Каким свойством обладают конденсаторы

Конденсатор

        Что
такое конденсатор? Конденсатор это система из двух и более электродов
(обычно в форме пластин, называемых обкладками), разделённых
диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок
конденсатора. Такая система обладает взаимной ёмкостью и способна
сохранять электрический заряд.ТОесть из рисунка видно что это две
параллельные металические пластины разделённые каким то материалом
(диэлектриком- это вещество которое не проводит электрический ток)

        В
1745 году в Лейдене немецкий физик Эвальд Юрген фон Клейст и
голландский физик Питер ван Мушенбрук создали первый конденсатор –
.

        Лейденская
банка – первый электрический конденсатор, изобретённый голландскими
учёными Мушенбреком и его учеником Кюнеусом в 1745 в Лейдене.
Параллельно и независимо от них сходный аппарат, под названием
изобрёл немецкий учёный Клейст. Лейденская банка
представляла собой закупоренную наполненную водой стеклянную банку,
оклеенную внутри и снаружи фольгой. Сквозь крышку в банку был воткнут
металлический стержень. Лейденская банка позволяла накапливать и
хранить сравнительно большие заряды, порядка микрокулона. Изобретение
лейденской банки стимулировало изучение электричества, в частности
скорости его распространения и электропроводящих свойств некоторых
материалов. Выяснилось, что металлы и вода лучшие проводники
электричества. Благодаря Лейденской банке удалось впервые искусственным
путем получить электрическую искру.

        
Конденсатор
в цепи постоянного тока не проводит ток, так как его обкладки разделены
диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания
переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.
В терминах метода комплексных амплитуд конденсатор обладает комплексным
импедансом

где j – мнимая единица, w
– частота[1] протекающего синусоидального тока, – ёмкость конденсатора.
Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно:
Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае).

        При
изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика
и степень влияния паразитных параметров – собственной индуктивности и
сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно
рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый
ёмкостью , собственной индуктивностью и сопротивлением потерь .
Резонансная частота конденсатора равна:

При
конденсатор в цепи переменного тока ведёт себя как катушка
индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать
лишь на частотах
, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно
максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2-3 раза ниже
резонансной.
Конденсатор может накапливать электрическую энергию. Энергия
заряженного конденсатора:где U – напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор.В России условные
графические обозначения конденсаторов на схемах должны соответствовать
ГОСТ 2.728-74 либо международному стандарту IEEE 315-1975:

        На
электрических принципиальных схемах номинальная ёмкость конденсаторов
обычно указывается в микрофарадах или пикофарадах (1 мкФ = 106 пФ). При
ёмкости не более 0,01 мкФ, ёмкость конденсатора указывают в
пикофарадах, при этом допустимо не указывать единицу измерения, т.е.
постфикс опускают. При обозначении номинала ёмкости в других
единицах указывают единицу измерения (пикоФарад). Для электролитических
конденсаторов, а также для высоковольтных конденсаторов на схемах,
после обозначения номинала ёмкости, указывают их максимальное рабочее
напряжение в вольтах(В) или киловольтах(кВ). Например так: . Для переменных конденсаторов указывают диапазон изменения ёмкости,
например так: .

Основные параметры конденсаторов

Ёмкость конденсаторов

        Основной
характеристикой конденсатора является его электрическая ёмкость (точнее
номинальная ёмкость), которая определяет его заряд в зависимости от
напряжения на обкладках (q = CU). Типичные значения ёмкости
конденсаторов составляют от единиц пикофарад до сотен микрофарад.
Однако существуют конденсаторы с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью каждая, расположенных на расстоянии друг от друга, в системе СИ выражается формулой:где
– относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей
пространство между пластинами (эта формула справедлива, лишь когда много меньше линейных размеров пластин).

        Для
получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом
напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость
батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех
конденсаторов, входящих в батарею.

