаги должно быть не менее двух. При одном слое бумаги сильно возрастет вероятность быстрого пробоя конденсатора, так как бумага содержит определенное количество электропроводящих включений.

В производстве радиоаппаратуры применяют главным образом конденсаторы КБГ (конденсаторы бумажные герметизированные). Этот тип конденсаторов имеет ряд разновидностей:
— КБГ -И - в цилиндрическом корпусе из керамики или стекла;
— КБГ -М1 и КБГ -М2 - в металлическом корпусе с одним или мя изолированными от корпуса выводами (рис. 42, б); КБГ -МП - в металлическом прямоугольном корпусе, плоский;
— КБГ -МН-в металлическом прямоугольном корпусе, нормальный.

Номинальные величины емкостей конденсаторов КБГ -И, КБГ -МН, КБГ -МП от 470 пф ДО 10 мкф при рабочих напряжениях 200, 400, 600, 1000 и 1500 в, а конденсаторов КБГ -М1 и КБГ -М2 от 0,1 до 0,25 мкф при рабочих напряжениях 200, 400 или 600 в.

Для малогабаритной аппаратуры на полупроводниковых приборах выпускаются специальные конденсаторы БМ, БГМ (бумажные герметизированные малогабаритные - рис. 42, д) и БГМТ (бумажные герметизированные малогабаритные термостойкие).

Номинальные емкости конденсаторов БМ: от 510 до 2200 пф при рабочем напряжении 300 в; от 3300 пф до 0,03 мкф при рабочем напряжении 200 в; 0,04 и 0,05 мкф при рабочем напряжении 150 в. Эти конденсаторы изготовляются по II и III классам точности.

Конденсаторы БГМ (БГМ -1 и БГМ -2) выпускаются с рабочим напрямышленностью, следует отметить малогабаритные опреесованные конденсаторы К40П-1, герметизированные К40П-2, негерметизи-рованные К40П-3, а также термостойкие К40У-9 (до + 125 °С).

Рис. 4. Бумажные конденсаторы: а - КБГ -И; б - КБГ -М; в -КБГ-МП; г - КБГ -МН; 3 -БГМ; е - БМ

Технология изготовления бумажных конденсаторов включает намотку секций, прессование, сушку, пропитку и сборку.

Металлобумажные конденсаторы. Металлобумажные конденсаторы получили широкое распространение, так как они имеют относительно малые габариты (малый объем и вес на единицу емкости) и в то же время обладают хорошими изоляционными свойствами. Обкладки металлобумажного конденсатора выполнены в виде слоя металла толщиной до сотых долей микрона. Металл наносят на бумажную ленту методом испарения под вакуумом.

Металлобумажные конденсаторы выпускают в металлических герметизированных корпусах прямоугольной или цилиндрической формы. Они имеют маркировку МБГП (металлобумажные герметизированные в корпусе прямоугольной формы), МБГЦ (металлобумажные герметизированные в корпусе цилиндрической формы), МБ ГО (металлобумажные герметизированные, один слой диэлектрика), МБГЧ (металлобумажные герметизированные частотные), МБ Г (металлобумажные герметизированные термостойкие).

В зависимости от назначения эти конденсаторы изготовляют емкостью от 0,025 до 30 мкф на рабочие напряжения от 160 до 1500 в. .Конденсаторы МБМ (металлобумажные малогабаритные) на рабочее напряжение 160 в предназначены для работы в аппаратуре на полупроводниковых приборах. Некоторые типы металло-бумажных конденсаторов показаны на рис. 5.

В качестве металлического покрытия металлобумажных конденсаторов обычно применяют цинк, алюминий и никель. Так как нанесенный на бумагу слой металла очень тонок и склонен к окислению, срок пребывания металлизированной бумаги на открытом воздухе ограничен. Покрытия из алюминия и никеля по сравнению с цинковым менее подвержены коррозии.

Металлобумажные конденсаторы самовосстанавливаются после электрического пробоя. Самовосстановление происходит вследствие того, что запасенный в конденсаторе или поступающий к нему извне электрической энергии оказывается достаточно для испарения слоя металла в месте пробоя и обособления тем самым поврежденного участка от остального металлического покрытия. Наилучшими свойствами самовосстановления обладают конденсаторы с цинковым покрытием.

Эффект самовосстановления позволяет изготовлять металлобумажные конденсаторы с одним слоем диэлектрика в отличие от конденсаторов с обкладками из фольги.

Металлобумажные конденсаторы, как и обычные бумажные, подвергают пропитке, которой предшествует тщательная вакуумная сушка.

Пленочные конденсаторы. В качестве диэлектрика в конденсаторах этой группы применяют органические высокомолекулярные пленки. Некоторые типы пленочных конденсаторов показаны на 6. При их производстве наибольшее применение получили пленки из полистирола и фторопласта. Полистирол относится к чис-неполярных диэлектриков и поэтому широко применяется для производства конденсаторов, работающих как в низкочастотных, так и в высокочастотных цепях.

Рис. 5. Металлобумажные конденсаторы: а - МБГП ; б - МБГЦ ; в -МБГО; г -МБГТ

Полистирольные конденсаторы характеризуются малым тангенсом угла диэлектрических потерь в широком интервале частот, относительно малым температурным коэффициентом емкости (-150-Ю-6 на ГС) и высоким сопротивлением изоляции. Существенным недостатком полистирольных конденсаторов. является их низкая термостойкость (предельная рабочая температура 60-70° С).

