Конденсатор электрический

КОНДЕНСАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, устройство, состоящее из двух или более электродов (обкладок), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок; обладает способностью накапливать электрические заряды. Действие конденсатора электрического основано на поляризации диэлектрика, возникающей при подаче напряжения на обкладки. Электрическое поле поляризованного диэлектрика ослабляет электрическое поле зарядов, сосредоточенных на обкладках, что, в свою очередь, приводит к увеличению (накоплению) заряда конденсатора. Конденсаторы  электрические применяются в электрических цепях в качестве элемента с сосредоточенной ёмкостью электрической. Ёмкость конденсатора электрического пропорциональна диэлектрической проницаемости диэлектрика ε и тем больше, чем меньше толщина диэлектрика и чем больше площадь обкладок. Для подключения конденсатора электрического к элементам электрической цепи служат выводы (проволочные, ленточные и др.). В качестве одного из выводов может быть использован металлический корпус конденсатора электрического или специальная контактная поверхность.

Реклама

Конденсаторы  электрические часто включаются группами (в виде батарей); при параллельном соединении конденсатора электрического общая ёмкость батареи Сб=  С1 + С2+... + Cn, а при последовательном соединении Сб = (1/С1 + 1/С2 + ... + 1/Cn)-1,

где С1, С2,..,Cn - ёмкости отдельных конденсаторов электрических, составляющих батарею.

Изобретателем конденсатора электрического считают Э. Г. фон Клейста (Германия, 1745). В России простейшие конденсаторы электрические впервые применили М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман в 1752 году при исследовании атмосферного электричества. Промышленное производство конденсаторов электрических возникло в начале 1900-х годов в связи с развитием электро- и радиотехники.

Основные параметры конденсатора электрического: номинальная ёмкость Сн; рабочее (номинальное) напряжение Uн - предельно допустимое напряжение, при котором конденсатор  электрический может работать в течение гарантированного срока службы; пробивное напряжение Uпp, вызывающее пробой диэлектрика за короткий промежуток времени (несколько секунд); сопротивление изоляции Rиз - отношение величины приложенного постоянного напряжения к стационарному значению тока, протекающему через конденсатор  электрический после окончания его зарядки, так называемому току утечки; допустимая реактивная мощность Pq; тангенс угла потерь tg δ - служит мерой потерь мощности, выделенной в виде теплоты (смотри Диэлектрические потери); собственная индуктивность L, создаваемая обкладками, выводами и другими токопроводящими элементами конденсатора; температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ), характеризующий зависимость изменения ёмкости конденсатора электрического от температуры. Разнообразные области применения конденсатора электрического определяют широкий диапазон значений ёмкостей (от долей пФ до сотен мФ) и рабочих напряжений (от единиц В до сотен кВ), а также требований к температурной стабильности, допустимым потерям энергии и др. При этом стремятся к увеличению значений удельных характеристик, представляющих собой отношение ёмкости, заряда, запасаемой энергии и реактивной мощности к объёму или массе конденсатора.

Потери энергии в конденсаторе электрическом ограничивают частотный диапазон напряжений, при которых он может надёжно работать. Различают конденсаторы электрические, работающие только на постоянном напряжении с наложением небольшой переменной составляющей (например, конденсаторы электрические с оксидным диэлектриком), и конденсаторы электрические, работающие как при постоянном, так и при переменном напряжении. При работе конденсатора электрического в импульсных режимах необходимо учитывать его частотные характеристики и параметры импульсов. Надёжность конденсатора электрического определяется вероятностью его безотказной работы в течение гарантированного срока службы; иногда надёжность выражают в виде интенсивности отказов.

По возможности управления ёмкостью конденсаторы электрические подразделяются на конденсаторы постоянной ёмкости (наиболее распространены) и переменной ёмкости (например, вариконды, варикапы). К переменным конденсаторам электрическим относятся также подстроечные конденсаторы, или триммеры, служащие для настройки и регулировки радиоэлектронной аппаратуры. Управление ёмкостью переменного конденсатора электрического осуществляется механическим или электрическим способом.

