Введение в электронику. Конденсаторы. Виды и параметры конденсаторов
Конденсатором называется элемент электрической цепи, служащий в качестве накопителя заряда.
Областей применения этого устройства сейчас много, чем и обусловлен их большой ассортимент. Они различаются по материалам, из которых изготовлены, назначению, диапазону основного параметра. Но главной характеристикой конденсатора является его емкость.
Принцип работы конденсатора
Конструкция
На схемах конденсатор обозначается в виде двух параллельных линий, не связанных между собой:
Это соответствует его простейшей конструкции - двум пластинам (обкладкам), разделенным диэлектриком. Фактическое исполнение этого изделия чаще всего представляет собой завернутые в рулон обкладки с прослойкой диэлектрика или иные причудливые формы, но суть остается той же самой.
Электрическая ёмкость – способность проводника накапливать электрические заряды. Чем больше заряд вмещает проводник при данной разности потенциалов, тем больше ёмкость. Зависимость между зарядом Q и потенциалом φ выражается формулой:
где Q — заряд в кулонах (Кл), φ — потенциал в вольтах (В).
Емкость измеряется в фарадах (Ф), что вы помните еще с уроков физики. На практике чаще встречаются более мелкие единицы: миллифарад (мФ), микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ), пикофарад (пФ).
Накопительная способность зависит от геометрических параметров проводника, диэлектрической проницаемости среды, где он находится. Так, для сферы из проводящего материала она будет выражаться формулой:
C=4πεε0R
где ε0-8,854·10^−12 Ф/м, электрическая постоянная, а ε — диэлектрическая проницаемость среды (табличная величина для каждого вещества).
В реальной жизни нам чаще приходится иметь дело не с одним проводником, а с системами таковых. Так, в обычном плоском конденсаторе емкость будет прямо пропорциональна площади пластин и обратно - расстоянию между ними:
C=εε0S/d
ε здесь - диэлектрическая проницаемость прокладки между пластинами.
Емкость параллельных и последовательных систем
Параллельное соединение емкостей представляет собой один большой конденсатор с тем же слоем диэлектрика и суммарной площадью пластин, поэтому общая емкость системы представляет собой сумму таковых у каждого из элементов. Напряжение при параллельном соединении будет одним и тем же, а заряд распределится между элементами схемы.
C=C1+C2+C3
Последовательное соединение конденсаторов характеризуется общим зарядом и распределенным напряжением между элементами. Поэтому суммируется не емкость, а обратная ей величина:
1/C=1/С1+1/С2+1/С3
Из формулы емкости одиночного конденсатора можно вывести, что при одинаковых элементах, соединенных последовательно, их можно представить в виде одного большого с той же площадью обкладки, но с суммарной толщиной диэлектрика.
Реактивное сопротивление
Конденсатор не может проводить постоянный ток, что видно из его конструкции. В такой цепи он может только заряжаться. Зато в цепях переменного тока он прекрасно работает, постоянно перезаряжаясь. Если не ограничения, исходящие из свойств диэлектрика (его можно пробить при превышении предела напряжения), этот элемент заряжался бы бесконечно (т. н. идеальный конденсатор, что-то вроде абсолютно черного тела и идеального газа) в цепи постоянного тока, а ток через него проходить не будет. Проще говоря, сопротивление конденсатора в цепи постоянного тока бесконечно.
При переменном токе ситуация иная: чем выше частота в цепи, тем меньше сопротивление элемента. Такое сопротивление называется реактивным, и оно обратно пропорционально частоте и емкости:
Z=1/2πfC
где f — частота в герцах.
Накопитель энергии
Энергия, запасенная заряженным конденсатором, может быть выражена формулой:
E=(CU^2)/2=(q^2)/2C
где U — напряжение между обкладками, а q — накопленный заряд.
Конденсатор в колебательном контуре
В замкнутом контуре, содержащем катушку и конденсатор, может быть сгенерирован переменный ток.
После зарядки конденсатора он начнет саморазряжаться, давая возрастающий по силе ток. Энергия разряженного конденсатора станет равной нулю, зато магнитная энергия катушки - максимальной. Изменение величины тока вызывает ЭДС самоиндукции катушки, и она по инерции пропустит ток в сторону второй обкладки, пока та полностью не зарядится. В идеальном случае такие колебания бесконечны, а в реальности они быстро затухают. Частота колебаний зависит от параметров как катушки, так и конденсатора:
где L — индуктивность катушки.
Конденсатор может обладать собственной индуктивностью, что можно наблюдать при повышении частоты тока в цепи. В идеальном случае эта величина незначительна, и ей можно пренебречь, но в реальности, когда обкладки представляют собой свернутые пластинки, не считаться с этим параметром нельзя, особенно если речь идет о высоких частотах. В таких случаях конденсатор совмещает в себе две функции, и представляет собой своеобразный колебательный контур с собственной резонансной частотой.
Эксплуатационные характеристики
Помимо указанных выше емкости, собственной индуктивности и энергоемкости, реальные конденсаторы (а не идеальные) обладают еще рядом свойств, которые нужно учитывать при выборе этого элемента для цепи. К ним относятся:
Чтобы понять, откуда берутся потери, необходимо разъяснить, что представляют собой графики синусоидальных тока и напряжения в этом элементе. Когда конденсатор заряжен максимально, ток в его обкладках равен нулю. Соответственно, когда ток максимален, напряжение отсутствует. То есть напряжение и ток сдвинуты по фазе на угол 90 градусов. В идеале конденсатор обладает только реактивной мощностью:
Q=UIsin 90
В реальности же обкладки конденсатора обладают собственным сопротивлением, а часть энергии расходуется на нагрев диэлектрика, что обуславливает ее потери. Чаще всего они незначительны, но иногда ими пренебрегать нельзя. Основной характеристикой этого явления служит тангенс угла диэлектрических потерь, представляющий собой отношение активной мощности (даваемой малыми потерями в диэлектрике) и реактивной. Измерить эту величину можно теоретически, представив реальную емкость в виде эквивалентной схемы замещения - параллельной или последовательной.
Определение тангенса угла диэлектрических потерь
При параллельном соединении величина потерь определяется отношением токов:
tgδ = Ir/Ic = 1/(ωCR)
В случае последовательного соединения угол вычисляется соотношением напряжений:
tgδ = Ur/Uc = ωCR
В реальности для замеров tgδ пользуются прибором, собранным по мостовой схеме. Его применяют для диагностики потерь в изоляции у высоковольтного оборудования. С помощью измерительных мостов можно измерять и другие параметры сетей.
Номинальное напряжение
Этот параметр указывается на маркировке. Он показывает предельную величину напряжения, которое может быть подано на обкладки. Превышение номинала может привести к пробою конденсатора и выходу его из строя. Зависит этот параметр от свойств диэлектрика и его толщины.
Полярность
Некоторые конденсаторы имеют полярность, то есть в схему его необходимо подключать строго определенным образом. Связано это с тем, что в качестве одной из обкладок используется какой-либо электролит, а диэлектриком служит оксидная пленка на другом электроде. При изменении полярности электролит просто разрушает пленку и конденсатор перестает работать.
Температурный коэффициент емкости
Он выражается отношением ΔC/CΔT где ΔT — изменение температуры окружающей среды. Чаще всего эта зависимость линейна и незначительна, но для конденсаторов, работающих в агрессивных условиях, ТКЕ указывается в виде графика.
Выход конденсатора из строя обусловлен двумя основными причинами - пробоем и перегревом. И если в случае пробоя некоторые их виды способны к самовосстановлению, то перегрев со временем приводит к разрушению.
Перегрев обусловлен как внешними причинами (нагреванием соседних элементов схемы), так и внутренними, в частности, последовательным эквивалентным сопротивлением обкладок. В электролитических конденсаторах он приводит к испарению электролита, а в оксиднополупроводниковых - к пробою и химической реакции между танталом и оксидом марганца.
Опасность разрушения в том, что часто оно происходит с вероятностью взрыва корпуса.
Техническое исполнение конденсаторов
Классифицировать конденсаторы можно по нескольким группам. Так, в зависимости от возможности регулировать емкость их разделяют на постоянные, переменные и подстроечные. По своей форме они могут быть цилиндрическими, сферическими и плоскими. Можно делить их по назначению. Но самой распространенной классификацией является таковая по типу диэлектрика.