Высокой термостойкостью обладают конденсаторы, где диэлектриком служит фторопласт-4. Эти конденсаторы могут длительно работать при температурах до 200 и даже 250° С при кратковременной нагрузке. Фторопласт-4 неполярен. К числу полярных органических диэлектриков относится фторопласт-3. Конденсаторы, в которых диэлектриком служит фторопласт-3, применяют только в Цепях низкой частоты или постоянного тока ввиду повышенного значения тангенса угла диэлектрических потерь.

Секции пленочных полистирольных конденсаторов изготовляют на обычных намоточных станках, применяемых при производстве бумажных конденсаторов. В качестве обкладок в пленочных поли-стирольных конденсаторах используют алюминиевую фольгу. Толщина пленки 15-20 мкм\ толщина фольги 7,5 мкм.

Для уменьшения габаритов конденсаторов используют металлизированную полистирольную пленку, при этом надежность конденсатора сохраняется, а габаритные размеры уменьшаются в 5-6 раз по сравнению с конденсаторами, имеющими алюминиевые фольговые обкладки.

Рис. 6. Пленочные конденсаторы: О-ПГТ ; б-ПМ; e-ПСО ; г-ФГТИ

В качестве основного металла для обкладок применяют цинк, который осаждают на тонкий слой олова. Эти конденсаторы называют металлопленочными. Металлопленочные конденсаторы заключены в прямоугольные металлические корпуса с керамическими изоляторами или в трубчатые алюминиевые корпуса, залитые с торцов эпоксидной смолой.

Для изготовления конденсаторов из фторопласта-4 применяют пленку толщиной от 5 до 40 мкм. Обкладками в них служит алюминиевая фольга толщиной 7,5 мкм. Фторопластовые конденсаторы делят на две группы: низковольтные, цилиндрический корпус которых выполнен из алюминия и имеет с торцовых сторон крышки из фторопласта-4, закрепленные завальцовкой краев корпуса, и высоковольтные - в керамических цилиндрических корпусах, с двух сторон корпуса которых приварены колпачки из инвара, что обеспечивает вакуумплочную герметизацию. Корпус высоковольтного

сонденсатора наполнен под давлением азотом, чтобы предотвратить возможный электрический пробой между закраинами обкладок и ионизацию газа.

Промышленностью выпускаются пленочные полистирольные конденсаторы ПО (открытый) и ПМ (малогабаритный) и фторопласто-вые для радиоаппаратуры низких напряжений (не более 1 кв) конденсаторы ФТ (термостойки до +200 °С). Из новых типов пленочных конденсаторов можно отметить конденсаторы К72П-6 (термостойкий, до+200 °С), К73П-2 (металлопленочный) и К76П-1 (лакопленоч-ный).

Электролитические конденсаторы. Электролитические конденсаторы разделяют на высоковольтные с рабочим напряжением 250- 450 в (емкость несколько сотен микрофарад), применяемые главным образом в сглаживающих фильтрах выпрямителей и развязывающих фильтрах, в анодных цепях экранных сеток, и низковольтные с рабочим напряжением 6-60 в (емкость до нескольких тысяч микрофарад), применяемые в полупроводниковой технике.

К. первой группе можно отнести конденсаторы КЭ (конденсаторы электролитические), изготовляемые на номинальные емкости от 5 до 2000 мкф и рабочее напряжение от 8 до 500 в. По конструкции они бывают трех видов: КЭ-1, КЭ-2 и КЭ-3.

К этой группе относят также конденсаторы ЭГЦ (конденсаторы электролитические герметизированные цилиндрические) емкостью от 5 до 50 мкф на рабочие напряжения от 6 до 500 в.

Ко второй группе можно отнести конденсаторы ЭМ (электролитические малогабаритные) и ЭМИ (электролитические миниатюрные). Они предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока транзисторных малогабаритных узлов. Номинальное напряжение постоянного тока 3 в конденсаторов ЭМИ и от 4 до 150 в конденсаторов ЭМ, номинальная емкость 0,5; 1,25 и 10 мкф для ЭМИ и от 0,5 до 50 мкф для ЭМ. Допустимые отклонения действительной величины емкости от номинальной: от +80 до -20% для конденсаторов емкостью 0,5 мкф-, от + 200 до -10% для конденсаторов емкостью 1,25 и 10 мкф. Интервал рабочих температур от -20 до +50° С при относительной влажности воздуха не более 98% и атмосферном давлении 720-780 мм рт. ст.

Среди новых видов малогабаритных алюминиевых электролитических конденсаторов промышленностью выпускаются конденсаторы К50-3 на рабочие напряжения от 6 до 450 в, К50-ЗИ (импульсные), К50-6 (неполярные) и др.

На рис. 7 показаны типы некоторых электролитических конденсаторов, диэлектриком в которых служит оксидная пленка, обра зованная на алюминиевой фольге, выполняющей роль первой об кладки (анод) конденсатора, вторая обкладка - электролит, соприкасающийся с оксидной пленкой. Вторая лента из фольги (катодная) служит токоотводом к элек тролиту.

Оксидная пленка имеет тол щину 0,01-1,5 мкм и обладает униполярной (односторонней проводимостью, поэтому электролитические конденсаторы могут работать только в цепях постоянного или пульсирующего тока.

По конструкции и методу изготовления электролитические конденсаторы бывают жидкост ные (мокрые), оксидированный алюминиевый анод которых на ходится в жидком или полу жидком электролите, и сухие, получаемые намоткой лент алюминиевой фольги (оксидированной анодной и неоксидирован-ной катодной) и разделенные волокнистой прокладкой, пропитанной пастообразным или полужидким электролитом.

