Конденсатор електричний

Конденсатор електричний, система з двох або більш за електроди (обкладань), розділені діелектриком, товщина якого мала в порівнянні з розмірами обкладань; така система електродів володіє взаємною електричною ємкістю . До. е. у вигляді готового виробу застосовується в електричних ланцюгах там, де необхідна зосереджена ємкість. Діелектриком в До. е. служать гази, рідини і тверді електроізоляційні речовини, а також напівпровідники. Обкладаннями До. е. з газоподібним і рідким діелектриком служить система металевих пластин з постійним зазором між ними. У ДО. е. з твердим діелектриком обкладання роблять з тонкої металевої фольги або наносять шари металу безпосередньо на діелектрик. Для деяких типів До. е. на поверхню металевої фольги (1-я обкладання) наноситься тонкий шар діелектрика; 2-м обкладанням є металева або напівпровідникова плівка, нанесена на шар діелектрика з іншого боку, або електроліт, в який занурюється оксидована фольга. У інтегральних схемах застосовуються два принципово нових вигляду До. е.: дифузійні і напівпровідникові для металу-оксиду (МОН). У дифузійних До. е. використовується ємкість створеного методом дифузії р — n -перехода, яка залежить від прикладеної напруги. У ДО. е. типа МОН як діелектрик використовується шар двоокису кремнію, вирощений на поверхні кремнієвої пластини. Обкладаннями служать підкладка з малим питомим опором (кремній) і тонка плівка алюмінію.

  При підключенні До. е. до джерела постійного струму на його обкладаннях накопичується електричний заряд Q = C × U; виражаючи Q в кулонах і U (напруга на обкладаннях До. е.) у вольтах, отримаємо З — ємкість До. е. у фарадах. Ємкість До. е. з обкладаннями у вигляді двох паралельних плоских пластин рівна:

 (пф),

де e ₀ — діелектрична проникність вакууму, e ₀ =  8,85×10 ^-3 пф/мм; e — відносна діелектрична проникність діелектрика (e ³1), S — площа плоского обкладання в мм ² , b — відстань між обкладаннями в мм.

  Ємкість циліндрового До. е. (два коаксіальні порожнисті циліндри розділених діелектриком) рівна:

 (пф),

де l — довжина циліндра в мм ; D ₂ — внутрішній діаметр зовнішнього циліндра в мм; D ₁ — зовнішній діаметр внутрішнього циліндра в мм. При цьому не враховуються спотворення однорідності електричного поля в країв обкладань (краєвий ефект), і тому ці розрахунки дають декілька занижені значення ємкості C ; точність розрахунку зростає при зменшенні відношення  (для плоского До. е.) і  (для циліндрового До. е.).

  До. е. часто включаються групами (батареєю); для паралельного з'єднання До. е. загальна ємкість батарєї Сб = C ₁ + C ₂ +...+ C _n , а для послідовного з'єднання

С _би = ,

де C ₁ , C ₂ ..., C _n — ємкості окремих До. е., складових батарею. При включенні в ланцюг змінного струму частотою f гц через До. е. протікає реактивний (ємкісний) струм

,

де U — напруга, прикладена до обкладань До. е., x _з — реактивний опір До. е.

  (ом)

за умови, що f в гц, а З — в ф.

  Залежність реактивного опору До. е. від частоти використовується в електричних фільтрах . Вектор струму, що протікає через До. е ., випереджає вектор напруги, прикладеної до його обкладань, на кут j » 90°, це дозволяє застосувати До. е. для підвищення потужності коефіцієнта промислових установок з індуктивним навантаженням, для подовжньої компенсації в лініях електропередачі, в конденсаторних асинхронних двигунах і т. п. Реактивна потужність До. е. P _p = 2pfu ² C (вар), де U — в в, f — в гц, З — у ф. До основних параметрів До. е. ( див. таблиці. ) відносяться: номінальна ємкість — С _н ; допуск по номінальній ємкості

