Основные параметры конденсаторов

Конденсаторы постоянной емкости характеризуются такими параметрами, как номинальной емкостью, электрической прочностью, реактивной мощностью, качеством изоляции, потерями, коэффициентом абсорбции, индуктивностью, стабильностью, надежностью.

1) Номинальная величина емкости.

Номинальная емкость типовых конденсаторов постоянной емкости (кроме электролитических, бумажных и пленочных) установлена ГОСТ 2.728-74. Численные значения номинальных емкостей (в пФ, нФ, мкФ) определяются рядами предпочтительных чисел Е6, Е12, и Е24 для допускаемых отклонений ±20%, ±10%, ±5%.

Кратные и дольные значения емкостей получаются путем умножения или деления чисел этих рядов на 10.

Емкость электролитических конденсаторов (в мкФ) определяется рядом 1, 2, 5, 10, 20 и т.д.; емкость бумажных (в мкФ) – рядом 0,1; 0,25; 1; 2; 4; 6; 8; 10; 20; 40 и т.д.

Допускаемые отклонения фактической емкости от номинальной для конденсаторов постоянной емкости установлены ГОСТ 9661-73. Наиболее употребительными являются конденсаторы с допускаемым отклонением ±5%, ±10%, ±20%. Для прецизионных конденсаторов установлены меньшие пределы допускаемых отклонений; для конденсаторов, к точности которых не предъявляются строгих требований, например электролитических, до .

Для оценки размеров различных конденсаторов их емкость относят к единице объема и называют это удельной емкостью. Наибольшей емкостью обладают электролитические конденсаторы, наименьшей – воздушные.

2) Электрическая прочность.

Электрическая прочность конденсаторов характеризуется:

-номинальным напряжением;

-испытательным напряжением;

-пробивным напряжением.

Номинальное напряжение – максимальное напряжение , при котором конденсатор может работать в заданном диапазоне температур в течение гарантированного срока службы. Под номинальным напряжением обычно понимают или напряжение постоянного тока, или амплитудное значение переменного тока, или напряжение импульса. При работе конденсатора под более высоким напряжением понижается надежность и сокращается срок службы.

Испытательное напряжение – максимальное напряжение, при котором конденсатор может находиться, не пробиваясь, небольшой промежуток времени – от нескольких секунд до нескольких минут.

Пробивное напряжение – минимальное напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика. Пробивное напряжение зависит от температуры, рода тока и его частоты, степени непрерывной работы.

3) Реактивная мощность.

При наличии на конденсаторе больших напряжений высокой частоты, например свыше 1000В, может произойти перегрев диэлектрика и разрушение конденсатора. «Нагрузочную» способность конденсатора в таких случаях характеризуют реактивной мощностью

P_r = UI sin φ.

У большинства конденсаторов угол сдвига фаз между током и напряжением φ близок к 90⁰, поэтому sin φ =1 и

P_r ≈ UI =U ²ωС

После преобразований

,

где U_m – в вольтах; P_p - в вольтамперах; f - в мегагерцах; C - в пикофарадах.

В маломощной ЭУ конденсаторы почти всегда работают при небольших переменных напряжениях, поэтому для них реактивная мощность не является характерным параметром.

4) Качество изоляции.

Качество изоляции можно оценить по величине:

-сопротивления;

-приведенного сопротивления, определяемого произведением величины сопротивления на емкость (МОм × мкФ = сек);

-тока утечки (для конденсаторов малой емкости).

5) Потери.

Потери в маломощных конденсаторах в основном вызываются замедленной поляризацией и проводимостью диэлектрика; потери в обкладках и выводах таких конденсатор достаточно малы, и ими обычно пренебрегают.

Потери в конденсаторах понижают добротность колебательных контуров и создают дополнительные фазовые сдвиги в электрических цепях, влияют на величину емкости и на стабильность конденсатора.

Потери в конденсаторах можно оценить по величине добротностиили тангенса угла потерь.

Добротность определяется отношением реактивной мощности к полным потерям в конденсаторе

Q_c = P_r / P_a ,

где P_a – полные потери энергии в диэлектрике конденсатора, включающие потери в диэлектрике и потери в металлических обкладках.

Тангенс угла потерь определяется

tg δ_C = 1/ Q_C

В общем случае зависимость tg δ_C от температуры имеет вид, показанный на рисунке. Максимум величины tg δ_C в левой части обусловлен дипольными потерями, а ее увеличение в правой части – потерями от ионной проводимости. Рост значения tg δ_C характерен для всех неполярных и полярных диэлектриков, тогда как максимум может иметь место только в случае полярных диэлектриков, имеющих дипольную или дипольно-радикальную поляризацию, а также для сегнетоэлектриков.

 

 

 

1- неполярный диэлектрик; 2 - полярный диэлектрик; 3 - высокомолекулярный диэлектрик.

С повышением частоты растут потери в металлических частях конструкции конденсаторов tg δ_М . общий характер зависимости tg δ_C от частоты

показан на рисунке. Частота, соответствующая минимуму tg δ_C:

где r - сопротивление, эквивалентное потерям в металлических частях;

R - сопротивление, эквивалентное потерям в диэлектрике;

С - емкость конденсатора.

6) Абсорбция.

При кратковременном к.з. заряженного конденсатора напряжение на нем спадает до нуля, но после размыкания может восстановиться до некоторого значения. Это явление, называемое абсорбцией, может в высоковольтных конденсаторах создать опасное напряжение, а в низковольтных – вызвать ложные срабатывания импульсных схем, блокировку усилительных приборов и т.п. Проявляется абсорбция обычно у конденсаторов с многослойным диэлектриком.

Абсорбция объясняется тем, что емкость такого конденсатора может рассматриваться состоящей из двух частей – основной С’ и дополнительной С”, связанной с наличием объемных зарядов на неоднородностях и поверхностях раздела (рисунок); сопротивление r’ имитирует скорость разряда емкости С”.

При кратковременном замыкании конденсатора полностью разрядиться успевает лишь емкость С’. После размыкания происходит перераспределение зарядов, сохранившихся на С”’, которое и восстанавливает напряжение на С’. Этот процесс оценивают коэффициентом абсорбции k_а, представляющим отношение восстановившегося (например, через 3 мин) напряжения к первоначальному. Величина k_а колеблется от 0,01 (для пленочных конденсаторов) до 5-6 (для электролитических конденсаторов).

7) Собственная индуктивность.

Помимо емкости конденсатор обладает также индуктивностью, которая слагается из индуктивности самого конденсатора (рабочего элемента) и индуктивности внешних и внутренних соединительных проводников. Индуктивность самого конденсатора зависит от размеров рабочего элемента, его расположения относительно металлического корпуса и способа соединения выводов с обкладками. Чем меньше размеры конденсатора и чем короче и толще выводы и внутренние соединительные проводники, тем меньше собственная индуктивность.

Присутствие индуктивности увеличивает эквивалентную емкость, приводит к сильной зависимости ее от частоты и вызывает появление резонансных явлений в конденсаторе.

Так как индуктивное сопротивление частично компенсирует емкостное, то полное сопротивление конденсатора уменьшается. Что эквивалентно увеличению емкости. Из сравнения полных сопротивлений реального и эквивалентного конденсаторов Z = 1/ωC_э и Z_р ≈ 1/ ωC - ωL получаем:

На рисунке изображена схема замещения конденсатора. При резонансе, т.е. на частоте f₀ = 1/2π√LC, сопротивление этой цепи минимально и равно активному сопротивлению потерь. На других частотах полное сопротивление конденсатора больше и имеет реактивный характер: на более низких частотах – емкостный, а на более высоких – индуктивный.