Наиболее широкое применение получили сухие электролитические конденсаторы. Для анодов этих конденсаторов применяют материал с содержанием от 99,8 до 99,99% алюминия и минимальным количеством железа.

Алюминиевая анодная фольга, применяемая в электролитических конденсаторах, имеет толщину 50-150 мкм.

Менее жесткие требования предъявляют к алюминию, используемому для изготовления катодов; в нем допускается до 0,4% примесей. Толщина катодной фольги 7,5-16 мкм.

В сухих электролитических конденсаторах для прокладки между алюминиевыми лентами применяют специальные сорта бумаги и хлопчатобумажной ткани, пропитанные электролитами.

В последнее время промышленность широко выпускает электролитические конденсаторы с диэлектриком из оксидной танталовой пленки, которая по сравнению с алюминиевой имеет более высоко-, значение диэлектрической проницаемости.

Рис. 7. Электролитические конденсаторы: а - КЭ 3; б -КЭ-1-ОМ; в -КЭ-2М; г - КЭГ -2; д - КЭГ -1М

Танталовые конденсаторы значительно меньше по габаритам, более надежны и имеют лучшие электрические характеристики, чем конденсаторы на основе алюминиевой оксидной пленки. Емкость п тангенс угла диэлектрических потерь сухого танталового конденсатора незначительно изменяются с изменением температуры вплоть до -60° С.

Жидкостные танталовые конденсаторы имеют цилиндрический анод, изготовленный из прессованного порошка тантала, термически обработанного в вакууме. Термическая обработка необходима для спекания зерен танталового порошка. Получаемая при этом пористая структура анода характеризуется большой активной поверхностью, способствующей увеличению емкости конденсатора. Этот способ увеличивает действующую поверхность анода в 40-50 раз по сравнению с герметической поверхностью цилиндра.

Диэлектриком в конденсаторе является тонкая пленка окиси тантала на поверхности зерен, а роль второй обкладки выполняет кислотный электролит.

На рис. 8 показано устройство жидкостного электролитического танталового конденсатора ЭТО .

Конденсатор ЭТО (электролитический танталовый с объемнопори-стым анодом) имеет несколько разновидностей: ЭТО -1, ЭТО -2 и ЭТО -3,4. Модификацией этого типа являются конденсаторы К52-2 и К52-3.

Из сухих танталовых конденсаторов выпускаются конденсаторы ЭТ (электролитический танталовый) и ЭТН (неполярный).

Дальнейшим конструктивным развитием конденсаторов этой группы являются танталовые конденсаторы с твердым электролитом. Анод такого конденсатора изготовлен в виде цилиндра из пористого спеченного тантала. Слой диэлектрика (окись тантала) на поверхности спрессованных частиц получают электролитическим путем. Роль второй обкладки в этом конденсаторе выполняет слой Двуокиси марганца, наносимый методом пиролиза (разложения) азотнокислого марганца.

Рис. 8. Устройство жидкостного электролитического танталового конденсатора ЭТО с объемно-пористым анодом: I - вывод; 2 - текстолитовое кольцо; 3 - тапталовая крышка; 4 - резиновое кольцо: 5 - электролит; 6 - анод; 7 -вкладыш из химически стойкого металла; 8 - стальной корпус; 9 - вывод катода; 10 - тан таловый стержень; 11 -фторопластовое кольцо

Температурная характеристика емкости конденсатора с твердьщ электролитом выгодно отличается от характеристики жидкостных электролитических танталовых конденсаторов, особенно при отрицательных температурах, когда жидкие электролиты густеют или затвердевают. Потери в конденсаторе с твердым электролитом мало зависят от температуры и сохраняются на одном уровне до весьма низких температур. Кроме того, при работе на высокой частоте характеристики конденсаторов оказываются также более благоприятными, чем у танталовых конденсаторов жидкостного типа. Длительное хранение конденсаторов с пористым танталовым анодом и твердым электролитом показало, что электрические характеристики их практически не меняются во времени.

Стеклоэмалевые конденсаторы (рис. 9). В конденсаторах этой группы диэлектриком являются тонкие слои стеклоэма-ли, а обкладками - серебряные пленки, наносимые на стекло-эмалевые слои методом вжигания. Примерный состав эмали: 15- 25% Si02; 3-11% Na20 + К20; 15-25% РЬО , остальное – окиси других двухвалентных металлов.

Стеклоэмалевые конденсаторы КС-1 и КС-2 имеют интервал рабочих температур от -60 до +100° С; сопротивление изоляции не менее 20 ООО Мом; тангенс угла потерь при температуре +20±5° С не более 15-1Q-4, а при + 100±5°С не более 20- Ю-4, температурный коэффициент емкости в интервале температур от +20 до 100° С равен +(65±35)-10-6; допускаемые отклонения ±2, ±5, ±10, ±20%.

Стеклоэмалевые конденсаторы применяют в радиоаппаратуре наравне со слюдяными и керамическими.

Особенности крепления к корпусу выводов конденсаторов КС создают некоторые неудобства при формовке выводов, что часто вызывает брак (отслоение пайки). Поэтому с конденсаторами КС необходимо осторожно обращаться на всех операциях, включая и регулировку.

