Электрический конденсатор

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Различные конденсаторы для объёмного монтажа

Конденса́тор — система из двух и более электродов (обкладок), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Такая система обладает взаимной ёмкостью и способна сохранять электрический заряд.

История[править]

В 1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и голландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор — «лейденскую банку».

Свойства конденсатора[править]

Конденсатор в цепи постоянного тока не проводит ток, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит электричество, так как колебания переменного тока вызывают циклическую перезарядку конденсатора и, следовательно, ток в цепи.

В терминах метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным импедансом

\(~Z_C = \frac{1}{j \omega C}~\),

где j — мнимая единица, \(~\omega\) — угловая частота протекающего синусоидального тока, \(~C\) — ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно: \(~X_C = -\frac{1}{\omega C}\). Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров — собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью \(~C\), собственной индуктивностью \(~L_C\) и сопротивлением потерь \(~R_n\).

\(f_p = \frac{1}{2 \pi} \sqrt{L_c C}\)

При \(~f > f_p\) конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах \(~f < f_p\), на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной.

Обозначение конденсаторов на схемах[править]

В России условные графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать ГОСТ 2.728-74 либо международному стандарту IEEE 315-1975:

Обозначение
по ГОСТ 2.728-74
Описание
1cm Конденсатор постоянной емкости
1cm Поляризованный конденсатор
1cm Подстроечный конденсатор

Характеристики конденсаторов[править]

Основные параметры[править]

Ёмкость[править]

Основной характеристикой конденсатора является его электрическая ёмкость (точнее номинальная ёмкость), которая определяет накопленный заряд. 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 \(~S\) каждая, расположенных на расстоянии \(~d\) друг от друга, в системе СИ выражается формулой: \(C = \frac{\varepsilon \varepsilon_0 S}{d} ~\), где \(~\varepsilon\) — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (эта формула справедлива, лишь когда \(~d\) много меньше линейных размеров пластин).

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

Capacitorsparallel.png

\(C = \sum_{i=1}^N C_i\)

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

Capacitorsseries.png

\(C = \frac{1}{\sum_{i=1}^N 1/C_i}\)

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.

Удельная ёмкость[править]

Конденсаторы также характеризуются удельной ёмкостью — отношением ёмкости к объему (или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости достигается при минимальной толщине диэлектрика.

Номинальное напряжение[править]

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[править]

Многие конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) имеют униполярную проводимость, вследствие чего их эксплуатация возможна только при положительном потенциале на аноде.

Паразитные параметры[править]

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

Cap equiv circ.png
  • С - собственная емкость конденсатора;
  • r - сопротивление изоляции конденсатора;
  • R - эквивалентное последовательное сопротивление;
  • L - эквивалентная последовательная индуктивность.

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора — r[править]

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

Эквивалентное последовательное сопротивление — R[править]

Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) 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., en:Capacitor plague).

Эквивалентная последовательная индуктивность — L[править]

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[править]

Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока сдвинуты на угол \( \varphi = \frac{\pi}{2} - \delta \), где \(~\delta\) — угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь \(~\delta = 0\). Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Pа к реактивной Pр при синусоидальном напряжении определённой частоты. Величина, обратная \( ~ \mathrm{tg}(\delta)\), называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса угла потерь применяются также для индуктивностей и трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ)[править]

ТКЕ — это параметр, характеризующий зависимость ёмкости конденсатора от температуры. Практически ТКЕ определяют как относительное изменение ёмкости конденсатора при изменении температуры на 1 °C. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов.

Диэлектрическое поглощение[править]

Если заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путем 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. Конденсатор ведет 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. Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с тефлоновым (фторопластовым) диэлектриком.

Классификация конденсаторов[править]

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др.

По виду диэлектрика различают:

  • Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).
  • Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
  • Конденсаторы с жидким диэлектриком.
  • Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
  • Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
  • Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью! В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металле, являющийся анодом. Вторая обкладка (катод) — это или электролит (в электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесенный непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги.

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

  • Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
  • Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термо­конденсаторы). Применяются, например, в радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура.
  • Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Применение конденсаторов[править]

Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.

  • Конденсаторы (совместно с индуктивностями и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..
  • При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах с оптической накачкой и т. п.
  • Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.
  • В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и фильтрах высших гармоник.

Внешние ссылки[править]

Смотри также[править]

ia:Capacitorlv:Kondensatorsnn:Kondensatorsu:Kapasitorzh-yue:電容