Бумажные конденсаторы
В качестве диэлектрика используется бумага, очень часто — промасленная. Как правило, такие конденсаторы отличает большой размер, но были варианты и в небольшом исполнении, без промасливания. Используются в качестве стабилизирующих и накопительных устройств, а из бытовой электроники постепенно вытесняются более современными пленочными моделями.
При отсутствии промасливания имеют существенный недостаток - реагируют на влажность воздуха даже при герметичной упаковке. Промокшая бумага увеличивает энергопотери.
Диэлектрик в виде органических пленок
Пленки могут быть выполнены из органических полимеров, таких как:
- полиэтилентерифталат;
- полиамид;
- поликарбонат;
- полисульфон;
- полипропилен;
- полистирол;
- фторопласт (политетрафторэтилен).
По сравнению с предыдущими, такие конденсаторы имеют более компактные размеры, не увеличивают диэлектрические потери при увеличении влажности, но многие из них подвергаются риску выхода из строя при перегреве, а те, что этого недостатка лишены, отличаются более высокой стоимостью.
Твердый неорганический диэлектрик
Это может быть слюда, стекло и керамика.
Преимуществом этих конденсаторов считается их стабильность и линейность зависимости емкости от температуры, приложенного напряжения, а у некоторых - даже от радиации. Но иногда сама такая зависимость становится проблемой, и чем она менее выражена, тем дороже изделие.
Оксидный диэлектрик
С ним выпускаются алюминиевые, твердотельные и танталовые конденсаторы. Они имеют полярность, поэтому выходят из строя при неправильном подключении и превышении номинала напряжения. Но при этом они обладают хорошей емкостью, компактны и стабильны в работе. При правильной эксплуатации могут работать около 50 тыс. часов.
Вакуум
Такие устройства представляют собой стеклянную или керамическую колбу с двумя электродами, откуда выкачан воздух. В них практически отсутствуют потери, но малая емкость и хрупкость ограничивают сферу их применения радиостанциями, где величина емкости не так важна, а вот устойчивость к нагреву имеет принципиальное значение.
Двойной электрический слой
Если посмотреть, для чего нужен конденсатор, то можно понять, что этот тип - не совсем он. Скорее, это дополнительный или резервный источник питания, в качестве чего они и используются. Одни категория таких устройств - ионисторы - содержат в себе активированный уголь и слой электролита, другие работают на ионах лития. Емкость этих приборов может составлять до сотен фарад. К их недостаткам можно отнести высокую стоимость и активное сопротивление с токами утечки.
Каким бы ни был конденсатор, есть два обязательным параметра, которые должны быть отражены в маркировке - это его емкость и номинальное напряжение.
Помимо этого, на большинстве из них существует цифро-буквенное обозначение его характеристик. В соответствии с российскими стандартами конденсаторы маркируются четырьмя знаками.
Первая буква К означает «конденсатор», следующая цифра - вид диэлектрика, далее следует указатель назначения в виде буквы; последний значок может означать как тип конструкции, так и номер разработки, это уже зависит от завода-изготовителя. Третий пункт часто пропускается. Используется такая маркировка на достаточно крупных изделиях, где ее можно разместить. По ГОСТ расшифровка будет выглядеть так:
Первые буквы:
- К - конденсатор постоянной емкости.
- КТ - подстроечник.
- КП - конденсатор переменной емкости.
Вторая группа - тип диэлектрика:
На маленьких конденсаторах всего этого не разместить, поэтому там применяется сокращенная маркировка, которая с непривычки может даже потребовать калькулятора, а иногда - лупу. В этой маркировке зашифрованы емкость, номинал напряжения и отклонения от основного параметра. Остальные параметры наносить нет смысла: это, как правило, керамические конденсаторы.
Маркировка керамических конденсаторов
Иногда с ними все просто - емкость отмечена числом и единицами: pF - пикофарад, nF - нанофарад, μF — микрофарад, mF - миллифарад. То есть, надпись 100nF можно читать прямо. Номинал, соответственно, числом и буквой V. Но иногда не умещается и это, потому применяют сокращения. Так, часто емкость умещается в трех цифрах (103, 109 и т. д.), где последняя означает число нулей, а первые две - емкость в пикофарадах. Если в конце стоит цифра 9, значит, нулей нет, а между первыми двумя ставят запятую. При цифре 8 на конце запятую переносят еще на один знак назад.
Например, обозначение 109 расшифровывается как 1 пикофарад, а 100–10 пикофарад; 681–680 пикофарад, или 0,68 нанофарад, а 104- 100 тыс. пФ или 100нФ
Часто можно встретить первую букву единицы измерения в качестве запятой: p50–0,5 пФ, 1n5–1,5 нФ, 15μ – 15 мкФ, 15m – 15 мФ. Иногда вместо p пишется R.
После трех цифр может стоять буква, означающая разброс параметра емкости:
Если вы высчитываете характеристику цепи в единицах СИ, то для того, чтобы найти емкость в фарадах, необходимо помнить показатели степеней числа 10:
- -3 — миллифарады;
- -6 — микрофарады;
- -9 — нанофарады;
- -12 — пикофарады.
Таким образом, 01 пФ - это 0,1 *10^-12 Ф.
На устройствах SMD емкость в пикофарадах обозначает буква, а цифра после нее - степень 10, на которую надо умножить это значение.
| буква | C | буква | C | буква | C | буква | C |
| A | 1 | J | 2,2 | S | 4,7 | a | 2,5 |
| B | 1,1 | K | 2,4 | T | 5,1 | b | 3,5 |
| C | 1,2 | L | 2,7 | U | 5,6 | d | 4 |
| D | 1,3 | M | 3 | V | 6,2 | e | 4,5 |
| E | 1,5 | N | 3,3 | W | 6,8 | f | 5 |
| F | 1,6 | P | 3,6 | X | 7,5 | m | 6 |
| G | 1,8 | Q | 3,9 | Y | 8,2 | n | 7 |
| Y | 2 | R | 4,3 | Z | 9,1 | t | 8 |
Номинальное рабочее напряжение таким же образом может маркироваться буквой, если полностью его написать проблематично. В России принят следующий стандарт буквенного обозначения номинала:
| буква | V | буква | V |
| I | 1 | K | 63 |
| R | 1,6 | L | 80 |
| M | 2,5 | N | 100 |
| A | 3,2 | P | 125 |
| C | 4 | Q | 160 |
| B | 6,3 | Z | 200 |
| D | 10 | W | 250 |
| E | 16 | X | 315 |
| F | 20 | T | 350 |
| G | 25 | Y | 400 |
| H | 32 | U | 450 |
| S | 40 | V | 500 |
| J | 50 |
Несмотря на списки и таблицы, лучше все-таки изучить кодировку конкретного производителя - в разных странах они могут отличаться.
К некоторым конденсаторам прилагается более развернутое описание их характеристик.
Конденсатор представляет собой устройство, способное накапливать электрические заряды. Простейшим конденсатором являются две металлические пластины (электроды), разделенные каким-либо диэлектриком. Конденсатор 2 можно зарядить, если соединить его электроды с источником 1 электрической энергии постоянного тока (рис. 181, а).
При заряде конденсатора свободные электроны, имеющиеся на одном из его электродов, устремляются к положительному полюсу источника, вследствие чего этот электрод становится положительно заряженным. Электроны с отрицательного полюса источника устремляются ко второму электроду и создают на нем избыток электронов, поэтому он становится отрицательно заряженным. В результате протекания зарядного тока i3 на обоих электродах конденсатора образуются равные, но противоположные по знаку заряды и между ними возникает электрическое поле, создающее между электродами конденсатора определенную разность потенциалов. Когда эта разность потенциалов станет равной напряжению источника тока, движение электронов в цепи конденсатора, т. е. прохождение по ней тока i3 прекращается. Этот момент соответствует окончанию процесса заряда конденсатора.
При отключении от источника (рис. 181,б) конденсатор способен длительное время сохранять накопленные электрические заряды. Заряженный конденсатор является источником электрической энергии, имеющим некоторую э. д. с. ес. Если соединить электроды заряженного конденсатора каким-либо проводником (рис. 181, в), то конденсатор начнет разряжаться. При этом по цепи пойдет ток iр разряда конденсатора. Начнет уменьшаться и разность потенциалов между электродами, т. е. конденсатор будет отдавать накопленную электрическую энергию во внешнюю цепь. В тот момент, когда количество свободных электронов на каждом электроде конденсатора станет одинаковым, электрическое поле между электродами исчезнет и ток станет равным нулю. Это означает, что произошел полный разряд конденсатора, т. е. он отдал накопленную им электрическую энергию.