Стеклоэмалевые конденсаторы постоянной емкости КС-1 предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока, а также в импульсных цепях. Интервал рабочих температур от -60 до +100 °С; относительная влажность до’98%, номинальное напряжение постоянного тока 300 в. Температурная стабильность емкости не более 0,1%. Допустимые отклонения действительных величин емкостей от номинальных: ±2% и ±5%.

Рис. 9. Стеклоэмалевый конденсатор

Подстроенные конденсаторы. Подстроечные конденсаторы (триммеры) применяют для подстройки высокочастотных колебательных контуров в процессе регулировки. Их изготовляют с воздушным или керамическим диэлектриком и для повышения стабильности емкости применяют керамические основания.

Рис. 10. Подстроечные конденсаторы: а - с воздушным диэлектриком; б - с керамическим диэлектриком; 1 - статор; 2 -ротор; 3 - выводы; 4 - отверстия для крепления

Керамические подстроечные конденсаторы КПК рассчитаны на рабочее напряжение 250 в и служат в основном для подстройки контуров высокой частоты в приемниках.

Конденсаторы КПК -1 имеют минимальные величины емкости 2, 4, 6 и 8 пф и максимальные соответственно 7, 15, 25 и 30 пф.

Конденсаторы КПК -2 и КПК -3 имеют минимальные емкости 6, 10 и 25 пф и максимальные 60, 100 и 150 пф.

Для малогабаритной аппаратуры выпускаются подстроечные конденсаторы КПК -МН (малогабаритные для навесного монтажа) и КПК -МП (малогабаритные для печатного монтажа).

Конденсатор

Основа конструкции конденсатора - две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Слева - конденсаторы для поверхностного монтажа; справа - конденсаторы для объёмного монтажа; сверху - керамические; снизу - электролитические.

Различные конденсаторы для объёмного монтажа

Свойства конденсатора

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

где - мнимая единица , - частота протекающего синусоидального тока, - ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: . Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

На электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 10 6 пФ) и пикофарадах, но нередко и в нанофарадах. При ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т.е. постфикс «пФ» опускают. При обозначении номинала ёмкости в других единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для , а также для высоковольтных конденсаторов на схемах, после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее напряжение в вольтах (В) или киловольтах (кВ). Например так: «10 мк x 10 В». Для указывают диапазон изменения ёмкости, например так: «10 – 180». В настоящее время изготавливаются конденсаторы с номинальными ёмкостями из десятичнологарифмических рядов значений Е3, Е6, Е12, Е24 , т.е. на одну декаду приходится 3, 6, 12, 24 значения, так, чтобы значения с соответствующим допуском (разбросом) перекрывали всю декаду.

Характеристики конденсаторов

Основные параметры

Ёмкость

Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость . В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов. Реальная ёмкость конденсатора определяет его электрические свойства. Так, по определению ёмкости, заряд на обкладке пропорционален напряжению между обкладками (q = C U ). Типичные значения ёмкости конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад . Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии друг от друга, в системе СИ выражается формулой: , где - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (эта формула справедлива, лишь когда много меньше линейных размеров пластин).

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

Если у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты меньшей площади.

При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов одинаковы. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна

или

Эта ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь часть разницы потенциалов источника напряжения.

Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно, одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная ёмкость

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью - отношением ёмкости к объёму (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом уменьшается его напряжение пробоя.

Номинальное напряжение

Другой, не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное напряжение - значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры допустимое напряжение снижается.

Полярность

Конденсаторы, разрушившиеся без взрыва из-за температуры и напряжения, не соответствующих рабочим.

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют только при корректной полярности напряжения из-за химических особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с вероятностью взрыва корпуса.

Взрывы электролитических конденсаторов - довольно распространённое явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора, вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для импульсных устройств). Для уменьшения повреждений других деталей и травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно заметить её в форме буквы X, K или Т на торце). При повышении внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа, и давление спадает без взрыва и осколков.

Реальные конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными сопротивлением и индуктивностью . С высокой степенью точности, эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим образом:

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора - r

Сопротивление изоляции - это сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением r = U / I ут , где U - напряжение, приложенное к конденсатору, I ут - ток утечки.

Эквивалентное последовательное сопротивление - R

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR ) обусловлено главным образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока, протекающего через конденсатор.

В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда (напр., в случае использования электролитических конденсаторов в фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor plague(англ.) ).

Эквивалентная последовательная индуктивность - L

Эквивалентная последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.

Тангенс угла потерь

Тангенс угла потерь - отношение мнимой и вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)

ТКЕ - относительное изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой:

где ΔT - увеличение температуры в °C или °К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость емкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами емкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение емкости в рабочем диапазоне температур.

Диэлектрическое поглощение

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое поглощение или адсорбция электрического заряда . Конденсатор ведёт себя так, словно параллельно ему подключено множество последовательных RC -цепочек с различной постоянной времени . Интенсивность проявления этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора. Подобный эффект можно наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он является следствием

Свойства конденсатора

Конденсатор не пропускает постоянный ток и является для него изолятором.

Для переменного тока конденсатор не является преградой. Сопротивление конденсатора (ёмкостное сопротивление) переменному току уменьшается с увеличением его ёмкости и частоты тока, и наоборот, увеличивается с уменьшением его ёмкости и частоты тока.

