Общие свойства конденсаторов. Конденсаторы применяемы в РЭА, можно разделить на конденсаторы постоянной ёмкости, переменной ёмкости и подстроечные конденсаторы.
Конденсаторы постоянной ёмкости применяют в различных фильтрах, а также в колебательных контурах для получения фиксированной настройки, сопряжения, термокомпенсации и т. п. Конденсаторы постоянной ёмкости, так же как и резисторы, являются особенно широко применяемыми элементами схемы, к которым предъявляются чрезвычайно разнообразные требования. Поэтому существует большое количество типов конденсаторов, значительная часть которых стандартизована (типовые конденсаторы) и налажено их массовое производство. Выбор нужного типа производится на основании электрических характеристик.
Конденсаторы переменной ёмкости (КПЕ) применяются для плавной настройки колебательных контуров, регулировки различных связей и т. п. Конденсаторы переменной ёмкости ещё не подверглись полной стандартизации, и их разрабатывают применительно к схемам и требованиям конкретного задания. Подстроечные конденсаторы применяют в тех цепях, ёмкость которых должна точно устанавливаться при разовой или периодической регулировке и не изменяться в процессе эксплуатации, например для выравнивания начальных ёмкостей сопряженных контуров, для настройки контуров с фиксированной настройкой, в качестве конденсаторов связи и т. п. Некоторые типы подстроечных конденсаторов стандартизованы и производятся в установленном порядке.
В зависимости от вида применяемого диэлектрика различают конденсаторы с газообразным, жидким и твёрдым диэлектриком.
Отдельную группу составляют конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические). Конденсаторы с газообразным диэлектриком могут быть: вакуумными, газонаполненными и воздушными. Конденсаторы с твёрдым диэлектриком подразделяются на конденсаторы с органическим диэлектриком – бумажные, металлобумажные и плёночные (из органических синтетических плёнок) и на конденсаторы с неорганическим диэлектриком – керамические, слюдяные, стеклянные, стеклокерамические, стеклоэмалевые и т. п. Конденсаторы с жидким диэлектриком, а также вакуумные и газонаполненные в относительно маломощной РЭА имеют ограниченное применение.
Конденсаторы постоянной ёмкости обычно выполняются в твёрдом диэлектрике из конденсаторной керамики, слюды, бумаги, синтетических плёнок, конденсаторы переменной ёмкости – с воздушным диэлектриком. Свойства конденсаторов характеризуются следующими основными параметрами: номинальной ёмкостью и допустимыми отклонениями от фактической ёмкости от номинальной; электрической прочностью; реактивной мощностью; сопротивлением изоляции; потерями; собственной индуктивностью и параметрами, характеризующими надёжность и стабильность ёмкости при воздействии температуры, влажности и других климатических и механических факторов, при длительном хранении, а также размером, массой и стоимостью.
Конденсаторы переменной ёмкости характеризуют рядом дополнительных параметров, которые будут рассмотрены ниже. Номинальная ёмкость типовых конденсаторов постоянной ёмкости (кроме электролитических, бумажных и плёночных) установлена ГОСТ 2519-67. Численные значения номинальных ёмкостей определяются рядами предпочтительных чисел Е6, Е12 и Е24 для допускаемых отклонений 5, 10 и 20% и более и рядами Е48, Е96 и Е192 для допускаемых отклонений меньше 5 %. Ёмкость электролитических конденсаторов (в мкФ) определяется рядом 1, 2, 5, 10, 20, и т. д.; ёмкость бумажных (в мкФ) – рядом 0,1, 0,25, 0,5, 1,2, 4,6, 8, 10, 20, 40 и т. д. Для конденсаторов переменной ёмкости и подстроечных номинальной ёмкости не установлены. Допускаемые отклонения фактической ёмкости от номинальной для конденсаторов постоянной ёмкости установлен ГОСТ 9661-73. Наиболее употребительными являются конденсаторы с допускаемым отклонением 5, 10, 20%. Для прецизионных установлены меньшие пределы (от 0,1%), для конденсаторов, к точности которых не предъявляется строгих требований, например для электролитических, до %. Для оценки размеров различных конденсаторов их ёмкость относят к единице объёма и называют это отношение удельной ёмкостью (мкФ/кл3). Наибольшей удельной ёмкостью обладают электролитические конденсаторы, а наименьшей воздушные.