Емкость конденсатора. Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрические заряды характеризуется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше накопленный им заряд, так же как с увеличением вместимости сосуда или газового баллона увеличивается объем жидкости или газа в нем.
Емкость С конденсатора определяется как отношение заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его электродами (приложенному напряжению)U:
C = q / U (69)
Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает конденсатор, у которого при сообщении заряда
в 1 Кл разность потенциалов возрастает на 1 В. В практике преимущественно пользуются более мелкими единицами: микрофарадой (1 мкФ=10 -6 Ф), пикофарадой (1 пФ = 10 -12 мкФ).
Емкость конденсатора зависит от формы и размеров его электродов, их взаимного расположения и свойств диэлектрика, разделяющего электроды. Различают плоские конденсаторы, электродами которых служат плоские параллельные пластины (рис. 182, а), и цилиндрические (рис. 182,б).
Свойствами конденсатора обладают не только специально изготовленные на заводе устройства, но и любые два проводника, разделенные диэлектриком. Емкость их оказывает существенное влияние на работу электротехнических установок при переменном токе. Например, конденсаторами с определенной емкостью являются два электрических провода, провод и земля (рис. 183, а), жилы электрического кабеля, жилы и металлическая оболочка кабеля (рис. 183,6).
Устройство конденсаторов и их применение в технике. В зависимости от применяемого диэлектрика конденсаторы бывают бумажными, слюдяными, воздушными (рис. 184). Используя в качестве диэлектрика вместо воздуха слюду, бумагу, керамику и другие материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, удается при тех же размерах конденсатора увеличить в несколько раз его емкость. Для того чтобы увеличить площади электродов конденсатора, его делают обычно многослойным.
В электротехнических установках переменного тока обычно применяют силовые конденсаторы. В них электродами служат длинные полосы из алюминиевой, свинцовой или медной фольги, разделенные несколькими слоями специальной (конденсаторной) бумаги, пропитанной нефтяными маслами или синтетическими пропитывающими жидкостями. Ленты фольги 2 и бумаги 1 сматывают в рулоны (рис. 185), сушат, пропитывают парафином и помещают в виде одной или нескольких секций в металлический или картонный корпус. Необходимое рабочее напряжение конденсатора обеспечивается последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединениями отдельных секций.
Всякий конденсатор характеризуется не только значением емкости, но и значением напряжения, которое выдерживает его диэлектрик. При слишком больших напряжениях электроны диэлектрика отрываются от атомов, диэлектрик начинает проводить ток и металлические электроды конденсатора замыкаются накоротко (конденсатор пробивается). Напряжение, при котором это происходит, называют пробивным. Напряжение, при котором конденсатор может надежно работать неограниченно долгое время, называют рабочим. Оно в несколько раз меньше пробивного.
Конденсаторы широко применяют в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе. На э. п. с. и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для созда-
ния симметричного трехфазного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин. В радиотехнике конденсаторы служат для создания высокочастотных электромагнитных колебаний, разделения электрических цепей постоянного и переменного тока и др.
В цепях постоянного тока часто устанавливают электролитические конденсаторы. Их изготовляют из двух скатанных в рулон тонких алюминиевых лент 3 и 5 (рис. 185,б), между которыми проложена бумага 4, пропитанная специальным электролитом (раствор борной кислоты с аммиаком в глицерине). Алюминиевую ленту 3 покрывают тонкой пленкой окиси алюминия; эта пленка образует диэлектрик, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью. Электродами конденсатора служат лента 3, покрытая окисной пленкой, и электролит; вторая лента 5 предназначена лишь для создания электрического контакта с электролитом. Конденсатор помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.
При включении электролитического конденсатора в цепь постоянного тока необходимо строго соблюдать полярность его полюсов; электрод, покрытый окисной пленкой, должен быть соединен с положительным полюсом источника тока. При неправильном включении диэлектрик пробивается. По этой причине электролитические конденсаторы нельзя включать в цепи переменного тока. Их нельзя также использовать в устройствах, работающих при высоких напряжениях, так как окисная пленка имеет сравнительно небольшую электрическую прочность.
В радиотехнических устройствах применяют также конденсаторы переменной емкости (рис. 186). Такой конденсатор состоит из двух групп пластин: неподвижных 2 и подвижных 3, разделенных воздушными промежутками. Подвижные пластины могут перемещаться относительно неподвижных; при повороте оси 1 конденсатора изменяется площадь взаимного перекрытия пластин, а следовательно, и емкость конденсатора.
Способы соединения конденсаторов . Конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно. При последовательном
соединении нескольких (например, трех), конденсаторов (рис. 187, а) эквивалентная емкость
1 /C эк = 1 /C 1 + 1 /C 2 + 1 /C 3
эквивалентное емкостное сопротивление
X C эк = X C 1 + X C 2 + X C 3
результирующее емкостное сопротивление
C эк = C 1 + C 2 + C 3
При параллельном соединении конденсаторов (рис. 187,б) их результирующая емкость
1 /X C эк = 1 /X C 1 + 1 /X C 2 + 1 /X C 3
Включение и отключение цепей постоянного тока с конденсатором. При подключении цепи R-C к источнику постоянного тока и при разряде конденсатора на резистор также возникает переходный процесс с апериодическим изменением тока i и напряжения u c При подключении к источнику постоянного тока цепи R-C выключателем В1 (рис. 188,а) происходит заряд конденсатора. В начальный момент зарядный ток I нач =U /R. Но по мере накопления зарядов на электродах конденсатора напряжение его и с будет возрастать, а ток уменьшаться (рис. 188,б). Если сопротивление R мало, то в начальный момент подключения конденсатора возникает большой екачок тока, значительно превышающий номинальный ток данной цепи. При разряде конденсатора на резистор R (размыкается выключатель В1 на рис. 189, а) напряжение на конденсаторе u с и ток i постепенно уменьшаются до нуля (рис. 189,б).
Скорость изменения тока i и напряжения ис при переходном процессе отделяется постоянной времени
Чем больше R и С, тем медленнее происходит заряд конденсатора.
Процессы заряда и разряда конденсатора широко используют в электронике и автоматике. С помощью их получают периодаческие несинусоидальные колебания, называемые релаксационными , и, в частности, пилообразное напряжение, необходимое для работы систем управления тиристорами, осциллографов и других устройств. Для получения пилообразного напряжения (рис. 190) периодически подключают конденсатор к источнику питания, а затем к разрядному резистору. Периоды Т 1 и T 2 , соответствующие заряду и разряду конденсатора, определяются постоянными времени цепей заряда Т 3 и разряда Т р, т. е. сопротивлениями резисторов, включенных в эти цепи.
Э лектрические конденсаторы служат для накопления электроэнергии. Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин - обкладок и диэлектрика находящегося между ними. Если к конденсатору подключить источник питания, то на обкладках возникнут разноименные заряды и появится электрическое поле притягивающее их на встречу, друг к другу. Эти заряды остаются после отключения источника питания, энергия сохраняется в электрическом поле между обкладками.
| Параметр конденсатора | Тип конденсатора | ||
| Керамический | Электролитический | На основе металлизированной пленки | |
| От 2,2 пФ до 10 нФ | От 100 нФ до 68000 мкФ | 1 мкФ до 16 мкФ | |
| ± 10 и ±20 | ±10 и ±50 | ±20 | |
| 50 - 250 | 6,3 - 400 | 250 - 600 | |
| Стабильность конденсатора | Достаточная | Плохая | Достаточная |
| От -85 до +85 | От -40 до +85 | От -25 до +85 | |
В керамических конденсаторах диэлектриком является высококачественная керамика: ультрафарфор,тиконд,ультрастеатит и др. Обкладкой служит слой серебра, нанесенный на поверхность. Керамические конденсаторы применяются в разделительных цепях усилителей высокой частоты.
В электролитических полярных конденсаторах диэлектриком служит слой оксида, нанесенный на металлическую фольгу. Другая обкладка образуется из пропитанной электролитом бумажной ленты.
В твердотельных оксидных конденсаторах жидкий диэлектрик заменен специальным токопроводящим полимером. Это позволяет увеличить срок службы(и надежность). Недостатками твердотельных оксидных конденсаторов являются более высокая цена и ограничения по напряжению(до 35 в).
