2.1. Конденсаторы

Название "конденсатор" было введено в конце XVIII века, когда существовало представление об "электрических жидкостях" и конденсатор рассматривался как прибор для сгущения, конденсирования этих жидкостей. Сейчас это устарелое название сохраняется еще во всех языках, кроме английского, где вместо старого термина condenser уже широко применяется термин capacitor. В отечественной технической литературе распространенным термином является сочетание "емкость конденсатора", когда говорят о величине емкости.

Первые сведения о конденсаторах относятся к середине XVIII века. Эти конденсаторы представляли собой стеклянные сосуды, наполненные водой, служившей первой обкладкой и присоединяемой к электростатическому генератору. Второй обкладкой служила ладонь экспериментатора, прикладываемая ко дну стеклянного сосуда. Применение конденсатора позволяло резко усилить эффект от разряда маломощного электростатического генератора, являвшегося в то время единственным источником электроэнергии.

Приоритет в изобретении конденсатора сначала приписывали ван Мушенбро-ку, профессору Лейденского университета (Голландия). Отсюда появилось название "Лейденская банка" для стеклянного конденсатора. Однако правильнее считать изобретателем конденсатора Эвальда Георга фон Клейста, прелата собора в г. Камине (Германия) [39]. Дата изобретения конденсатора — 11 октября 1745 г. Первые сведения о появлении конденсаторов в России относятся к 1752 г. Стеклянные банки, наполненные дробью и обклеенные снаружи металлической фольгой, применялись М. В. Ломоносовым и Г. Рихтером при исследовании атмосферного электричества.

Начало технического применения конденсаторов относится к середине XIX века. В 1856 г. был выдан английский патент Исхаму Баггсу на использование разряда стеклянных конденсаторов для зажигания газовых ламп, а также для целей те-леграфирования, что можно считать первым применением конденсаторов в технике связи. В 1877 г. П. Н. Яблочкову был выдан французский патент на "систему распределения и усиления атмосферным электричеством токов, получаемых от одного источника света с целью одновременного питания нескольких светильников". Эту дату можно считать началом применения конденсаторов в силовой электротехнике.

До конца XIX века техническое использование конденсаторов имело ограниченный характер. Необходимость их широкого промышленного производства возникла только после изобретения радио в 1895 г. А. С. Поповым. В связи с быстрым развитием производства радиостанций, прежде всего для военно-морского флота, уже в первые годы XX века за рубежом возникает ряд фирм, специализирующихся на изготовлении конденсаторов.

Кроме электроники и электроэнергетики, конденсаторы применяют и в других, неэлектротехнических областях техники и промышленности, в частности, в металлообработке — в высокочастотных установках для плавки и термической обработки металлов; в электроэрозионных (электроискровых) установках; для маг-нитоимпульсной обработки металлов; в добывающей промышленности (угольной, металлорудной и т.п.) — в рудничном транспорте на конденсаторных электровозах нормальной и повышенной частоты (бесконтактных); в электровзрывных устройствах; в устройствах с использованием электрогидравлического эффекта и т.д.

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

Электрические свойства, конструкция и область применения конденсатора в максимальной степени определяются диэлектриком, разделяющим его обкладки. Поэтому конденсаторы правильнее всего классифицировать по роду диэлектрика [39].

1. Конденсаторы постоянной емкости: с газообразным диэлектриком — воздушные, газонаполненные и вакуумные; с жидким диэлектриком; с твердым неорганическим диэлектриком — стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклопленочные), слюдяные, керамические (низкочастотные и высокочастотные), тонкослойные из неорганических пленок; с твердым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, пленочные (из неполярных пленок и из полярных пленок), комбинированные — бумажнопленочные, тонкослойные из органических синтетических пленок (тонкопленочные); электролитические (ок-сидные): алюминиевые, танталовые, ниобиевые, титановые, эти конденсаторы можно также различать по типу конструкции на жидкостные, сухие, твердые (оксидно-полупроводниковые) и оксидно-металлические.

2. Конденсаторы переменной емкости: с механическим управлением величиной емкости, с газообразным диэлектриком: воздушные, газонаполненные, вакуумные; с жидким диэлектриком; с твердым диэлектриком: керамические, стеклянные, пластмассовые; с электрическим управлением величиной емкости — сегнетокерамические (вариконды) и полупроводниковые (варикапы).

3. При заданном типе диэлектрика конденсаторы можно классифицировать дополнительно по режиму работы, для которого предназначается конденсатор. При этом различают следующие основные режимы работы: 1) при постоянном или выпрямленном напряжении; 2) при переменном напряжении технической частоты 50 Гц; 3) при звуковых частотах 20...20 000 Гц; 4) при радиочастотах; 5) при импульсных режимах (при единичных импульсах или при повторяющихся импульсах постоянной или переменной полярности).

У конденсаторов, предназначенных для использования в электронной технике, в маркировке обычно указывается номинальное рабочее напряжение постоянного тока. Для силовых конденсаторов обычно указывается эффективное значение рабочего напряжения при частоте 50 Гц.