Электрическая прочность конденсаторов характеризуется: a) нормальным (идеально допускаемым) напряжением – максимальным напряжением, при котором конденсатор может работать в заданном диапазоне температур в течении гарантированного срока службы.
Шкала номинальных напряжений установлена ГОСТ 9665-68; б) исключительным напряжением – максимальным напряжением, при котором конденсатор может, находиться не пробиваясь, небольшой промежуток времени.
Это напряжение характеризует электрическую прочность конденсатора при кратковременных перегрузках; в) пробивным напряжением – минимальным напряжением, при котором происходит пробой диэлектрика.
Конденсаторы для очень высоких напряжений – десятки киловольт характеризуется ещё разрядным напряжением по поверхности. Соотношение между этими напряжениями определяется видом диэлектрика. Электрическая прочность зависит от конструкции конденсатора и внешних условий; при повышении температуры, влажности и понижении атмосферного давления (до определённого предела) она уменьшается.
Поэтому допускаемое (рабочее) напряжение должно быть ниже номинального. Реактивная мощность – характеризует нагрузочную способность конденсатора в случаях, когда при наличии на конденсаторе больших напряжений высокой частоты, например больше 1000 В. может произойти перегрев диэлектрика и разрушение конденсатора.
Сопротивление изоляции между обкладками конденсатора и между обкладками и корпусом определяется качеством применяемого диэлектрика. При низком сопротивлении изоляции появляются значительные токи утечки, которые могут нарушить работу определённых участков схемы. Совершенно недопустимо применение конденсаторов с утечкой в качестве переходных. Сопротивление изоляции зависит от температуры и влажности; при повышении температуры и влажности она резко падает.
Потери в маломощных конденсаторах в основном вызывается замедленной поляризацией и проводимостью диэлектрика; потери в обкладках и выводах таких конденсаторов достаточно малы, и ими обычно пренебрегают. Конденсаторы с потерями понижают добротность колебательных контуров и создают дополнительные фазовые сдвиги в электрических цепях, влияют на величину ёмкости и на стабильность конденсатора. Потери характеризуются тангенсом угла потерь tg, называют добротностью конденсатора: Qc= . На величину потерь значительное влияние оказывают влажность и температура.
При повышении частоты, температуры, влажности потери возрастают. Современные конденсаторы характеризуются очень малым tg : tg. Абсорбция – явление, при котором после короткого замыкания конденсатора (кратковременного) напряжения на нём спадает до нуля, но после размыкания может восстановиться до некоторого значения. Этот процесс оценивают коэффициентом абсорбции ka, представляющим собой отношение восстановившегося напряжения к первоначальному.
Собственная индуктивность слагается из индуктивности самого конденсатора (рабочего элемента) и индуктивности внешних и внутренних соединительных проводников. Индуктивность самого конденсатора зависит от размеров рабочего элемента, его расположение относительно корпуса и способа соединения выводов с обкладками. Чем меньше размеры конденсатора, чем короче и толще выводы и внутренние соединительные проводники, тем меньше собственная индуктивность. Стабильность конденсатора характеризуется изменением его собственных основных параметров, главным образом под воздействием температуры, влажности, атмосферного давления, механических усилий, времени и т. п. Обозначение и маркировка типов конденсаторов установлено ГОСТ 13453-68 и состоит из букв и цифр. Первые буквы означают: К – конденсатор постоянной ёмкости, КП – конденсатор переменной ёмкости, КТ – конденсаторы подстроечные.
Число, следующее за буквенным обозначением, указывает на вид диэлектрика.
Например, для постоянных: 10 – керамические, 20 – стеклянные, 30 – слюдяные малой мощности, 40 – бумажные и т. д.; для переменных: 2 – воздушные, 4 – с твёрдым диэлектриком (так же для подстроечных). Затем следует число (после тире), указывающие на порядковый номер разработки. 2.