Свойство конденсатора оказывать разное сопротивление переменному току нашло широкое применение. Конденсаторы используют для фильтрации, отделения одних частот от других, отделения переменной составляющей от постоянной…

Из чего делают конденсаторы

Простейший конденсатор состоит из 2-х металлических пластин (обкладок), разделённых изолятором (диэлектриком). Если одну обкладку конденсатора зарядить положительно, а другую отрицательно, то разноимённые заряды, притягиваясь друг к другу, будут удерживаться на обкладках. Поэтому конденсатор может быть накопителем электрической энергии.

Обкладки конденсатора обычно изготавливают из алюминия, меди, серебра, тантала. В качестве диэлектрика применяют специальную конденсаторную бумагу, слюду, синтетические плёнки, воздух, специальную керамику и т.п.

Если использовать обкладки из фольги и многослойный пленочный диэлектрик, то можно изготовить конденсаторы рулонного типа, у которых удельная аккумулирующая способность находится приблизительно в пределах от 0,1 J/kg до 1 J/kg или от 0,03 mWh/kg до 0,3 mWh/kg. Из-за малой удельной аккумулирующей способности конденсаторы такого вида не подходят для длительного сохранения существенного количества энергии, но они широко применяются как источники реактивной мощности в цепях переменного тока и как емкостные сопротивления. Значительно более эффективно энергия может аккумулироваться в электролитических конденсаторах, принцип устройства которых изображен на рис. 2.

1 металлический лист или фольга (алюминий, тантал или др.),
2 диэлектрик из окиси металла (Al2O3 , Ta2O5 или др.),
3 бумага и т. п., пропитанная электролитом (H3BO3 , H2SO4 , MnO2 или др.) и глицерином.Так как толщина слоя диэлектрика в этом случае обычно остается в пределах 0,1 µm, то эти конденсаторы могут изготовляться с очень большой емкостью (до 1 F), но на относительно малое напряжение (обычно на несколько вольт).

Еще большую емкость могут иметь ультраконденсаторы (супер-конденсаторы, ионисторы), обкладками которых служит двойной электрический слой толщиной в несколько десятых долей нанометра на границе раздела электрода, изготовленного из микропористого графита, и электролита (рис. 3).

1 электроды из микропористого графита,
2 электролит

Эффективная площадь обкладок таких конденсаторов достигает, благодаря пористости, до 10 000 m2 на каждый грамм массы электродов, что позволяет достигать очень большой емкости при очень малых размерах конденсатора. В настоящее время ультраконденсаторы выпускаются на напряжение до 2,7 V и емкостью до 3 kF. Их удельная аккумулирующая способность находится обычно в пределах от 0,5 Wh/kg до 50 Wh/kg и имеются опытные образцы с удельной аккумулирующей способностью до 300 Wh/kg.
Выгодны они тогда, когда энергия потребляется в виде коротких импульсов (например, для питания стартера двигателей внутреннего сгорания) или когда требуется быстрая (секундная) зарядка аккумулирующего устройства. Например, в 2005 году в Шанхае началась опытная эксплуатация ультраконденсаторных автобусов, батарея конденсаторов которых заряжается во время стоянки автобуса на каждой остановке.

При выборе конденсатора для конкретного устройства нужно учитывать следующие обстоятельства:

а) требуемое значение емкости конденсатора (мкФ, нФ, пФ),

б) рабочее напряжение конденсатора (то максимальное значение напряжения, при котором конденсатор может работать длительно без изменения своих параметров),

в) требуемую точность (возможный разброс значений емкости конденсатора),

г) температурный коэффициент емкости (зависимость емкости конденсатора от температуры окружающей среды),

д) стабильность конденсатора,

е) ток утечки диэлектрика конденсатора при номинальном напряжении и данной температуре. (Может быть указано сопротивление диэлектрика конденсатора.)

Применение

Во всех радиотехнических и электронных устройствах кроме транзисторов и микросхем применяются конденсаторы. В одних схемах их больше, в других меньше, но совсем без конденсаторов не бывает практически ни одной электронной схемы.

При этом конденсаторы могут выполнять в устройствах самые разные задачи. Прежде всего, это емкости в фильтрах выпрямителей и стабилизаторов. С помощью конденсаторов передается сигнал между усилительными каскадами, строятся фильтры низких и высоких частот, задаются временные интервалы в выдержках времени и подбирается частота колебаний в различных генераторах.

Свою родословную конденсаторы ведут от лейденской банки, которую в середине XVIII века в своих опытах использовал голландский ученый Питер ван Мушенбрук. Жил он в городе Лейдене, так что нетрудно догадаться, почему так называлась эта банка.

Собственно это и была обыкновенная стеклянная банка, выложенная внутри и снаружи оловянной фольгой – станиолем. Использовалась она в тех же целях, как и современная алюминиевая, но тогда алюминий открыт еще не был.Единственным источником электричества в те времена была электрофорная машина, способная развивать напряжение до нескольких сотен киловольт. Вот от нее и заряжали лейденскую банку. В учебниках физики описан случай, когда Мушенбрук разрядил свою банку через цепь из десяти гвардейцев взявшихся за руки.В то время никто не знал, что последствия могут быть трагическими. Удар получился достаточно чувствительным, но не смертельным. До этого не дошло, ведь емкость лейденской банки была незначительной, импульс получился очень кратковременным, поэтому мощность разряда была невелика.

Конденсаторы - это не только элементы радио и электрических цепей. В природе мы встречаемся с естественными конденсаторами во время грозы, когда разноимённо заряженные облака разряжаются относительно друг друга или земли. Образуется молния и гремит гром.