В повседневной практике применения конденсаторов пользуются следующими параметрами.

Номинальная емкость — емкость, значение которой обозначено на конденсаторе или указано в документации. Номинальные значения емкостей стандартизованы и выбираются из определенных рядов чисел. Например, согласно стандарту СЭВ 1076-78 установлены семь рядов: ЕЗ; Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192. Цифры после буквы Е указывают число номинальных значений в каждом десятичном интервале (декаде). Например, ряд Е6 содержит шесть значений номинальных емкостей в каждой декаде, которые соответствуют числам 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 или числам, по лученным путем их умножения или деления на 10°, где n — целое положительное или отрицательное число. В производстве конденсаторов чаще всего используются ряды ЕЗ, Е6, Е12 и Е24, реже — Е48, Е96 и Е182.

Фактические значения емкостей могут отличаться от номинальных в пределах допустимых отклонений. Последние указываются в процентах в соответствии с рядом:

±0,1; ±0,25; ±0,5; ±1; ±2; ±10; ±20; ±30; 0+50; -10+30; -10+50; -10+100; -20+50; -20+80. Для конденсаторов с номинальными емкостями ниже 10 пФ допускаемые отклонения указываются в абсолютных значениях: ±0,1; ± 0,25; ±0,5 и ±1 пФ.

Номинальное напряжение — значение напряжения, обозначенное на конденсаторе или указанное в документации, при котором он может работать в заданных условиях в течение установленного срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах.

Номинальное напряжение конденсаторов многих типов уменьшается с ростом температуры окружающей среды, так как с увеличением температуры, как правило, ускоряются процессы старения диэлектрика. При эксплуатации конденсаторов на переменном или постоянном токе с наложением переменной составляющей напряжения необходимо выполнять следующие условия.

1. Сумма постоянного напряжения и амплитуды переменной составляющей не должна превышать допустимого напряжения, которое указывается в документации;

2. Амплитуда переменного напряжения не должна превышать значения напряжения, рассчитанного исходя из допустимой реактивной мощности:

U=565000^P/Fc , где U — амплитуда переменного напряжения. В; Р — допустимая реактивная мощность, ВАР (вольтхампер реактивная); F — частота, Гц;

С — емкость, пФ.

Для конденсаторов с номинальным напряжением 10 кВ и менее значения номинальных напряжений устанавливаются согласно ГОСТ 9665-77 из ряда: 1; 1,6; 2,5;

3,2; 4; 6,3;10;16;20;25;32;40;50;63;80;100;125;160;200;250;315;350;400;450:

500; 630; 800; 1000; 1600; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000 В.

Под номинальным током конденсатора понимают наибольший ток, при котором конденсатор может работать в заданных условиях в течение гарантированного срока службы. Значение номинального тока зависит от конструкции конденсатора, примененных в нем материалов, частоты переменного или пульсирующего напряжения и температуры окружающей среды. При прохождении через конденсатор радиоимпульсов значение импульсного тока I, может превышать номинальный ток 1„

согласно соотношению:

, где Q — скважность импульсов,

Значение номинального тока в амперах вакуумных конденсаторов устанавливается согласно ГОСТ 14611-78 из ряда: 5; 7,5; 10; 12; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 50: 60;

75; 100; 125; 150; 200; 250; 300; 400; 500; 600; 750; 1000.

Тангенс угла потерь характеризует потери энергии в конденсаторе и определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты: tg§=Pa/Pp.

Конкретное значение тангенса угла потерь зависит от типа диэлектрика и его качества, а также от температуры окружающей среды и от частоты переменного тока, на которой он измеряется. Как правило,тангенс угла потерь имеет минимум в области комнатных температур. С ростом частоты значение тангенс угла потерь увеличивается. С течением времени, а также при эксплуатации во влажной среде значение tg5 растет и может увеличиться в несколько раз.

Электрическое сопротивление конденсатора постоянному току определенного напряжения называется сопротивлением изоляции конденсатора. Этот параметр характерен для конденсаторов с органическим и неорганическим диэлектриками. Для конденсаторов емкостью более 0,33 мкФ принято вместо сопротивления изоляции приводить значение постоянной времени, выражаемое в секундах, равное произведению сопротивления изоляции на значение номинальной емкости. Сопротивление изоляции (постоянная времени) зависит от типа диэлектрика, конструкции конденсатора и условий его эксплуатации. При длительном хранении сопротивление изоляции может уменьшиться на один-три порядка.

