И применения конденсаторов

Конденсаторы, назначения и классификация. Характеристики основных типов конденсаторов. Параметры и характеристики конденсаторов. Особенности выбора

Конденсаторы применяются в электрических цепях в качестве сосредоточенной емкости; выпускаются постоянной, полуперемен­ной и переменной емкостей. Емкость конденсатора пропорциональна диэлектрической проницаемости диэлектрика e. В качестве диэлек­трика используются газы, жидкости, твердые неорганические веще­ства (стекло, слюда, керамика, полупроводник), твердые органические вещества (бумага, полистирол, фторопласт), электролиты.

При подключении конденсатора к источнику постоянного напря­жения U на его обкладках накапливается электрический заряд, а в диэлектрике создается электрическое поле с энергией, дж,

,

которая может быть использована при разряде для формирования импульса.

При включении конденсатора в цепь переменного напряжения возникает реактивный (емкостной) ток, а,

где - реактивное сопротивление конденсатора, ом; f - частота, гц.

Конденсатор можно применять для разделения токов разной частоты (фильтры) или постоянной и переменной составляющих выпрямленного тока.

Рассмотрим основные параметры конденсаторов постоянной емкости.

Номинальная величина и класс точности. Номи­нальная величина конденсатора постоянной емкости выбирается из определенного ряда чисел (шкалы номинальных значений), уста­новленного ГОСТ 2519-67 и приведенного в табл.5.

Таблица 5.

Величина отклонения фактического значения емкости конденса­тора от номинального определяется классом точности по ГОСТ 9661-61 (табл.6).

Таблица 6.

Наибольшее распространение получили конденсаторы I, II, III классов.

Электрическая прочность. Электрическая прочность характеризуется рабочим напряжением, при котором конденсатор длительное время эксплуатируется (обычно более 10000 ч), сохра­няя свои параметры в допуске; испытательным напряжением (пре­вышает рабочее в 2-3 раза), которое конденсатор выдерживает в течение испытательного срока (обычно до I мин); пробивным на­пряжением, которое выводит конденсатор из строя в течение не­скольких секунд (пробивает диэлектрик).

Потери в конденсаторе. Потери в конденсаторе харак­теризуются тангенсом угла потерь. В реальном конденсаторе при прохождении через него переменного тока часть энергии рассеи­вается и переходит в тепловую форму. В эквивалентной схеме кон­денсатора это учитывается резистором (утечка изоляции, потери на высокой частоте и др.), включенным параллельно конденсатору.

На рис.12, а изображена схема конденсатора с потерями, а на рис.12, б - векторная диаграмма токов и напряжений в цепи данного конденсатора.

Рис.12. Схема и угол потерь в конденсаторе

Ток I _r = U / R, текущий через резистор R, находится в фазе с напряжением U.

Он изображен вектором, совпадающим по направлению с U. Вектор тока , текущего через емкость, сдвинут на угол 90 к вектору напряжения.

Вектор результирующего тока I составляет с вектором U некоторый угол. Схема и угол j<90°, что и приводит к активным потерям в конденсаторе.

Дополнительный угол является углом потерь, а его тангенс определяемый из векторной диаграммы,

,

где - частота, гц; R - сопротивление, ом; С - емкость, ф.

Чем меньше , тем лучше конденсатор выполняет свои функции. Так, конденсатор с диэлектриком из слюды имеет tg d= 0,002 (d = 7'), с бумажным диэлектриком - tg d = 0,015 (d=50'); для электролитических конденсаторов tgd = 0,25 (d=14°).

Иногда вместо tg d пользуются понятием «добротность конден­сатора:

Качество конденсатора тем выше, чем больше его добротность. Лучшие конденсаторы имеют добротность от 200 до 1000.

Сопротивление изоляции. Сопротивление изоляции оп­ределяет ток утечки через конденсатор, зависит от качества и раз­меров диэлектрика, уменьшается с повышением температуры окру­жающего воздуха и влажности.

Для электролитических конденсаторов вместо понятия сопро­тивления изоляции пользуются понятием тока утечки, так как зна­чительные по величине токи утечки, появляющиеся при низком значении сопротивления изоляции, могут привести к нарушению работы схемы.