Оксидные электролитические и твердотельные конденсаторы отличаются большой емкостью, при относительно малых размерах. Эта их особенность определяется тем, что толщина оксида - диэлектрика очень мала.
При включении оксидных конденсаторов в цепь, необходимо соблюдать полярность. В случае нарушения полярности, электролитические конденсаторы взрываются, твердотельные - просто выходят из строя. Что бы полностью избежать возможности взрыва(у электролитических конденсаторов), некоторые модели снабжаются предохранительными клапанами(отсутствуют у твердотельных). Область применения оксидных (электролитических и твердотельных) конденсаторов - разделительные цепи усилителей звуковой частоты, сглаживающие фильтры источников питания постоянного тока.
Конденсаторы на основе металлизированной пленки применяются в высоковольтных источниках электропитания.
Таблица 2.
Характеристики слюдяных конденсаторов и конденсаторов на основе
полиэстера и полипропилена.
| Параметр конденсатора | Тип конденсатора | ||
| Слюдяной | На основе полиэстера | На основе полипропилена | |
| Диапазон изменения емкости конденсаторов | От 2,2 пФ до 10 нФ | От 10 нФ до 2,2 мкФ | От 1 нФ до 470 нФ |
| Точность (возможный разброс значений емкости конденсатора), % | ± 1 | ± 20 | ± 20 |
| Рабочее напряжение конденсаторов, В | 350 | 250 | 1000 |
| Стабильность конденсатора | Отличная | Хорошая | Хорошая |
| Диапазон изменения температуры окружающей среды, о С | От -40 до +85 | От -40 до +100 | От -55 до +100 |
Слюдяные конденсаторы изготавливаются путем прокладывания между обкладками из фольги слюдяных пластин, или наоборот - металлизацией слюдяных пластин. Слюдяные конденсаторы находят применение в звуковоспроизводящих устройствах, фильтрах высокочастотных помех и генераторах. Конденсаторы на основе полиэстера - это конденсаторы общего назначения, а конденсаторы на основе полипропилена применяются в высоковольтных цепях постоянного тока.
Таблица 3.
Характеристики слюдяных конденсаторов на основе поликарбоната, полистирена
и тантала.
|
Параметр конденсатора |
Тип конденсатора |
||
|
На основе поликарбоната |
На основе полистирена |
На основе тантала |
|
| Диапазон изменения емкости конденсаторов | От 10 нФ до 10 мкФ | От 10 пФ до 10 нФ | От 100 нФ до 100 мкФ |
| Точность (возможный разброс значений емкости конденсатора), % | ± 20 | ± 2,5 | ± 20 |
| Рабочее напряжение конденсаторов, В | 63 - 630 | 160 | 6,3 - 35 |
| Стабильность конденсатора | Отличная | Хорошая | Достаточная |
| Диапазон изменения температуры окружающей среды, о С | От -55 до +100 | От -40 до +70 | От -55 до +85 |
Конденсаторы на основе поликарбоната используются
в фильтрах, генераторах и времязадающих цепях.
Конденсаторы на основе полистирена и тантала используются тоже, во времязадающих
и разделительных цепях. Они считаются конденсаторами общего назначения.
В металлобумажных конденсаторах общего назначения, обкладки изготавливаются
путем напыления металла на бумагу пропитанную специальным составом и покрытые тонким
слоем лака.
| Код | Емкость(пФ) | Емкость(нФ) | Емкость(мкФ) |
| 109 | 1,0(пФ) | 0,001(нФ) | 0,000001(мкФ) |
| 159 | 1,5(пФ) | 0,0015(нФ) | 0,0000015(мкФ) |
| 229 | 2,2(пФ) | 0,0022(нФ) | 0,0000022(мкФ) |
| 339 | 3,3(пФ) | 0,0033(нФ) | 0,0000033(мкФ) |
| 479 | 4,7(пФ) | 0,0047(нФ) | 0,0000047(мкФ) |
| 689 | 6,8(пФ) | 0,0068(нФ) | 0,0000068(мкФ) |
| 100 | 10(пФ) | 0,01(нФ) | 0,00001(мкФ) |
| 150 | 15(пФ) | 0,015(нФ) | 0,000015(мкФ) |
| 220 | 22(пФ) | 0,022(нФ) | 0,000022(мкФ) |
| 330 | 33(пФ) | 0,033(нФ) | 0,000033(мкФ) |
| 470 | 47(пФ) | 0,047(нФ) | 0,000047(мкФ) |
| 680 | 68(пФ) | 0,068(нФ) | 0,000068(мкФ) |
| 101 | 100(пФ) | 0,1(нФ) | 0,0001(мкФ) |
| 151 | 150(пФ) | 0,15(нФ) | 0,00015(мкФ) |
| 221 | 220(пФ) | 0,22(нФ) | 0,00022(мкФ) |
| 331 | 330(пФ) | 0,33(нФ) | 0,00033(мкФ) |
| 471 | 470(пФ) | 0,47(нФ) | 0,00047(мкФ) |
| 681 | 680(пФ) | 0,68(нФ) | 0,00068(мкФ) |
| 102 | 1000(пФ) | 1(нФ) | 0,001(мкФ) |
| 152 | 1500(пФ) | 1,5(нФ) | 0,0015(мкФ) |
| 222 | 2200(пФ) | 2,2(нФ) | 0,0022(мкФ) |
| 332 | 3300(пФ) | 3,3(нФ) | 0,0033(мкФ) |
| 472 | 4700(пФ) | 4,7(нФ) | 0,0047(мкФ) |
| 682 | 6800(пФ) | 6,8(нФ) | 0,0068(мкФ) |
| 103 | 10000(пФ) | 10(нФ) | 0,01(мкФ) |
| 153 | 15000(пФ) | 15(нФ) | 0,015(мкФ) |
| 223 | 22000(пФ) | 22(нФ) | 0,022(мкФ) |
| 333 | 33000(пФ) | 33(нФ) | 0,033(мкФ) |
| 473 | 47000(пФ) | 47(нФ) | 0,047(мкФ) |
| 683 | 68000(пФ) | 68(нФ) | 0,068(мкФ) |
| 104 | 100000(пФ) | 100(нФ) | 0,1(мкФ) |
| 154 | 150000(пФ) | 150(нФ) | 0,15(мкФ) |
| 224 | 220000(пФ) | 220(нФ) | 0,22(мкФ) |
| 334 | 330000(пФ) | 330(нФ) | 0,33(мкФ) |
| 474 | 470000(пФ) | 470(нФ) | 0,47(мкФ) |
| 684 | 680000(пФ) | 680(нФ) | 0,68(мкФ) |
| 105 | 1000000(пФ) | 1000(нФ) | 1,0(мкФ) |
2. Второй вариант - маркировка производится не в пико, а в микрофарадах, причем вместо десятичной точки ставиться буква µ.
3.Третий вариант.
У советских конденсаторов вместо латинской "р" ставилось "п".
Допустимое отклонение номинальной емкости маркируется буквенно, часто буква следует за кодом определяющим
емкость(той же строкой).
Конденсаторы с линейной зависимостью от температуры.
| ТКЕ(ppm/²C) | Буквенный код |
| 100(+130....-49) | A |
| 33 | N |
| 0(+30....-47) | C |
| -33(+30....-80) | H |
| -75(+30....-80) | L |
| -150(+30....-105) | P |
| -220(+30....-120) | R |
| -330(+60....-180) | S |
| -470(+60....-210) | T |
| -750(+120....-330) | U |
| -500(-250....-670) | V |
| -2200 | K |
Далее следует напряжение в вольтах, чаще всего - в виде обычного числа.
Например, конденсатор на этой картинке промаркирован двумя строчками. Первая(104J) - означает, что его емкость составляет 0,1мкФ(104), допустимое
отклонение емкости не превышает ± 5%(J). Вторая(100V) - напряжение в вольтах.
| Напряжение (В) | Буквеный код |
| 1 | I |
| 1,6 | R |
| 3,2 | A |
| 4 | C |
| 6,3 | B |
| 10 | D |
| 16 | E |
| 20 | F |
| 25 | G |
| 32 | H |
| 40 | C |
| 50 | J |
| 63 | K |
| 80 | L |
| 100 | N |
| 125 | P |
| 160 | Q |
| 200 | Z |
| 250 | W |
| 315 | X |
| 400 | Y |
| 450 | U |
| 500 | V |
Маркировка СМД (SMD) конденсаторов.