Ток проводимости, проходящий через конденсатор при постоянном напряжении на его обкладках в установившемся режиме, называют током утечки. Ток утечки обусловлен наличием в диэлектрике свободных носителей заряда и характеризует качество диэлектрика конденсатора. Этот параметр характерен для вакуумных и оксид-ных конденсаторов. Ток утечки в большой степени зависит от значения приложенного напряжения и времени, в течение которого оно приложено. Ток утечки измеряется через 1...5 мин после подачи на конденсатор номинального напряжения. При включении конденсатора под напряжение происходит "тренировка", т.е. постепенное уменьшение тока утечки. При длительном хранении и длительной работе ток утечки конденсаторов возрастает.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) — величина, применяемая для характеристики конденсаторов с линейной зависимостью емкости от температуры и равная относительному изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия. По значению ТКЕ керамические и некоторые другие конденсаторы разделяются на группы. Для конденсаторов с нелинейной зависимостью емкости от температуры, а также с большими уходами емкости от температуры обычно приводится относительное изменение емкости в рабочем интервале температур.

Полное сопротивление конденсатора — это сопротивление конденсатора переменному синусоидальному току определенной частоты, обусловленное наличием у реального конденсатора наряду с емкостью также активного сопротивления и индуктивности. Этот параметр обычно применяется при использовании конденсатора в СВЧ-устройствах. Наименьшей индуктивностью обладают керамические конденсаторы (1...30 нГн).

Реактивная мощность — это произведение напряжения определенной частоты, приложенного к конденсатору, на силу тока, проходящего через него, и на синус угла сдвига фаз между ними. В большинстве случаев угол сдвига фаз близок к 90°, поэтому приближенно Pp=2л/(CU2). Понятие реактивной мощности введено для высокочастотных и особенно высоковольтных конденсаторов и используется для установления допустимых электрических режимов эксплуатации. При этом в области низких частот ограничения определяются допустимой амплитудой напряжения переменного тока, а на высоких частотах — допустимой реактивной мощностью конденсатора.

Вносимое затухание и сопротивление связи — это величины, характеризующие способность помехоподавляющих конденсаторов и фильтров подавлять помехи переменного тока заданной частоты. Вносимое затухание (А) пропорционально лога рифму отношения напряжений, измеренных на нагрузке электрической цепи до (U1) и после (U2) включения конденсатора или фильтра в эту цепь: A=201g(Ul/U2).

Сопротивление связи R. определяется как отношение напряжения на выходе помехоподавляющего конденсатора Uвх к его входному току Iвх т.е. Re=Uвх/вх. Понятие сопротивления связи введено для 3- и 4-выводных конденсаторов.

Вносимое затухание и сопротивление связи зависят от частоты переменного тока, емкости, индуктивности, добротности и конструкции конденсаторов и фильтров, а также от выходного сопротивления генератора и сопротивления нагрузки.

Подстроенные и переменные конденсаторы имеют дополнительные параметры, учитывающие особенности их функционального назначения и конструктивного исполнения. Вместо параметра номинальная емкость используются параметры максимальная и минимальная емкости, которое могут быть получены при перемещении его подвижной системы. Специфичными параметрами подстроечных и переменных конденсаторов являются момент вращения, скорость перестройки емкости и износоустойчивость.

К подстроечным конденсаторам с электрическим управлением относятся сег-нетоэлектрические и полупроводниковые. Для управления емкостью сегнетоэлект-рических конденсаторов (варикондов) используется характерная для спонтанной поляризации зависимость диэлектрической проницаемости от приложенного к обкладкам конденсатора напряжения. Для управления емкостью полупроводниковых конденсаторов (варикапов) используется зависимость емкости р—га-перехода от напряжения.

Поскольку при спонтанной поляризации диэлектрическая проницаемость может достигать огромных значений, порядка 10000 и даже выше, то для варикондов характерны большие значения емкости при малых размерах конденсаторов. Для полупроводников — кремния и германия — она существенно меньше, порядка 11...15, поэтому верхний предел емкости у полупроводниковых конденсаторов заметно ниже, чем у варикондов, и обычно не превышает десятков пикофарад, реже достигает нескольких сотен. Однако варикоды обладают существенными недостатками (сильная температурная зависимость, временная нестабильность, низкая добротность — около 25 в лучшем случае). Тем не менее сегнетоэлектрические конденсаторы нашли применение в диэлектрических усилителях, умножителях частоты, стабилизаторах напряжения и т.д.

Полупроводниковые конденсаторы, уступая сегнетоэлектрическим по величине номинальной емкости, имеют улучшенную стабильность емкости (при заданном значении напряжения) как во времени, так и при изменении температуры. Добротность этих конденсаторов также повышена и в определенной области частот может превышать 1000, составляя не ниже 25... 50 при частотах порядка десятков мегагерц. Хотя по величине добротности и стабильности емкости эти конденсаторы уступают воздушным, однако они обладают значительно меньшими размерами и весом, а также повышенной надежностью, что позволяет использовать их в разнообразной аппаратуре для автоматической настройки и подстройки частоты, фазы и т.п. Наряду с этим полупроводниковые конденсаторы могут применяться и во многих других случаях, где требуется емкость, зависящая от напряжения, конкурируя с сегнетокерамическими конденсаторами особенно успешно при небольших значениях емкости и в тех случаях, когда к ее стабильности предъявляются повышенные требования, а также когда нужны пониженные потери.