Ток утечки электролитических конденсаторов КЭ

,

где I - ток утечки, ма; С - номинальная емкость, мкф; V - номи­нальное рабочее напряжение, в; m - величина, равная 0,2 для ем­костей до 0,5 мкф, 0,1 - для емкостей от 5 до 50 мкф и 0 - для ем­костей больше 50 мкф.

Стабильность емкости. Стабильность емкости зависит от целого ряда причин, но главным образом от колебаний темпе­ратуры и влажности окружающего воздуха. Учитывается она с по­мощью соответствующих коэффициентов.

Изменение емкости при колебаниях температуры определяется температурным коэффициентом емкости (ТКЕ). Последний харак­теризует относительное изменение емкости при изменении темпера­туры на 1°С.

,

Где DС — изменение емкости при изменении температуры па Dt ⁰С; С -значение емкости при нормальной температуре.

ТКЕ может быть по знаку как положительным, так и отрица­тельным. Например, у конденсаторов с диэлектриком из слюды и бумаги при повышении температуры емкость увеличивается, а из керамики — уменьшается. Конденсаторы постоянной емкости в за­висимости от ТКЕ разделяются на группы, которым присваивается определенная буква, а иногда и цвет корпуса.

Собственная индуктивность. Всякий конденсатор имеет собственную (паразитную) индуктивность L, определяемую конструкцией его выводив и обкладок. Наличие собственной индук­тивности приводит к появлению резонанса:

Если рабочая частота f > f _o, то сопротивление конденсатора но­сит индуктивный характер, а при f < f _о - емкостной. Поэтому кон­денсаторы следует использовать в схеме при частоте, которая в 2-3 раза меньше, чем собственная резонансная частота конден­сатора.

Имеются справочные таблицы, где указаны собственные индук­тивности стандартных конденсаторов и максимальные рабочие ча­стоты для них.

К другим не менее важным параметрам конденсаторов отно­сятся: срок службы, габариты, вес, допустимые климатические воз­действия {температура, влажность, давление), механические перегрузке и др.

По виду применения различают следующие конденсаторы.

Конденсаторы низкого напряжения низкочас­тотные. Эти конденсаторы должны иметь большую удельную емкость:

где V - объем конденсатора, см³.

Конденсаторы низкого напряжения высоко­частотные. Эти конденсаторы должны иметь высокие стабиль­ность и удельную емкость, малую активную мощность, выделяю­щуюся в конденсаторе,

Конденсаторы высокого напряжения низко­частотные и высокочастотные. Эти конденсаторы должны иметь высокую удельную реактивную мощность и малую удельную активную мощность

.

Конденсаторы высокого напряжения постоян­ного тока. Эти конденсаторы должны иметь большую удель­ную энергию

.

Для схем на транзисторах выпускаются электролитические кон­денсаторы: ЭМ (электролитические малогабаритные); ЭМИ (электролитические миниатюрные); ЭТО (электролитические танталовые объемно-пористые). Номинальные емкости и рабочие напряжения указанных конденсаторов приведены в табл.7.

В спецификации электрических схем для постоянных конденса­торов указывается: тип, рабочее напряжение, номинальная вели­чина емкости, точность, номер технических условий или ГОСТ. На­пример, конденсатор БМ-1-300-470+ 10%, ГОСТ,9687-61.

В табл.8 даны значения напряжений на выходе схемы в процессе заряда конденсатора, соответствующие различным дискретным значениям времени, при этом время выражено через постоянную времени t.

Таблица 8.

Время t, сек	Напряжение(U вых.)зар.
t 2.2t 5t	0.63 U 0.9 U U

После окончания действия импульса конденсатора С разряжается, а напряжение на выходе схемы изменяется по закону

Если на выходе схемы RC- задержки включен пороговый элемент, который срабатывает при заряде емкости от амплитуды 0. 9U, то время фронта импульса можно считать временем максимальной задержки: .

При согласовании RC-задержки с другими элементами, как правило, на вход е должен включаться элемент, имеющий малое выходное сопротивление (эммитерный повторитель, каскад с трансформаторной связью), а на выходе – элемент с большим входным сопротивлением (эммитерный повторитель).