,

де С _і — виміряне значення ємкості До. е.; робоча (номінальне) напруга U _н , при якому До. е. надійно працює тривалий проміжок часу (зазвичай більше 1000 ч ) ; випробувальна напруга U _іс , яке До. е. повинен витримувати протягом певного проміжку часу (2—5 сік, інколи до 1 мін ) без пробою діелектрика; пробивна напруга U _пр (постійний струм), що викликає пробій діелектрика за проміжок часу в декілька сік ; кут втрат d — чим d   більше, тим більша частина енергії виділяється на нагрів До. е.; втрати активної потужності Р _а = 2pfu ² ×Сн ×tg d (Вт), де d — кут втрат, U — в в , С _н — в ф, f — в гц; температурний коефіцієнт ємкості (ТКЕ), що характеризує залежність зміни ємкості До. е. від температури; опір ізоляції R _з між виводами До. е. при подачі на них постійної напруги.

  До. е. володіють індуктивністю L, унаслідок чого повний опір До. е. часто не є переважно ємкісним в будь-якому діапазоні частот; застосовувати До. е. доцільно лише при частотах f<f ₀ ( f ₀ — власна резонансна частота До. е.), т. до. при f >f ₀ опір має переважно індуктивний характер. Надійність До. е. визначається вірогідністю його безвідмовної роботи протягом гарантованого терміну служби; інколи надійність виражають у вигляді інтенсивності відмов До. е. Для порівняльної оцінки якості До. е. застосовуються питома ємкість

 пф/см ³ ,

де V _до см ³ — активний об'єм До. е., і питома вартість, тобто вартість До. е., віднесена до накопиченої в До. е. енергії або заряду. Питома вартість До. е. завжди знижується по мірі збільшення розмірів До. е.

  По вживанню розрізняють До. е. низької напруги низької частоти (велика питома емкость С _в ), низької напруги високої частоти (малі ТКЕ і tg d , висока С _в ), високої напруги постійного струму (високе R _з ) , високої напруги низької і високої частоти (висока питома реактивна потужність). До. е. випускаються постійною ємкості, змінній ємкості і полупеременниє (тріммери). Параметри, конструкція і сфера застосування До. е. визначаються діелектриком, що розділяє його обкладання, тому основна класифікація До. е. проводиться за типом діелектрика.

  До. е. з газоподібним діелектриком (повітря, газонаповнені і вакуумні) мають вельми малі значення tg d і високу стабільність ємкості (див. табл . ). Повітря До. е. постійній ємкості застосовують в вимірювальній техніці в основному як зразкові До. е. Повітря До. е. рекомендується застосовувати при напрузі не вище 1000 ст В електричних ланцюгах високої напруги (понад 1000 в ) застосовують газонаповнені (азот, фреон і ін.) і вакуумні До. е. Вакуумні До. е. мають менші втрати, малий ТКЕ і стійкіші до вібрацій в порівнянні з газонаповненими. Робоча напруга для вакуумних До. е. постійній ємкості від 5 до 45 кв. Найбільш доцільно вакуумні До. е. використовувати при роботі в діапазоні частот від 1 до 10 Мгц. Значення пробивної напруги вакуумних До. е. не залежить від атмосферного тиску, тому вони широко застосовуються в авіаційній апаратурі. Основний недолік До. е. з газоподібним діелектриком — вельми низька питома ємкість.

  До. е. з рідким діелектриком мають при тих же розмірах, що і К. е. з газоподібним діелектриком, велику ємкість, т. до.  діелектрична проникність в рідин вища, ніж в газів; проте такі До. е. мають великі ТКЕ і великі діелектричні втрати, по цих причинах вони не перспективні.