Конденсаторы широко применяют в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе. На э. п. с. и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для создания симметричного трехфазного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин. В радиотехнике конденсаторы служат для создания высокочастотных электромагнитных колебаний, разделения электрических цепей постоянного и переменного тока и др. 1.В радиотехнической и телевизионной аппаратуре – для создания колебательных контуров, их настройки, блокировки, разделения цепей с различной частотой, в фильтрах выпрямителей и т.д.

2.В радиолакационной технике – для получения импульсов большей мощности, формирования импульсов и т.д.

3. В телефонии и телеграфии – для разделения цепей переменного и постоянного токов, разделения токов различной частоты, искрогашения в контактах, симметрирования кабельных линий и т.д.

4. В автоматике и телемеханике – для создания датчиков на емкостном принципе, разделения цепей постоянного и пульсирующего токов, искрогашения в контактах, в схемах тиратронных генераторов импульсов и т.д.

5. В технике счетно-решающих устройств – в специальных запоминающих устройствах и т.д.

6. В электроизмерительной технике – для создания образцов емкости, получения переменной емкости (магазины емкости и лабораторные переменные конденсаторы), создания измерительных приборов на емкостном принципе и т. д.

7. В лазерной технике – для получения мощных импульсов.

В современной электроэнергетике конденсаторы находят себе также весьма разнообразное и ответственное применение:

для улучшения коэффициента мощности и промышленных установок (косинусные или шунтовые конденсаторы);

для продольной емкости компенсации дальних линий передач и для регулирования напряжения в распределительных сетях (серийные конденсаторы);

для емкостного отбора энергии от линий передач высокого напряжения и для подключения к линиям передач специальной аппаратуры связи и защитной аппаратуры (конденсаторы связи);

для защиты от перенапряжений;

для применения в схемах импульсов напряжения (ГИН) и генераторов мощных импульсов тока (ГИТ), используемых при испытаниях электротехнической аппаратуры;

для электрической сварки разрядом;

для пуска конденсаторных электродвигателей (пусковые конденсаторы) и для создания нужного сдвига фаз в дополнительной обмотке этих двигателей;

в устройствах освещения люминесцентными лампами;

для подавления радиопомех, создаваемых электрическими машинами и подвижным составом электрифицированного транспорта.

Кроме электроники и электроэнергетики, конденсаторы применяют и в других неэлектротехнических областях техники и промышленности для следующих основных целей:

В металлопромышленности - в высокочастотных установках для плавки и термической обработки металлов, в электроэрозионных (электроискровых) установках, для магнитоимпульсной обработки металлов и т.д.

В добывающей промышленности (угольной, металлорудной и т.п.) – в рудничном транспорте на конденсаторных электровозах нормальной и повышенной частоты (бесконтактных), в электровзрывных устройствах с использованием электрогидравлического эффекта и т.д.

В автотракторной технике – в схемах зажигания для искрогашения в контактах и для подавления радиопомех.

В медицинской технике – в рентгеновской аппаратуре, в устройствах электротерапии и т.д.

В технике использования атомной энергии для мирных целей – для изготовления дозиметров, для кратковременного получения больших токов и т.д.

В фотографической технике – для аэрофотосъемки, получения вспышки света при обычном фотографировании и т.д.

Разнообразие областей применения обусловливает исключительно большое разнообразие типов конденсаторов, используемыз современной техникой. Поэтому наряду с миниатюрными конденсаторами, имеющими вес менее грамма и размеры порядка нескольких миллиметров, можно встретить конденсаторы с весом в несколько тонн и по высоте превышающие человеческий рост. Емкость современных конденсаторов может составлять от долей пикофарады до нескольких десятков и даже сотен тысяч микрофарад в единице, а номинальное рабочее напряжение может лежать в пределах от нескольких вольт до нескольких сотен киловольт.

Роль конденсатора в электронной схеме заключается в накоплении электрического заряда, разделения постоянной и переменной составляющей тока, фильтрации пульсирующего тока и многое другое

В советское время, когда многие стационарные электронные часы питались от розетки, а компактные и дешевые аккумуляторы еще не изобрели, умельцы ставили туда конденсаторы, чтобы при пропадании электроэнергии, например кратковременном, они могли работать и не сбить свой ход.

§ 1.1. Функции и области применения

Электрические конденсаторы в электрон-

ных, радиотехнических, электротехнических

и электроэнергетических устройствах выпол-

няют функции накопителя энергии, источ-

ника реактивной мощности, частотно-зави-

симого реактивного сопротивления. Осуще-

ствляют они это благодаря своей способ-

ности накапливать электрическую энергию,

а затем отдавать ее в нагрузочную цепь.

Импульсы тока большой мощности ис-

пользуются для создания экстремальных

по напряженности магнитных полей и мощ-

ных дуговых разрядов в газах и жидко-

Импульсы высокого и сверхвысокого

напряжений применяются в технике высо-

ких напряжений в испытательных и иссле-

довательских целях.