Параметры, конструкция и область применения конденсатора электрического определяются, прежде всего, диэлектриком, разделяющим его обкладки, поэтому основная классификация конденсатора электрического проводится по типу диэлектрика.

Типы конденсаторов. Различают конденсаторы электрические с неорганическим (в том числе оксидным), органическим и газообразным диэлектриком. В качестве диэлектрика конденсатора электрического может использоваться запорный слой на границе электронно-дырочного перехода; в интегральных схемах конденсаторы электрические создают на основе тонкоплёночных МДП-структур (металл - диэлектрик – полупроводник-структура) .

Конденсаторы  электрические с неорганическим диэлектриком - наиболее распространённый тип конденсаторов. Диэлектриком в них служат керамика, слюда, стекло и др. Для конденсатора электрического этого типа характерны: широкий диапазон ёмкостей - от долей пФ до десятков мкФ, высокая температурная стабильность, хорошая совместимость (по конструкции и технологии) с интегральными схемами, а также относительная простота изготовления, что обусловливает их низкую стоимость и наиболее массовое производство. Конструктивно такие конденсаторы электрические выполняют однослойными (дисковой, трубчатой или пластинчатой формы) и многослойными. Однослойные конденсаторы электрические в основном изготовляют с керамическим диэлектриком, обкладки наносят вжиганием (Ag), осаждением химическим способом (Ni, Cu) или напылением в вакууме. В многослойных конденсаторах электрических используют слюду, керамику, стекло, стеклокерамику. Конструктивно слюдяные конденсаторы электрические представляют собой набор (пакет) плотно обжатых однослойных конденсаторов, соединённых параллельно. Наиболее перспективны многослойные конденсаторы электрические с керамическим, стеклокерамическим или стеклянным диэлектриком, выполненные в виде спечённого монолитного пакета из чередующихся слоёв диэлектрика и тугоплавкого металла (обкладок); такая конструкция позволяет снять ограничения по толщине диэлектрика (обусловленные его хрупкостью) и существенно повысить удельную ёмкость конденсатора электрического. Кроме того, монолитные конденсаторы электрические более устойчивы к внешним воздействиям, могут работать при высоких температурах (до 300 °С) и обладают высокой надёжностью.

Конденсаторы  электрические с неорганическим диэлектриком эффективны в широком диапазоне номинальных напряжений (от нескольких В до десятков кВ). При низких напряжениях (до 100 В) в радиоэлектронной аппаратуре получили распространение конденсаторы электрические ёмкостью до десятков мкФ; им свойственна также широкая область рабочих частот, вплоть до десятков и сотен ГГц. Высокочастотные конденсаторы электрические (керамические, стеклокерамические, слюдяные и др.) характеризуются малыми диэлектрическими потерями, высокой температурной стабильностью и большим сопротивлением изоляции; низкочастотные (преимущественно сегнетокерамические) - высоким электрическим сопротивлением, повышенной удельной ёмкостью и относительно большими диэлектрическими потерями. Высоковольтные конденсаторы электрические (от 4 до 30 KB) широко применяются в технике высоких напряжений; изготовляются из специальной керамики, имеющей высокое пробивное напряжение.

В конденсаторе электрическом с оксидным диэлектриком (другое название - электролитический конденсатор) одной из обкладок (анодом) является металл, покрытый слоем оксида, который в этом случае выполняет функции диэлектрика; другой обкладкой (катодом) служит жидкий или твёрдый электролит, соприкасающийся с оксидным слоем. Оксидный слой на поверхности металла создаётся в результате анодного окисления этого металла. Малая толщина оксидного слоя (50-250 нм) позволяет получать большие удельные ёмкости, а его высокая электрическая прочность (400-600 кВ/мм) - создавать конденсаторы электрические с рабочим напряжением до 500 В. Материалом анода обычно служит алюминиевая, танталовая фольга или мелкодисперсный порошок Al, Та или Nb. Конденсатор  электрический с фольговым анодом представляет собой рулон, намотанный из сложенных вместе фольги (с оксидированной поверхностью) и бумажной ленты, пропитанной электролитом и имеющей катодный вывод. Анод из порошка изготовляют методом порошковой металлургии в виде объёмного пористого тела, которое после окисления его поверхностного слоя пропитывается электролитом. Конденсатор  электрический с оксидным диэлектриком характеризуются большой удельной ёмкостью; широко применяются в электрических фильтрах низкой частоты различных источников питания постоянного тока.