Размеры СМД конденсаторов невелики, поэтому маркировка их производится весьма лаконично.
Рабочее напряжение нередко кодируется буквой(2-й и 3-й варианты на рисунке ниже) в соответствии с (вариант 2 на рисунке), либо с использованием двухзначного
буквенно-цифровой кода(вариант 1 на рисунке). При использовании последнего, на корпусе можно обнаружить таки две(а не одну букву) с одной цифрой(вариант 3 на рисунке).
Первая буква может является как кодом изготовителя(что не всегда интересно), так и указываеть на номинальное рабочее напряжение(более полезная информация), вторая - закодированным значением
в пикоФарадах(мантиссой). Цифра - показатель степени(указывает сколько нулей необходимо добавить к мантиссе).
Например EA3 может означать, что номинальное напряжение конденсатора 16в(E) а емкость - 1,0 *1000 = 1 нанофарада,
BF5 соответсвенно, напряжение 6,3в(В), емкость - 1,6* 100000 = 0,1 микрофарад и.т.д.
| Буква | Мантисса. |
| A | 1,0 |
| B | 1,1 |
| C | 1,2 |
| D | 1,3 |
| E | 1,5 |
| F | 1,6 |
| G | 1,8 |
| H | 2,0 |
| J | 2,2 |
| K | 2,4 |
| L | 2,7 |
| M | 3,0 |
| N | 3,3 |
| P | 3,6 |
| Q | 3,9 |
| R | 4,3 |
| S | 4,7 |
| T | 5,1 |
| U | 5,6 |
| V | 6,2 |
| W | 6,8 |
| X | 7,5 |
| Y | 8,2 |
| Z | 9,1 |
| a | 2,5 |
| b | 3,5 |
| d | 4,0 |
| e | 4,5 |
| f | 5,0 |
| m | 6,0 |
| n | 7,0 |
| t | 8,0 |
Использование каких - либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт
К атегория:
Производство радиоаппаратуры
Конденсаторы постоянной емкости
Конденсаторы постоянной емкости применяют в различных схемах для разделения переменной и постоянной составляющих тока и сглаживания пульсации напряжений выпрямителя. В сочетании с другими элементами схем конденсаторы образуют резонансные контуры, широко используемые в радиоаппаратуре.
Конденсаторы постоянной емкости классифицируют по величине номинальной емкости, классу точности, номинальному рабочему напряжению, назначению, материалу диэлектрика и по конструктивным признакам.
Номинальные величины емкостей конденсаторов установлены ГОСТ 2519 - 60.
При изготовлении конденсаторов действительное значение емкости отличается от номинального, обозначенного в маркировке. Допустимое отклонение емкости от номинального называется допуском. По этому принципу все конденсаторы разделяют на пять классов: 0, 1, II, III , IV, допуски их соответственно составляют ±2%; ±5%; ±10%; ±20% и от - 20 до + 50%.
В зависимости от назначения различают контурные, разделительные, блокировочные и фильтровые конденсаторы.
По материалу диэлектрика конденсаторы делят на слюдяные, керамические, бумажные, металлобумажные, бумаго-масляные, пленочные, стеклоэмалевые, стеклокерамические, электролитические, воздушные, вакуумные, газонаполненные.
По конструктивному признаку конденсаторы подразделяют на трубчатые, дисковые, бочоночные, горшковые, опрессованные и герметизированные, плоские и цилиндрические и т. д.
Независимо от вида конденсатор характеризуется рабочим напряжением. Рабочим напряжением называется напряжение, под которым обкладки конденсатора могут длительно находиться без пробоя разделяющего их диэлектрика. Рабочее напряжение выражают в вольтах.
Большое значение для нормальной работы конденсатора имеет сопротивление его изоляции. При малом сопротивлении изоляции возникают утечки, нарушающие нормальную работу схемы. Потери в конденсаторе характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь, выражающим отношение мощности активных потерь к реактивной мощности конденсатора.
В маломощных конденсаторах потери энергии в основном вызываются проводимостью диэлектрика и диэлектрическим гистерезисом, т. е. потерями на поворот полярных молекул в направлении поля при приложении напряжения к обкладкам. Потери в обкладках и выводах малы, поэтому ими обычно пренебрегают.
Одной из важнейших характеристик конденсатора является стабильность - неизменность величины емкости конденсатора во время работы. Изменение емкости может быть как временным, так и необратимым. Основным фактором, влияющим на стабильность емкости конденсатора, является воздействие температуры окружающей среды и нагрев конденсатора за счет рассеиваемой на нем мощности. При повышении температуры увеличиваются геометрические размеры материала, что и влечет за собой временное (до возвращения температуры к первоначальному значению) изменение емкости.
Однако повышение температуры может привести и к необратимым изменениям емкости. Например, в конденсаторе может произойти перегруппировка воздушных зазоров между обкладками и диэлектриком. Необратимое изменение емкости происходит также вследствие старения диэлектрика, которое заключается в изменении его диэлектрической проницаемости.
Меры борьбы против изменения емкости конденсаторов - пропитка их специальными составами (касторовое масло, церезин, вазелин и т. д.) и серебрение пластинок слюды вместо применения металлической фольги. В особо ответственных случаях конденсаторы герметизируют.
При маркировке конденсаторов указывают тип, номинальное рабочее напряжение, номинальную емкость (в пикофарадах или микрофарадах), класс точности (допустимое отклонение от номинальной емкости в процентах).
Слюдяные и стеклоэмалевые конденсаторы имеют дополнительные указания на принадлежность к группе ТКЕ (температурный коэффициент емкости) в виде букв А, Б, В, Г для слюдяных и Р, О, М, П для стеклоэмалевых. Температурный коэффициент емкости керамических конденсаторов обозначают цветным кодом: корпуса конденсаторов окрашивают в цвета группы ТКЕ .
Рис. 1. Слюдяные конденсаторы: а -КСО; б – КСГ
Конденсаторы КСО могут работать в температурном интервале от 60 до 4 70° С, при относительной влажности воздуха до 80% (кратковременно - до 98%) и при атмосферном давлении не ниже 5 мм рт. cm (для конденсаторов на рабочее напряжение до 500 в). При монтаже конденсаторов КСО в контурах различных видов аппаратуры следует помнить, что они имеют разный ТКЕ .
Кроме того, выпускаются температуростойкие опрессованные слюдяные конденсаторы КСОТ , а также конденсаторы повышенной надежности К31У-ЗЕ.
Помимо опрессованных конденсаторов, выпускаются слюдяные герметизированные конденсаторы в металлических и керамических корпусах.
Конденсаторы КСГ (конденсаторы слюдяные герметизированные) в металлических корпусах (рис. 39, б) бывают двух видов: КСГ -1 и КСГ -2. Конденсаторы КСГ -1 используются на номинальные емкости 470 - 20000 пф, а КСГ -2 - от 0,02 до 0,1 мкф при рабочем напряжении 500 и 1000 в. Эти конденсаторы выпускаются 0, I, II и III классов точности.
Конденсаторы СГМ (слюдяные герметизированные малогабаритные) во влагонепроницаемых керамических корпусах, опаянных по торцам, имеют серебряные, нанесенные на слюду обкладки. Их выпускают по габаритным размерам четырех видов: СГМ -1, СГМ -2, СГМ -3 и СГМ -4. Вес конденсаторов СГМ от 3 до 10 г, номинальные значения емкости от 100 до 10 ООО пф с допусками по 0 I, II и III классам точности. Они рассчитаны на рабочее напряжение от 250 до 1500 в. Во влажной атмосфере эти конденсаторы работают более устойчиво, чем конденсаторы КСО .
Для изготовления слюдяных конденсаторов применяют слюду высшего сорта - мусковит. Обкладки конденсаторов изготовляют из тонкой металлической фольги (алюминиевой, свинцово-оловянной или медной) толщиной 7 - 100 мкм.
В качестве обкладок высокостабильных конденсаторов применяют серебро, которое вжигают или наносят методом распыления.