Емкостные накопители энергии исполь-

зуются в установках для исследования

физики плазмы, термоядерных реакций, ис-

пытаний различного оборудования, в элект-

ротехнологических устройствах (магнитно-

импульсная штамповка, установки, исполь-

зующие электрогидравлический удар, им-

пульсная электросварка, намагничивание,

ультразвуковая технология, электроискро-

вая технология обработки, электроплазмо-

лиз и т. д.). Накопительные конденсаторы

широко используются в различных устрой-

ствах импульсной связи, радиолокации,

навигации, в импульсных источниках све-

та (высокоинтенсивные источники - лам-

пы-вспышки, сигнальные установки - мая-

ки, оптические квантовые генераторы - ла-

зеры и т. д.), импульсной рентгеновской

Конденсаторы применяются в технике

сейсморазведки (электродинамическое им-

пульсное возбуждение упругих волн в зем-

ной коре), для подрыва детонаторов, в ме-

дицине (импульсный дефибриллятор)

Накопители для генераторов мощных им-

пульсов тока могут быть простейшими (в

виде конденсатора или батарей конденса-

торов) и более сложными (искусственные

длинные линии, например, цепочный фор-

мирователь, либо набор параллельных LC-

формирователей).

В них конденсаторы относительно дол-

го накапливают электрическую энергию от

сравнительно маломощного источника, а

затем быстро отдают ее в нагрузку. Нако-

пительные конденсаторы используются, в

частности, в днодно-конденсаторных умно-

жителях напряжения.

Основным рабочим процессом в ряде

устройств с емкостным накоплением энер-

гии является не отдача ее в нагрузку, а

накопление. Способность конденсатора

быстро накапливать электрическую энер-

гию используется при создании различных

устройств для защиты электрического обо-

рудования и его элементов от перенапря-

жений, обусловленных грозовыми или ком-

мутационными явлениями. Это свойство, а

также сравнительно малые габариты, вы-

сокая надежность конденсаторов обусло-

вили, в частности, их широкое использова-

ние в демпфирующих цепях мощных

высоковольтных преобразователей, для вы-

равнивания напряжений на последователь-

но включенных вентилях.

В тиристорных преобразователях (вы-

прямителях, инверторах, импульсных регу-

ляторах), в бесконтактной коммутацион-

ной аппаратуре конденсаторы применяют

для принудительного включения и выклю-

чения диодов и вентилей с неполной управ-

ляемостью. Коммутирующие конденсаторы

в бесконтактных аппаратах работают в

накопительном режиме, тогда как в пре-

образователях рабочими процессами обыч-

но являются заряд и разряд (или пере-

заряд) конденсатора.

Свойство конденсатора накапливать

электрическую энергию широко применяет-

ся и для подавления импульсных помех в

различном электронном оборудовании, для

создания ячеек памяти ЭВМ, интегрирова-

ния и дифференцирования электрических

сигналов (аналоговые ЭВМ, системы ав-

томатики, управления и т. д.).

Широко используются накопительные

свойства конденсаторов при их применении

в разнообразных импульсных устройствах

малой мощности: в генераторах импульсов

тока и напряжения специальной формы

(развертывающие, измерительные устройст-

ва н т. д.). в автоколебательных и спуско-

вых устройствах. Конденсаторы очень час то служат источником реактивной мощ-

ности. Это свойство проявляется тогда,

когда на них воздействует переменное

(обычно синусоидальное по форме) напря-

жение. Ток, протекающий через конденса-

тор, опережает напряжение на угол, близ-

кий к π/2, т. е. конденсатор, почти не по-

требляя активную мощность, генерирует

реактивную. Эта способность используется

для повышения коэффициента мощности

потребителей электрической энергии путем

частичной или полной компенсации их

реактивной мощности, что снижает потери

энергии в генераторах, трансформаторах,

электрических сетях, повышает устойчи-

вость параллельной работы энергосистем,

стабилизирует напряжение у потребителей.

Для повышения устойчивости парал-

лельной работы и пропускной способности

линий электропередачи, а также для улуч-

шения режима работы энергосистем при-

меняют установки продольной компенса-

ции, главным элементом которых являют-

ся мощные батареи конденсаторов, осуще-

ствляющие компенсацию индуктивных

сопротивлений высоковольтных линий

электропередачи. Установки продольной

компенсации реактивной мощности исполь-

зуются на электрифицированных железных

В последнее время батареи конденсато-

ров продольной компенсации стали приме-

няться для руднотермнческих плавильных

печей большой мощности (тысячи и десят-

ки тысяч киловатт), т. е. при резко пере-

менной нагрузке.

Продольная емкостная компенсация

реактивной мощности эффективно исполь-

зуется для пуска асинхронных машин

большой мощности при их питании по ли-

ниям с большим сопротивлением (линии

недостаточной мощности и относительно

большой длины). В энергосистемах кон-

денсаторы применяются в батареях как

продольной, так и поперечной централизо-

ванной компенсации реактивной мощности.

Они обеспечивают снижение потерь энер-

гии и улучшают режимы работы энерго-

систем (совместно с электростанциями

обеспечивают необходимые напряжения в

узлах и потоки энергии). В обоих видах

батарей используется последовательно-па-

раллельное соединение большого числа

единичных конденсаторов.

Конденсаторы широко применяются не

только в установках централизованной

компенсации реактивной мощности, но и в

установках для групповой и индивидуаль-

ной компенсации. Такими примерами мо-

гут служить конденсаторы для светильни-

ков с газоразрядными лампами, пусковые

и рабочие конденсаторы однофазных асин-

хронных электродвигателей (в этом случае

основная функция конденсаторов заключа-

ется в создании фазового сдвига π/2

между токами обмоток двигателей), кон-

денсаторы, повышающие очень низкий

коэффициент мощности индукционных

электротермических установок промышлен-

ной и повышенных частот. Групповая и

индивидуальная компенсация реактивной

мощности потребителей дает большой эко комический эффект в связи со снижением

потерь энергии при ее передаче, уменьше-

нием посадки напряжения при пиковых

реконструкции энергетических сетей (из-за

недостаточной мощности питающих линий,

трансформаторов и т. д.).