  До До. е. з твердим неорганічним діелектриком відносяться скляні, стеклоемальовиє і склокерамічні, керамічні (низькочастотні і високочастотні) і слюдяні До. е. Скляні, стеклоемальовиє і склокерамічні До. е. є багатошаровим пакетом, що складається з шарів діелектрика і обкладань, що чергуються (з срібла і ін. металів). Як діелектрик використовуються конденсаторне скло, низькочастотна або високочастотна стеклоемаль і склокераміка. Ці До. е. мають відносно малі втрати, малі ТКЕ, стійкі до дії вологості і температури, мають велике опір ізоляції. Довговічність цих До. е. при номінальній напрузі і максимальній робочій температурі не менше 5000 ч. Керамічні До. е. є полікристалічним керамічним діелектриком, на який вжіганієм нанесені обкладання (з срібла, платини, паладію). До обкладань припаяні виводи, і вся конструкція покрита вологозахисним шаром. Керамічні До. е. підрозділяють на низьковольтних високочастотних (малі втрати, висока резонансна частота малі габарити і маса), низьковольтні низькочастотні (підвищена питома ємкість, відносно великі втрати) і високовольтні До. е. (від 4 до 30 кв ), в яких використовується спеціальна кераміка, що має високу пробивну напругу.

  В 1960-х рр. у зв'язку з розвитком напівпровідникової техніки, що застосовувала робочу напругу головним чином до 30 в , широкого поширення набули керамічні До. е. на основі тонких (близько 0,2 мм ) керамічних плівок. Вживання сегнетокераміки як діелектрик дозволило отримати питому ємкість порядка 0,1 мкф/см ³ . Ці До. е. рекомендується ставити в низьковольтних низькочастотних ланцюгах. У слюдяних До. е. діелектриком служить слюда, розщеплена на тонкі пластинки до 0,01 мм. Слюдяні До. е. мають малі втрати, високу пробивну напругу і високий опір ізоляції. Електроди в слюдяних До. е. роблять з фольги або наносять на слюду випаром металу у вакуумі або вжіганієм. Слюдяні низьковольтні До. е. широко застосовують в радіотехніці (електричні фільтри, ланцюги блокування і т. п.). Недолік слюдяних До. е. — мала тимчасова і температурна стабільність ємкості, особливо в До. е. з обкладаннями з фольги.

  До. е. з твердим органічним діелектриком виготовляють намотуванням довгих тонких стрічок діелектрика і фольги (обкладання); інколи застосовують обкладання у вигляді нанесеного на діелектрик шару металу (цинк, алюміній) товщиною 0,03—0,05 мкм. В паперових До. е. діелектриком служить спеціальний конденсаторний папір; ці До. е. мають відносно великі втрати, підвищену питому вартість. Ефективне використання паперових До. е. можливо при частотах до 1 Мгц. Паперові До. е. широко застосовуються в низькочастотних ланцюгах високої напруги при великій силі струму, наприклад для підвищення коефіцієнта потужності ( cos j ).

  В металлобумажних До. е. вживанням металізованих обкладань досягається велика питома ємкість (в порівнянні з паперовими До. е.), проте зменшується опір ізоляції. Металлобумажниє До. е. володіють властивістю «самовосстанавліваться» після одиничних пробоїв. Паперові і металлобумажниє До. е. не рекомендується застосовувати в ланцюгах з дуже низькою (в порівнянні з номінальним) напругою.

  В плівкових До. е. діелектриком служить синтетична плівка ( полістирол, фторопласт і ін.). Плівкові До. е. мають великі опори ізоляції, великі ТКЕ, малі втрати, відносно малу питому вартість. У комбінованих (паперово-плівкових) До. е. спільне вживання паперу і плівки збільшує опір ізоляції і напруга пробою, чому підвищується надійність До. е. Найбільшою питомою ємкістю володіють лакопленочниє До. е. з тонкими металізованими плівками. Ці До. е. по питомій ємкості наближаються до електролітичних До. е., але мають кращі електричні характеристики і допускають експлуатацію при знакозмінній напрузі.