Керамические конденсаторы. Керамические конденсаторы разделяют по конструкции на трубчатые и дисковые. Более распространенными являются трубчатые конденсаторы КТК и КТ (конденсаторы трубчатые керамические). Конденсатор КТК (рис. 40, а) представляет собой тонкостенную керамическую трубочку, на внешнюю и внутреннюю поверхности которой нанесены обкладки из тонких слоев серебра. Выводы от обкладок выполнены из медной посеребренной проволоки.
Конденсаторы КТМ (конденсаторы трубчатые малогабаритные) имеют аналогичную с конденсаторами КТК конструкцию, но размеры их меньше.
Очень удобны при монтаже так называемые опорные керамические конденсаторы КО. В них внешняя обкладка соединена с болтом, который служит одновременно для укрепления конденсатора на металлическом шасси (панели) и для надежного заземления этой обкладки. Внутренняя обкладка имеет вывод в виде лепестка.
В радиоаппаратуре, предназначенной для работы при повышенной влажности, рекомендуется применять трубчатые конденсаторы КГК (конденсаторы герметизированные керамические), имеющие влагонепроницаемую керамическую оболочку.
Основой конденсаторов КДК и КД (конденсаторы дисковые керамические) сужит керамическая пластина, выполненная в виде диска. Обкладками его являются тонкие слои серебра, нанесенные на каждую из поверхностей этой пластины. Конденсаторы КДК (рис. 2, в) в зависимости от диаметра диска разделяют на три типа:
Рис. 2. Керамические конденсаторы: а -КТК; б-КГК : в-КДК
Конденсаторы КДМ (конденсаторы дисковые малогабаритные), предназначенные для малогабаритной аппаратуры, собранной на полупроводниковых приборах, имеют диаметр 4 мм. Выводы КДК и КДМ - проволочки, припаянные к обкладкам.
Конденсаторы КДУ (конденсаторы дисковые для ультракоротковолновых цепей) имеют такой же диаметр, что и КДК , но выводы их сделаны в виде коротких широких лепестков.
В конденсаторах КДО (конденсаторы дисковые опорные) одна из обкладок припаяна к головке болта, который служит для крепления конденсатора на шасси и надежного соединения этой обкладки с шасси. Вторая обкладка имеет вывод в виде лепестка.
Рис. 3. Секция бумажного конденсатора: 1 - конденсаторная бумага: 2 - фольга
В качестве диэлектрика в керамических конденсаторах применяют специальную конденсаторную керамику, характеризующуюся относительно высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями. Конденсаторы КТК выпускают емкостью от 2 до 100 пф, а конденсаторы КДК -от 1 до 75 пф по 0, I, II и III классам точности. Конденсаторы КДМ изготовляют на номинальные емкости от 1 до 220 пф по I, II и III классам точности, а конденсаторы КТМ емкостью от 1 до 10 000 пф также по I, II и III классам точности.
В последнее время широкое применение в радиоаппаратуре на полупроводниковых приборах нашли керамические конденсаторы с большими значениями емкости (порядка 0,01 мкф) при малых габаритах КЛС (керамический литой секционированный), КП (керамический пластинчатый) и КПС (керамический пластинчатый сегнетоэлектрический).
Бумажные конденсаторы. В бумажных конденсаторах в качестве диэлектрика используют конденсаторную бумагу толщиной от 4 до 10 мкм, а в качестве обкладок - алюминиевую или свин-цово-оловянную фольгу толщиной 7-7,5 мкм.
Секция бумажного конденсатора состоит из лент металлической фольги 2, между которыми проложена конденсаторная бумага /; число слоев бумаги должно быть не менее двух. При одном слое бумаги сильно возрастет вероятность быстрого пробоя конденсатора, так как бумага содержит определенное количество электропроводящих включений.
В производстве радиоаппаратуры применяют главным образом конденсаторы КБГ
(конденсаторы бумажные герметизированные). Этот тип конденсаторов имеет ряд разновидностей:
— КБГ
-И - в цилиндрическом корпусе из керамики или стекла;
— КБГ
-М1 и КБГ
-М2 - в металлическом корпусе с одним или мя изолированными от корпуса выводами (рис. 42, б); КБГ
-МП - в металлическом прямоугольном корпусе, плоский;
— КБГ
-МН-в металлическом прямоугольном корпусе, нормальный.
Номинальные величины емкостей конденсаторов КБГ -И, КБГ -МН, КБГ -МП от 470 пф ДО 10 мкф при рабочих напряжениях 200, 400, 600, 1000 и 1500 в, а конденсаторов КБГ -М1 и КБГ -М2 от 0,1 до 0,25 мкф при рабочих напряжениях 200, 400 или 600 в.
Для малогабаритной аппаратуры на полупроводниковых приборах выпускаются специальные конденсаторы БМ, БГМ (бумажные герметизированные малогабаритные - рис. 42, д) и БГМТ (бумажные герметизированные малогабаритные термостойкие).
Номинальные емкости конденсаторов БМ: от 510 до 2200 пф при рабочем напряжении 300 в; от 3300 пф до 0,03 мкф при рабочем напряжении 200 в; 0,04 и 0,05 мкф при рабочем напряжении 150 в. Эти конденсаторы изготовляются по II и III классам точности.
Конденсаторы БГМ (БГМ -1 и БГМ -2) выпускаются с рабочим напрямышленностью, следует отметить малогабаритные опреесованные конденсаторы К40П-1, герметизированные К40П-2, негерметизи-рованные К40П-3, а также термостойкие К40У-9 (до + 125 °С).
Рис. 4. Бумажные конденсаторы: а - КБГ -И; б - КБГ -М; в -КБГ-МП; г - КБГ -МН; 3 -БГМ; е - БМ
Технология изготовления бумажных конденсаторов включает намотку секций, прессование, сушку, пропитку и сборку.
Металлобумажные конденсаторы. Металлобумажные конденсаторы получили широкое распространение, так как они имеют относительно малые габариты (малый объем и вес на единицу емкости) и в то же время обладают хорошими изоляционными свойствами. Обкладки металлобумажного конденсатора выполнены в виде слоя металла толщиной до сотых долей микрона. Металл наносят на бумажную ленту методом испарения под вакуумом.
Металлобумажные конденсаторы выпускают в металлических герметизированных корпусах прямоугольной или цилиндрической формы. Они имеют маркировку МБГП (металлобумажные герметизированные в корпусе прямоугольной формы), МБГЦ (металлобумажные герметизированные в корпусе цилиндрической формы), МБ ГО (металлобумажные герметизированные, один слой диэлектрика), МБГЧ (металлобумажные герметизированные частотные), МБ Г (металлобумажные герметизированные термостойкие).
В зависимости от назначения эти конденсаторы изготовляют емкостью от 0,025 до 30 мкф на рабочие напряжения от 160 до 1500 в. .Конденсаторы МБМ (металлобумажные малогабаритные) на рабочее напряжение 160 в предназначены для работы в аппаратуре на полупроводниковых приборах. Некоторые типы металло-бумажных конденсаторов показаны на рис. 5.
В качестве металлического покрытия металлобумажных конденсаторов обычно применяют цинк, алюминий и никель. Так как нанесенный на бумагу слой металла очень тонок и склонен к окислению, срок пребывания металлизированной бумаги на открытом воздухе ограничен. Покрытия из алюминия и никеля по сравнению с цинковым менее подвержены коррозии.
Металлобумажные конденсаторы самовосстанавливаются после электрического пробоя. Самовосстановление происходит вследствие того, что запасенный в конденсаторе или поступающий к нему извне электрической энергии оказывается достаточно для испарения слоя металла в месте пробоя и обособления тем самым поврежденного участка от остального металлического покрытия. Наилучшими свойствами самовосстановления обладают конденсаторы с цинковым покрытием.
Эффект самовосстановления позволяет изготовлять металлобумажные конденсаторы с одним слоем диэлектрика в отличие от конденсаторов с обкладками из фольги.
Металлобумажные конденсаторы, как и обычные бумажные, подвергают пропитке, которой предшествует тщательная вакуумная сушка.
Пленочные конденсаторы. В качестве диэлектрика в конденсаторах этой группы применяют органические высокомолекулярные пленки. Некоторые типы пленочных конденсаторов показаны на 6. При их производстве наибольшее применение получили пленки из полистирола и фторопласта. Полистирол относится к чис-неполярных диэлектриков и поэтому широко применяется для производства конденсаторов, работающих как в низкочастотных, так и в высокочастотных цепях.