Способность конденсаторов компенси-

ровать реактивную мощность потребителей

электроэнергии применяется не только на

частоте 50-6 0 Гц, но и на повышенных

частотах работы, например, бортовых сис-

тем транспортных средств, электротермиче-

ских установок. В этом случае существен-

но снижаются масса и габариты первично-

го генератора электроэнергии.

Компенсация конденсаторами реактив-

ной мощности асинхронной машины позво-

ляет создавать асинхронные генераторы,

эффективные при переменной скорости вра-

щения первичного двигателя (гидравличе-

ские, газовые турбины). В них конденсато-

ры обеспечивают возбуждение магнитного

потока и компенсацию реактивной мощ-

ности нагрузки.

Полная компенсация конденсаторами

реактивной мощности катушек индуктив-

ностей происходит также в мощных коле-

бательных контурах генераторов радиопе-

редатчиков. Без конденсаторов невозможна

работа этих устройств с высоким коэффи-

циентом полезного действия и малыми ис-

кажениями, а также генерирование боль-

ших активных мощностей.

Другое свойство конденсаторов - изме-

нять свое реактивное сопротивление при

переменном токе обратно пропорционально

частоте (x с =1/2 π / С)-широк о использу-

ется при создании различных фильтров в

радиотехнических, электронных, электро-

технических устройствах, служащих для

разделения напряжений и токов различных

Фильтры низких, высоких частот, поло-

совые и режекторные, представляющие со-

бой комбинацию индуктивных и емкостных,

резистнвных и емкостных элементов, явля-

ются неотъемлемыми узлами большинства

электронных и радиотехнических устройств.

Фильтры используются также в энергети-

ческих системах. С их помощью маломощ-

ные высокочастотные сигналы, применяе-

мые для связи, телемеханики, систем про-

тивоаварийной автоматики и других целей,

отделяются от напряжений промышленной

частоты высокого напряжения. Силовые

фильтры используются в электроэнергети-

ке для приближения формы напряжения к

синусоидальной при наличии источников

высших гармоник (выпрямителей), дуго-

вых печей и др.), в силовых полупровод-

никовых преобразователях, работающих в

автономном или в ведомом сетью режиме.

В реактивных фильтрах, резонансных

умножителях напряжения и других устрой-

ствах используются резонансные свойства

цепей, состоящих из конденсаторов к ии-

дуктнвностей.

Конденсаторы применяются в фильтрах

не только переменного, но н постоянного

тока, в которых полезной составляющей

является постоянное напряжение, а задача

фильтра заключается в сглаживании пуль

саций напряжения (путем снижения пере-

менной составляющей), т. е. здесь одно-

временно используется способность кон-

денсатора накапливать энергию и снижать

свое сопротивление с частотой. Такие

фильтры применяются в блоках питания

различных электронных и электротехни-

ческих устройств, например, в высоковольт-

ных установках электростатической окрас-

ки, очистки газов, в импульсных стабилиза-

торах напряжения, ЭВ М и др.

Свойство конденсаторов снижать свое

сопротивление с ростом частоты обуслав-

ливает их широкое использование в элект-

ронной и радиоэлектронной аппаратуре в

качестве блокирующего или помехоподав-

ляющего элемента. Роль конденсатора в

этом и в предыдущем случаях заключает-

ся в том, чтобы замкнуть путь высокочас-

тотных токов, не допустив их прохожде-

ния через другие цепи и элементы уст-

ройств, например в питающую сеть.

Конденсаторы являются неотъемлемым

элементом фазосдвигающих цепей элект-

ронных устройств систем автоматики, уп-

равления, в LC- и RС-генераторах, в ак-

тивных фильтрах и т. д.

Одна из многочисленных задач, решае-

мых с помощью конденсаторов, заключает-

ся в делении переменного напряжения,

осуществляемого при различных изменени-

ях в высоковольтных цепях, в электроэнер-

гетических системах, испытательных уста-

новках, в равномерном распределении на-

пряжения на разрывных промежутках воз-

душных высоковольтных выключателей и

для других целей.

Конденсаторы широко используются:

В емкостных делителях напряжения

для отбора энергии от высоковольтных ли-

ний электропередачи (при небольших мощ-

ностях стоимость конденсаторного отбора

ниже стоимости устройства отбора энергии

с помощью обычных трансформаторов);

Как балластное сопротивление в лю-

минесцентных источниках света, лампах

накаливания, а также в маломощных ус-

тройствах для зарядки аккумуляторов;

Во вторичных источниках питания со

специальными характеристиками (стабили-

заторы тока, напряжения), в частности, в

индуктивно-емкостных преобразователях,

служащих для питания неизменным током

установок плазменной технологии, сварки

Индуктивно-емкостные устройства при-

меняются и для симметрирования напря-

жений трехфазной сети при наличии несим-

метричных потребителей, а также для соз-

дания расщепителей числа фаз, необходи-

мых для питания трехфазных потребителей

от однофазной сети.

Таким образом, область применения

конденсаторов достаточно широка: энерге-

тика, промышленность, транспорт, устрой-

ства связи, автоматика, вещание, локация,

измерительная и вычислительная техника

Справочник

по электрическим

конденсаторам

Общие сведения,

выбор и применение

Под общей редакцией

кандидата технических наук

В. В. Ермуратског о