        Если
у всех параллельно соединённых конденсаторов расстояние между
обкладками и свойства диэлектрика одинаковы, то эти конденсаторы можно
представить как один большой конденсатор, разделённый на фрагменты
меньшй площади.
При последовательном соединении конденсаторов заряды всех конденсаторов
одинаковы. Общая ёмкость батареи последовательно соединённых
конденсаторов равна

        Эта
ёмкость всегда меньше минимальной ёмкости конденсатора, входящего в
батарею. Однако при последовательном соединении уменьшается возможность
пробоя конденсаторов, так как на каждый конденсатор приходится лишь
часть разницы потенциалов источника напряжения.
Если площадь обкладок всех конденсаторов, соединённых последовательно,
одинакова, то эти конденсаторы можно представить в виде одного большого
конденсатора, между обкладками которого находится стопка из пластин
диэлектрика всех составляющих его конденсаторов.

Удельная ёмкость конденсаторов

        Конденсаторы
также характеризуются удельной ёмкостью – отношением ёмкости к объёму
(или массе) диэлектрика. Максимальное значение удельной ёмкости
достигается при минимальной толщине диэлектрика, однако при этом
уменьшается его напряжение пробоя.

Номинальное напряжение конденсаторов

        Другой,
не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное
напряжение – значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при
котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с
сохранением параметров в допустимых пределах.
Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств
применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не
должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с
увеличением температуры допустимое напряжение снижается.

Номинальное напряжение конденсаторов

        Другой,
не менее важной характеристикой конденсаторов является номинальное
напряжение – значение напряжения, обозначенное на конденсаторе, при
котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с
сохранением параметров в допустимых пределах.
Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств
применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не
должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с
увеличением температуры допустимое напряжение снижается.

Полярность конденсаторов

        Многие
конденсаторы с оксидным диэлектриком (электролитические) функционируют
только при корректной полярности напряжения из-за химических
особенностей взаимодействия электролита с диэлектриком. При обратной
полярности напряжения электролитические конденсаторы обычно выходят из
строя из-за химического разрушения диэлектрика с последующим
увеличением тока, вскипанием электролита внутри и, как следствие, с
вероятностью взрыва корпуса.
Взрывы электролитических конденсаторов – довольно распространённое
явление. Основной причиной взрывов является перегрев конденсатора,
вызываемый в большинстве случаев утечкой или повышением эквивалентного
последовательного сопротивления вследствие старения (актуально для
импульсных устройств). Для уменьшения повреждений других деталей и
травматизма персонала в современных конденсаторах большой ёмкости
устанавливают клапан или выполняют насечку на корпусе (часто можно
заметить её в форме буквы X, K или Т на торце). При повышении
внутреннего давления открывается клапан или корпус разрушается по
насечке, испарившийся электролит выходит в виде едкого газа, и давление
спадает без взрыва и осколков.

Паразитные параметры конденсаторов

        Реальные
конденсаторы, помимо ёмкости, обладают также собственными
сопротивлением и индуктивностью. С высокой степенью точности,
эквивалентную схему реального конденсатора можно представить следующим
образом:

С – собственная ёмкость конденсатора;

r – сопротивление изоляции конденсатора;

R – эквивалентное последовательное сопротивление;

L – эквивалентная последовательная индуктивность.

Электрическое сопротивление изоляции конденсатора – r

Сопротивление изоляции – это
сопротивление конденсатора постоянному току, определяемое соотношением
r = U / Iут , где U – напряжение, приложенное к конденсатору, Iут – ток
утечки.

Эквивалентное последовательное сопротивление – R

        Эквивалентное
последовательное сопротивление (ЭПС, англ. ESR) обусловлено главным
образом электрическим сопротивлением материала обкладок и выводов
конденсатора и контакта(-ов) между ними, а также потерями в
диэлектрике. Обычно ЭПС возрастает с увеличением частоты тока,
протекающего через конденсатор.
В большинстве случаев этим параметром можно пренебречь, но иногда
(напр., в случае использования электролитических конденсаторов в
фильтрах импульсных блоков питания) достаточно малое его значение может
быть жизненно важным для надёжности устройства (см., напр., Capacitor
plague(англ.)).