В конденсаторе электрическом с органическим диэлектриком в качестве последнего используют специальную (так называемую конденсаторную) бумагу, пропитанную изоляционным маслом или твёрдым органическим веществом с хорошими изоляционными свойствами (например, октолом), полимерные плёнки (полистирол, фторопласт и др.) либо чередующиеся слои пропитанной бумаги и полимерных плёнок. Обкладками служит фольга (как правило, алюминиевая) либо тонкий слой металла, нанесённый непосредственно на диэлектрик. Конденсаторы  электрические с металлизированными обкладками по сравнению с фольговыми имеют лучшие удельные характеристики за счёт меньшей толщины обкладок и более высоких градиентов электрического поля в диэлектрике.

Конструкция конденсатора электрического с органическим диэлектриком обычно представляет собой совокупность конденсаторных секций, состоящих из намотанных слоёв диэлектрика и фольги (или металлизированного диэлектрика), заключённых в герметичный или уплотнённый (влагонепроницаемый) корпус. Наибольшее распространение получили бумажные конденсаторы электрические, предназначенные в основном для работы в цепях постоянного тока, переменного тока низкой частоты или в импульсном режиме. Номинальная ёмкость бумажных конденсаторов электрических составляет от сотен пФ до сотен мкФ, номинальное напряжение - от сотен В до десятков кB, что обусловило их широкое применение в технике сильных токов и высоких напряжений. Плёночные конденсаторы электрические по сравнению с бумажными имеют более высокую стабильность ёмкости, малые потери, высокое сопротивление изоляции, расширенный частотный диапазон, повышенную надёжность и долговечность; рабочее напряжение 0,1-10 кВ, ёмкость 1000 пФ - 1 мкФ. Плёночные конденсаторы электрические используют в радиоаппаратуре, работающей при температуре до 200 °С. Конденсаторы  электрические с комбинированным бумажно-плёночным диэлектриком применяют, когда необходимы повышенные значения запасаемой энергии, например для формирования электрических импульсов.

Конденсаторы  электрические с газообразным диэлектриком (в том числе воздушные и вакуумные) характеризуются малыми значениями tg δ и ТКЕ, восстанавливаются после пробоя, однако имеют весьма низкую удельную ёмкость. Воздушные конденсаторы электрические постоянной ёмкости используются в основном в измерительной технике в качестве образцовых мер, конденсаторы переменной ёмкости - в радиопередатчиках и радиоприёмниках для настройки колебательных контуров; их рабочее напряжение до 1 кВ, ёмкость 10-1000 пФ. В электрических цепях высокого напряжения (свыше 1 кВ) применяют вакуумные и газонаполненные (азот, хладон и др.) конденсаторы. Вакуумные конденсаторы электрические по сравнению с газонаполненными имеют меньшие диэлектрические потери и более устойчивы к вибрациям; эффективно работают в диапазоне частот от 1 до 100 МГц. Значение пробивного напряжения вакуумных конденсаторов электрических не зависит от атмосферного давления, поэтому они широко применяются в авиационной и космической радиоаппаратуре.

Лит.: Ренне В. Т. Электрические конденсаторы. 3-е изд. Л., 1969; Справочник по электрическим конденсаторам / Под редакцией И. И. Четверткова, В. Ф. Смирнова. М., 1983; Горячева Г. А., Добромыслов Е. Р. Конденсаторы: Справочник. М., 1984.

В. Ф. Смирнов.