Классификация и условное обозначение конденсаторов

Конденсор, применяемые радиотехнической, измерительной и электронной аппаратуре, делятся на пять подклассов: постоянной емкости, подстрочные, переменной емкости, нелинейные, конденсаторные сборки_.

Различают конденсаторы по рабочим напряжениям: низковольтные (до 1600 В) и высоковольтные (свыше 1600 В)

При заданном типе, диэлектрика различают следующие основные режимы работы. При выборе конденсаторов для работы на переменном или импульсном напряжении необходимо, учитывать по­тери энергии в нем. Различают конденсаторы с малыми и большими потерями.

По конструктивному оформлению конденсаторы делят на герметизированные и негерметизированные, постоянные и переменные, для навесного и печат­ного монтажа,, для работы с микросхемами.

Рис.13. Классификация конденсаторов

Условное обозначение конденсаторов составляется из условного обозначения подкласса, условного обозначения группы конденсаторов по виду диэлектрика и порядкового номера разработки, который отделяется от остальных индексов чертой. Например, конденсатор керамический, на 'Напряже­ния ниже 1600 В, седьмая разработка, обозначается К10-7,

По данной системе обозначений можно различать конденсаторы, разрабо­танные после 1960 г. Ранее разработанные типы, которые не все еще вышли из употребления, имели 'буквенные обозначения: первая буква К указывает, что это конденсатор, вторая - тип диэлектрика (Б - бумажный, С - слюдяной, П - пленочный и т. д.), третья - особенности конструкции (например, буква Г обо­значает герметизированные - конденсаторы). Таким образом, обозначение КСГ относится к слюдяным герметизированным конденсаторам. Позднее для упро­щения отказались применять первую букву К и обозначения выглядели, напри­мер, так: МБГТ - металлобумажный герметизированный теплостойкий или ФГТИ — фторопластовый герметизированный теплостойкий в изолированном корпусе.

Обозначения конденсаторов в электрических схемах

Обычным обозначением конденсаторов в электрических схемах являет­ся знак, показанный на рис.14,а. В станкостроении, в электрических схемах уп­равления движением станков или других автоматизированных устройств таким знаком изображают контакты: в связи с этим для - обозначения конденсатора в подобных схемах применяют знак, показанный на рис.14,б. В полярных оксид­ных конденсаторах одна обкладка (анод) для нормальной работы конденсато­ра должна иметь полярность «плюс», а вторая (катод) - полярность «минус»; для таких конденсаторов применяется обозначение по рис.14,е. Для неполярных оксидных конденсаторов, у которых катод заменен вторым анодом, применяется знак, показанный на рис.14,г. Для проходных конденсаторов, у которых одна из обкладок включается в разрыв линии, несущей значительный ток, применяет­ся знак по рис.14.д (дуга обозначает корпус, внешний электрод).

Рис.14 Обозначения конденсаторов в электрических схемах

Для конденсатора переменной емкости, конструкция которого позволяет плавно изменять его емкость, применяется знак, показанный на рис.14,е (дуг обозначает ротор). Для блока конденсаторов переменной емкости (блок КПЕ), т.е. для группы конденсаторов, связанных общей системой управления, применяется знак на рис.14,ж (конденсаторы, входящие в блок, могут быть разнесены по схеме). Для дифференциальных конденсаторов переменной емкости применяют знак на рис.14,з. Для построечных (полупеременных) конденсато­ров, емкости которых изменяется только в процессе настройки аппаратуры, после чего подвижная- часть конденсатора фиксируется в выбранном положении, и далее конденсатор уже работает как конденсатор постоянной емкости, применяется знак, показанный на рис.14,а.

Для варикондов, у которых емкость изменяется в зависимости от напряжения, предложено обозначение, показанное на рис.14,к.

На принципиальной схеме рядом с условным графическим обозначением конденсатора помещают и его буквенное обозначение (латинская прописная буква С) с порядковым цифровым индексом (например, С1, С2, СЗ и т. д.), а также указывают емкость конденсатора).

ЛЕКЦИЯ №3

Дата добавления: 2014-01-06