Рис. 5. Металлобумажные конденсаторы: а - МБГП ; б - МБГЦ ; в -МБГО; г -МБГТ
Полистирольные конденсаторы характеризуются малым тангенсом угла диэлектрических потерь в широком интервале частот, относительно малым температурным коэффициентом емкости (-150-Ю-6 на ГС) и высоким сопротивлением изоляции. Существенным недостатком полистирольных конденсаторов. является их низкая термостойкость (предельная рабочая температура 60-70° С).
Высокой термостойкостью обладают конденсаторы, где диэлектриком служит фторопласт-4. Эти конденсаторы могут длительно работать при температурах до 200 и даже 250° С при кратковременной нагрузке. Фторопласт-4 неполярен. К числу полярных органических диэлектриков относится фторопласт-3. Конденсаторы, в которых диэлектриком служит фторопласт-3, применяют только в Цепях низкой частоты или постоянного тока ввиду повышенного значения тангенса угла диэлектрических потерь.
Секции пленочных полистирольных конденсаторов изготовляют на обычных намоточных станках, применяемых при производстве бумажных конденсаторов. В качестве обкладок в пленочных поли-стирольных конденсаторах используют алюминиевую фольгу. Толщина пленки 15-20 мкм\ толщина фольги 7,5 мкм.
Для уменьшения габаритов конденсаторов используют металлизированную полистирольную пленку, при этом надежность конденсатора сохраняется, а габаритные размеры уменьшаются в 5-6 раз по сравнению с конденсаторами, имеющими алюминиевые фольговые обкладки.
Рис. 6. Пленочные конденсаторы: О-ПГТ ; б-ПМ; e-ПСО ; г-ФГТИ
В качестве основного металла для обкладок применяют цинк, который осаждают на тонкий слой олова. Эти конденсаторы называют металлопленочными. Металлопленочные конденсаторы заключены в прямоугольные металлические корпуса с керамическими изоляторами или в трубчатые алюминиевые корпуса, залитые с торцов эпоксидной смолой.
Для изготовления конденсаторов из фторопласта-4 применяют пленку толщиной от 5 до 40 мкм. Обкладками в них служит алюминиевая фольга толщиной 7,5 мкм. Фторопластовые конденсаторы делят на две группы: низковольтные, цилиндрический корпус которых выполнен из алюминия и имеет с торцовых сторон крышки из фторопласта-4, закрепленные завальцовкой краев корпуса, и высоковольтные - в керамических цилиндрических корпусах, с двух сторон корпуса которых приварены колпачки из инвара, что обеспечивает вакуумплочную герметизацию. Корпус высоковольтного
сонденсатора наполнен под давлением азотом, чтобы предотвратить возможный электрический пробой между закраинами обкладок и ионизацию газа.
Промышленностью выпускаются пленочные полистирольные конденсаторы ПО (открытый) и ПМ (малогабаритный) и фторопласто-вые для радиоаппаратуры низких напряжений (не более 1 кв) конденсаторы ФТ (термостойки до +200 °С). Из новых типов пленочных конденсаторов можно отметить конденсаторы К72П-6 (термостойкий, до+200 °С), К73П-2 (металлопленочный) и К76П-1 (лакопленоч-ный).
Электролитические конденсаторы. Электролитические конденсаторы разделяют на высоковольтные с рабочим напряжением 250- 450 в (емкость несколько сотен микрофарад), применяемые главным образом в сглаживающих фильтрах выпрямителей и развязывающих фильтрах, в анодных цепях экранных сеток, и низковольтные с рабочим напряжением 6-60 в (емкость до нескольких тысяч микрофарад), применяемые в полупроводниковой технике.
К. первой группе можно отнести конденсаторы КЭ (конденсаторы электролитические), изготовляемые на номинальные емкости от 5 до 2000 мкф и рабочее напряжение от 8 до 500 в. По конструкции они бывают трех видов: КЭ-1, КЭ-2 и КЭ-3.
К этой группе относят также конденсаторы ЭГЦ (конденсаторы электролитические герметизированные цилиндрические) емкостью от 5 до 50 мкф на рабочие напряжения от 6 до 500 в.
Ко второй группе можно отнести конденсаторы ЭМ (электролитические малогабаритные) и ЭМИ (электролитические миниатюрные). Они предназначены для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока транзисторных малогабаритных узлов. Номинальное напряжение постоянного тока 3 в конденсаторов ЭМИ и от 4 до 150 в конденсаторов ЭМ, номинальная емкость 0,5; 1,25 и 10 мкф для ЭМИ и от 0,5 до 50 мкф для ЭМ. Допустимые отклонения действительной величины емкости от номинальной: от +80 до -20% для конденсаторов емкостью 0,5 мкф-, от + 200 до -10% для конденсаторов емкостью 1,25 и 10 мкф. Интервал рабочих температур от -20 до +50° С при относительной влажности воздуха не более 98% и атмосферном давлении 720-780 мм рт. ст.
Среди новых видов малогабаритных алюминиевых электролитических конденсаторов промышленностью выпускаются конденсаторы К50-3 на рабочие напряжения от 6 до 450 в, К50-ЗИ (импульсные), К50-6 (неполярные) и др.
На рис. 7 показаны типы некоторых электролитических конденсаторов, диэлектриком в которых служит оксидная пленка, обра зованная на алюминиевой фольге, выполняющей роль первой об кладки (анод) конденсатора, вторая обкладка - электролит, соприкасающийся с оксидной пленкой. Вторая лента из фольги (катодная) служит токоотводом к элек тролиту.
Оксидная пленка имеет тол щину 0,01-1,5 мкм и обладает униполярной (односторонней проводимостью, поэтому электролитические конденсаторы могут работать только в цепях постоянного или пульсирующего тока.
По конструкции и методу изготовления электролитические конденсаторы бывают жидкост ные (мокрые), оксидированный алюминиевый анод которых на ходится в жидком или полу жидком электролите, и сухие, получаемые намоткой лент алюминиевой фольги (оксидированной анодной и неоксидирован-ной катодной) и разделенные волокнистой прокладкой, пропитанной пастообразным или полужидким электролитом.
Наиболее широкое применение получили сухие электролитические конденсаторы. Для анодов этих конденсаторов применяют материал с содержанием от 99,8 до 99,99% алюминия и минимальным количеством железа.
Алюминиевая анодная фольга, применяемая в электролитических конденсаторах, имеет толщину 50-150 мкм.
Менее жесткие требования предъявляют к алюминию, используемому для изготовления катодов; в нем допускается до 0,4% примесей. Толщина катодной фольги 7,5-16 мкм.
В сухих электролитических конденсаторах для прокладки между алюминиевыми лентами применяют специальные сорта бумаги и хлопчатобумажной ткани, пропитанные электролитами.
В последнее время промышленность широко выпускает электролитические конденсаторы с диэлектриком из оксидной танталовой пленки, которая по сравнению с алюминиевой имеет более высоко-, значение диэлектрической проницаемости.
Рис. 7. Электролитические конденсаторы: а - КЭ 3; б -КЭ-1-ОМ; в -КЭ-2М; г - КЭГ -2; д - КЭГ -1М
Танталовые конденсаторы значительно меньше по габаритам, более надежны и имеют лучшие электрические характеристики, чем конденсаторы на основе алюминиевой оксидной пленки. Емкость п тангенс угла диэлектрических потерь сухого танталового конденсатора незначительно изменяются с изменением температуры вплоть до -60° С.
Жидкостные танталовые конденсаторы имеют цилиндрический анод, изготовленный из прессованного порошка тантала, термически обработанного в вакууме. Термическая обработка необходима для спекания зерен танталового порошка. Получаемая при этом пористая структура анода характеризуется большой активной поверхностью, способствующей увеличению емкости конденсатора. Этот способ увеличивает действующую поверхность анода в 40-50 раз по сравнению с герметической поверхностью цилиндра.
Диэлектриком в конденсаторе является тонкая пленка окиси тантала на поверхности зерен, а роль второй обкладки выполняет кислотный электролит.
На рис. 8 показано устройство жидкостного электролитического танталового конденсатора ЭТО .
Конденсатор ЭТО (электролитический танталовый с объемнопори-стым анодом) имеет несколько разновидностей: ЭТО -1, ЭТО -2 и ЭТО -3,4. Модификацией этого типа являются конденсаторы К52-2 и К52-3.
Из сухих танталовых конденсаторов выпускаются конденсаторы ЭТ (электролитический танталовый) и ЭТН (неполярный).