  В електролітичних (оксидних) До. е. діелектриком є оксидна плівка, нанесена електролітичним способом на поверхню пластинки з алюмінію танталу, ніобію або титану, яка служить одному з обкладань До. е. Другим обкладанням служить рідкий, напіврідкий або пастоподібний електроліт або напівпровідник. Електролітичні До. е. володіють великою питомою ємкістю, мають великі втрати і струм витоку, малу стабільність ємкості. Найкращі по своїх електричних характеристиках — оксидно-напівпровідникові електролітичні До. е., проте їх питома вартість поки що висока. Експлуатація електролітичних До. е. можлива лише при певній полярності напруги на обкладаннях, що обмежує допустиму величину змінної складової робочої напруги. У зв'язку з цим електричні До. е., як правило, застосовують лише в ланцюгах постійного і пульсуючого струму низької частоти (до 20 кгц ) як блокувальні конденсатори, в ланцюгах розв'язки, в електричних фільтрах і т. п.

  До. е. змінній ємкості і полупеременниє виготовляються з механічно і електрично керованою ємкістю. Зміна ємкості в До. е, з механічним управлінням досягається найчастіше зміною площі його обкладань або (рідше) зміною зазору між обкладаннями. Найбільшого поширення набуло повітря До. е. змінній ємкості — дві групи паралельних пластин, з яких одна група (ротор) може переміщатися так, що її пластини заходять в зазори між пластинами ін. групи (статора). Ємкість До. е. змінюють, міняючи взаємне кутове положення пластин статора і ротора. До. е. змінній ємності з твердим діелектриком (керамічні, слюдяні, скляні, плівкові) в основному використовуються як полупеременниє (підрядкові) з відносно невеликою зміною ємкості.

  В До. е. з електричним управлінням ємкістю застосовують двох типів твердого діелектрика: сегнетоелектрік ( варіконд ) і напівпровідник з замочним шаром ( варікап, семікап і т. д.). Варіконди збільшують свою ємність із збільшенням напруги на обкладаннях. У варікапах для зміни ємкості використовується залежність ширини p — n -перехода від прикладеної напруги: із збільшенням напруги ємкість знижується унаслідок збільшення ширини p — n- переходу. Варікапи мають велику в порівнянні з варікондамі стабільність ємкості і менші втрати при високих частотах.

  Прийнята в СРСР система скорочених позначень До. е. постійній ємкості складається з чотирьох індексів: 1-й індекс (буквений) До — конденсатор; 2-й (цифровий) — група До. е. по вигляду діелектрика; 3-й (буквений) — призначення До. е. (П— для роботи в ланцюгах постійного і змінного струму, Ч — для роботи в ланцюгах змінного струму, В — для роботи в ланцюгах постійного і змінного струму і в імпульсних режимах, І — для роботи в імпульсних режимах, До. е., в яких немає індексу, — для роботи в ланцюгах постійного і пульсуючого струму); 4-й індекс — порядковий номер виконання До. е. Приклад позначення: К15І-1 — До. е. постійній ємкості, керамічний, призначений для роботи в імпульсних режимах.

  Для До. е. змінній ємності з механічним управлінням прийняті наступні позначення: два перші індекси (буквених) КТ — подстроєчниє (полупеременниє), КП — змінній ємкості; третій індекс (цифровий) позначає вигляд використовуваного діелектрика. Для До. е. з електрично керованою ємкістю застосовується позначення КН (конденсатор нелінійний); третій індекс позначає основний параметр До. е. (коефіцієнт посилення) і четвертий — призначення До. е.

Основні параметри конденсаторів постійної ємкості, що виготовляються в СРСР

* ТКЕ не вказаний для тих типів До. е., в яких зміни ємкості від температури відносно великі і нелінійні.

  Літ.: Ренне Ст Т., Електричні конденсатори, 3 видавництва, Л., 1969.

  А. Ст Кочеров.