Эквивалентная последовательная индуктивность – L

Эквивалентная
последовательная индуктивность обусловлена, в основном, собственной
индуктивностью обкладок и выводов конденсатора. На низких частотах (до
единиц килогерц) обычно не учитывается в силу своей незначительности.

Тангенс угла потерь

Потери энергии в
конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При
протекании переменного тока через конденсатор векторы напряжения и тока
сдвинуты на угол , где – угол диэлектрических потерь. При отсутствии потерь
. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Pа к
реактивной Pр при синусоидальном напряжении определённой частоты.
Величина, обратная
, называется добротностью конденсатора. Термины добротности и тангенса
угла потерь применяются также для катушек индуктивности и
трансформаторов.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ) конденсаторов

ТКЕ – коэффициент изменения
ёмкости в зависимости от температуры. Таким образом значение ёмкости от
температуры представляется линейной формулой:

        где
?T – увеличение температуры в °C или °К относительно нормальных
условий, при которых специфицировано значение ёмкости. TKE применяется
для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью
ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов
конденсаторов. Для характеристики конденсаторов с выраженной нелинейной
зависимостью обычно указывают предельные величины отклонений от
номинала в рабочем диапазоне температур.

Диэлектрическое поглощение конденсаторов

        Если
заряженный конденсатор быстро разрядить до нулевого напряжения путём
подключения низкоомной нагрузки, а затем снять нагрузку и наблюдать за
напряжением на выводах конденсатора, то мы увидим, что напряжение
медленно повышается. Это явление получило название диэлектрическое
поглощение или адсорбция электрического заряда. Конденсатор ведёт себя
так, словно параллельно ему подключено множество последовательных
RC-цепочек с различной постоянной времени. Интенсивность проявления
этого эффекта зависит в основном от свойств диэлектрика конденсатора.
Наименьшим диэлектрическим поглощением обладают конденсаторы с
тефлоновым (фторопластовым) диэлектриком. Подобный эффект можно
наблюдать и на большинстве электролитических конденсаторов, но в них он
является следствием химических реакций между электролитом и обкладками.

Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).

Конденсаторы с газообразным диэлектриком.

Конденсаторы с жидким диэлектриком.

Конденсаторы с твёрдым неорганическим
диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические,
стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из
неорганических плёнок.

Конденсаторы с твёрдым органическим
диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные –
бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.

Электролитические и
оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются
от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В
качестве диэлектрика используется оксидный слой на металле, являющийся
анодом. Вторая обкладка (катод) – это или электролит (в
электролитических конденсаторах) или слой полупроводника (в
оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный
слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из
алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги.

Читайте также:  Какие свойства есть у природного газа

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

Постоянные конденсаторы – основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).

Переменные конденсаторы –
конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе
функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться
механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и
температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в
радиоприемниках для перестройки частоты резонансного контура.

Подстроечные конденсаторы –
конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической
регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их
используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых
контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где
требуется незначительное изменение ёмкости.

Подстроечные конденсаторы –
конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической
регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их
используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых
контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где
требуется незначительное изменение ёмкости.

зависимости от назначения можно
условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального
назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в
большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят
наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не
предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются
специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные,
помехоподавляюшие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Краткое обозначение!Типы конденсаторов:
БМ – бумажный малогабаритный
БМТ
– бумажный малогабаритный теплостойкий
КД – керамический
дисковый
КЛС – керамический литой секционный
КМ – керамический
монолитный
КПК-М – подстроечный керамический
малогабаритный
КСО – слюдянной опресованный
КТ – керамический
трубчатый
МБГ – металлобумажный герметизированный
МБГО –
металлобумажный герметизированный однослойный
МБГТ –
металлобумажный герметизированный теплостойкий
МБГЧ –
металлобумажный герметизированный однослойный
МБМ –
металлобумажный малогабаритный
ПМ – полистироловый
малогабаритный
ПО – пленочный открытый
ПСО – пленочный
стирофлексный открытый

По материалам: wikipedia.org, radiopartal.tut.su, aes.at.ua

https://ur4nww.da.ru