Дальнейшим конструктивным развитием конденсаторов этой группы являются танталовые конденсаторы с твердым электролитом. Анод такого конденсатора изготовлен в виде цилиндра из пористого спеченного тантала. Слой диэлектрика (окись тантала) на поверхности спрессованных частиц получают электролитическим путем. Роль второй обкладки в этом конденсаторе выполняет слой Двуокиси марганца, наносимый методом пиролиза (разложения) азотнокислого марганца.
Рис. 8. Устройство жидкостного электролитического танталового конденсатора ЭТО с объемно-пористым анодом: I - вывод; 2 - текстолитовое кольцо; 3 - тапталовая крышка; 4 - резиновое кольцо: 5 - электролит; 6 - анод; 7 -вкладыш из химически стойкого металла; 8 - стальной корпус; 9 - вывод катода; 10 - тан таловый стержень; 11 -фторопластовое кольцо
Температурная характеристика емкости конденсатора с твердьщ электролитом выгодно отличается от характеристики жидкостных электролитических танталовых конденсаторов, особенно при отрицательных температурах, когда жидкие электролиты густеют или затвердевают. Потери в конденсаторе с твердым электролитом мало зависят от температуры и сохраняются на одном уровне до весьма низких температур. Кроме того, при работе на высокой частоте характеристики конденсаторов оказываются также более благоприятными, чем у танталовых конденсаторов жидкостного типа. Длительное хранение конденсаторов с пористым танталовым анодом и твердым электролитом показало, что электрические характеристики их практически не меняются во времени.
Стеклоэмалевые конденсаторы (рис. 9). В конденсаторах этой группы диэлектриком являются тонкие слои стеклоэма-ли, а обкладками - серебряные пленки, наносимые на стекло-эмалевые слои методом вжигания. Примерный состав эмали: 15- 25% Si02; 3-11% Na20 + К20; 15-25% РЬО , остальное – окиси других двухвалентных металлов.
Стеклоэмалевые конденсаторы КС-1 и КС-2 имеют интервал рабочих температур от -60 до +100° С; сопротивление изоляции не менее 20 ООО Мом; тангенс угла потерь при температуре +20±5° С не более 15-1Q-4, а при + 100±5°С не более 20- Ю-4, температурный коэффициент емкости в интервале температур от +20 до 100° С равен +(65±35)-10-6; допускаемые отклонения ±2, ±5, ±10, ±20%.
Стеклоэмалевые конденсаторы применяют в радиоаппаратуре наравне со слюдяными и керамическими.
Особенности крепления к корпусу выводов конденсаторов КС создают некоторые неудобства при формовке выводов, что часто вызывает брак (отслоение пайки). Поэтому с конденсаторами КС необходимо осторожно обращаться на всех операциях, включая и регулировку.
Стеклоэмалевые конденсаторы постоянной емкости КС-1 предназначены для работы в цепях постоянного и переменного тока, а также в импульсных цепях. Интервал рабочих температур от -60 до +100 °С; относительная влажность до’98%, номинальное напряжение постоянного тока 300 в. Температурная стабильность емкости не более 0,1%. Допустимые отклонения действительных величин емкостей от номинальных: ±2% и ±5%.
Рис. 9. Стеклоэмалевый конденсатор
Подстроенные конденсаторы. Подстроечные конденсаторы (триммеры) применяют для подстройки высокочастотных колебательных контуров в процессе регулировки. Их изготовляют с воздушным или керамическим диэлектриком и для повышения стабильности емкости применяют керамические основания.
Рис. 10. Подстроечные конденсаторы: а - с воздушным диэлектриком; б - с керамическим диэлектриком; 1 - статор; 2 -ротор; 3 - выводы; 4 - отверстия для крепления
Керамические подстроечные конденсаторы КПК рассчитаны на рабочее напряжение 250 в и служат в основном для подстройки контуров высокой частоты в приемниках.
Конденсаторы КПК -1 имеют минимальные величины емкости 2, 4, 6 и 8 пф и максимальные соответственно 7, 15, 25 и 30 пф.
Конденсаторы КПК -2 и КПК -3 имеют минимальные емкости 6, 10 и 25 пф и максимальные 60, 100 и 150 пф.
Для малогабаритной аппаратуры выпускаются подстроечные конденсаторы КПК -МН (малогабаритные для навесного монтажа) и КПК -МП (малогабаритные для печатного монтажа).
Используемые сегодня практически всюду в электронике и электротехнике, в качестве диэлектрика содержат различные вещества. Однако, что касается конкретно , в частности также танталовых и полимерных, то для них при включении в схему важно строгое соблюдение полярности. Если такой конденсатор включить в цепь неправильно, то он не сможет нормально работать. Данные конденсаторы называются поэтому полярными.
В чем же заключается принципиальное отличие полярного конденсатора от неполярного, почему одним конденсаторам все равно как быть включенными в схему, а другим принципиально важно соблюдение полярности? В этом и попробуем сейчас разобраться.
Дело здесь в том, что процесс изготовления электролитических конденсаторов сильно отличается от, скажем, . Если у последних двух как обкладки, так и диэлектрик однородны по отношению друг к другу, то есть нет различия в структуре на границе обкладка-диэлектрик с обеих сторон диэлектрика, то электролитические конденсаторы (цилиндрические алюминиевые, танталовые, полимерные) имеют различие в структуре перехода диэлектрик-обкладка с двух сторон диэлектрика: анод и катод отличаются по химическому составу и физическим свойствам.
Когда изготавливают электролитический алюминиевый конденсатор, то не просто скручивают в рулон две одинаковые обкладки из фольги, проложенные пропитанной электролитом бумагой.
Со стороны анодной обкладки (на которую подается +) присутствует слой оксида алюминия, нанесенный на травленую поверхность фольги особым способом. Анод призван отдавать электроны через внешнюю цепь катоду в процессе заряда конденсатора.
Отрицательная обкладка (катод) - просто алюминиевая фольга, на нее в процессе заряда приходят электроны по внешней цепи. Электролит здесь служит проводником ионов.
Так же обстоит дело и с танталовыми конденсаторами, где в качестве анода служит порошок тантала, на котором формируется пленка пентаоксида тантала (анод связан с оксидом!), несущего функцию диэлектрика, затем идет слой полупроводника — диоксида марганца в качестве электролита, затем серебряный катод, с которого будут уходить электроны в процессе разряда.
Полимерные электролитические конденсаторы в качестве катода используют легкий проводящий полимер, а в остальном все процессы аналогичны. Суть — окислительная и восстановительная реакции, как в аккумуляторной батарее. Анод окисляется во время электрохимической реакции разрядки, а катод восстанавливается.
Когда электролитический конденсатор заряжен, то имеет место избыток электронов на его катоде, на минусовой обкладке, сообщающий как раз отрицательный заряд этой клемме, а на аноде — недостаток электронов, дающий положительный заряд, таким образом получаем разность потенциалов.
Если заряженный электролитический конденсатор замкнуть на внешнюю цепь, то избыточные электроны побегут от отрицательно заряженного катода к положительно заряженному аноду, и заряд будет нейтрализован. В электролите положительные ионы движутся в этот момент от катода к аноду.
Если включить такой полярный конденсатор в цепь неправильно, то описанные реакции не смогут нормально протекать, и конденсатор не будет нормально работать. Неполярные же конденсаторы могут работать в любом включении, поскольку в них нет ни анода, ни катода, ни электролита, и их обкладки взаимодействуют с диэлектриком одинаково, ровно как и с источником.
А что если под рукой есть только полярные электролитические конденсаторы, а нужно осуществить включение конденсатора в цепь тока с меняющейся полярностью? Для этого существует одна хитрость. Нужно взять два одинаковых полярных электролитических конденсатора, и соединить их между собой последовательно одноименными клеммами. Получится один неполярный конденсатор из двух полярных, емкость которого будет в 2 раза меньше каждого из двух его составляющих.
На этой основе, кстати, изготавливают неполярные электролитические конденсаторы, в которых слой оксида присутствует на обеих обкладках. По этой причине неполярные электролитические конденсаторы имеют значительно больший размер, чем полярные аналогичной емкости. Основываясь на данном принципе, изготавливают также электролитические пусковые неполярные конденсаторы, рассчитанные на работу в цепях переменного тока частотой 50-60 Гц.