Конденсатор электрический

Определение "Конденсатор электрический" в Большой Советской Энциклопедии

Конденсатор электрический, система из двух или более электродов (обкладок), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок; такая система электродов обладает взаимной электрической ёмкостью. Конденсатор электрический в виде готового изделия применяется в электрических цепях там, где необходима сосредоточенная ёмкость. Диэлектриком в Конденсатор электрический служат газы, жидкости и твёрдые электроизоляционные вещества, а также полупроводники. Обкладками Конденсатор электрический с газообразным и жидким диэлектриком служит система металлических пластин с постоянным зазором между ними. В Конденсатор электрический с твёрдым диэлектриком обкладки делают из тонкой металлической фольги или наносят слои металла непосредственно на диэлектрик. Для некоторых типов Конденсатор электрический на поверхность металлической фольги (1-я обкладка) наносится тонкий слой диэлектрика; 2-й обкладкой является металлическая или полупроводниковая плёнка, нанесённая на слой диэлектрика с другой стороны, или электролит, в который погружается оксидированная фольга. В интегральных схемах применяются два принципиально новых вида Конденсатор электрический: диффузионные и металл-окисел-полупроводниковые (МОП). В диффузионных Конденсатор электрический используется ёмкость созданного методом диффузии р — n-перехода, которая зависит от приложенного напряжения. В Конденсатор электрический типа МОП в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния, выращенный на поверхности кремниевой пластины. Обкладками служат подложка с малым удельным сопротивлением (кремний) и тонкая плёнка алюминия.

При подключении Конденсатор электрический к источнику постоянного тока на его обкладках накапливается электрический заряд Q = C × U; выражая Q в кулонах и U (напряжение на обкладках Конденсатор электрический) в вольтах, получим С — ёмкость Конденсатор электрический в фарадах. Ёмкость Конденсатор электрический с обкладками в виде двух параллельных плоских пластин равна:
 (пф),

где e₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума, e₀ =  8,85×10^-3 пф/мм; e — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (e ³1), S — площадь плоской обкладки в мм², b — расстояние между обкладками в мм.
  Ёмкость цилиндрического Конденсатор электрический (два коаксиальных полых цилиндра разделенных диэлектриком) равна:
 (пф),

где l — длина цилиндра в мм; D₂ — внутренний диаметр внешнего цилиндра в мм; D₁ — внешний диаметр внутреннего цилиндра в мм. При этом не учитываются искажения однородности электрического поля у краев обкладок (краевой эффект), и потому эти расчёты дают несколько заниженные значения ёмкости C; точность расчёта возрастает при уменьшении отношения  (для плоского Конденсатор электрический) и  (для цилиндрического Конденсатор электрический).

Конденсатор электрический часто включаются группами (батареей); для параллельного соединения Конденсатор электрический общая ёмкость батареи Сб = C₁+ C₂+...+ C_n, а для последовательного соединения
С_б = ,

где C₁, C₂,..., C_n — ёмкости отдельных Конденсатор электрический, составляющих батарею. При включении в цепь переменного тока частотой f гц через Конденсатор электрический протекает реактивный (ёмкостный) ток
,

где U — напряжение, приложенное к обкладкам Конденсатор электрический, x_c — реактивное сопротивление Конденсатор электрический
 (ом)
при условии, что f в гц, а С — в ф.

  Зависимость реактивного сопротивления Конденсатор электрический от частоты используется в электрических фильтрах. Вектор тока, протекающего через К. э., опережает вектор напряжения, приложенного к его обкладкам, на угол j » 90°, это позволяет применить Конденсатор электрический для повышения мощности коэффициента промышленных установок с индуктивной нагрузкой, для продольной компенсации в линиях электропередачи, в конденсаторных асинхронных двигателях и т. п. Реактивная мощность Конденсатор электрический P_p =2pfU²C (вар), где U — в в, f — в гц, С — в ф. К основным параметрам Конденсатор электрический (см. табл.) относятся: номинальная ёмкость — С_н; допуск по номинальной ёмкости
,

где С_и — измеренное значение ёмкости Конденсатор электрический; рабочее (номинальное) напряжение U_н, при котором Конденсатор электрический надёжно работает длительный промежуток времени (обычно более 1000 ч); испытательное напряжение U_ис, которое Конденсатор электрический должен выдерживать в течение определенного промежутка времени (2—5 сек, иногда до 1 мин) без пробоя диэлектрика; пробивное напряжение U_пр (постоянный ток), вызывающее пробой диэлектрика за промежуток времени в несколько сек; угол потерь d — чем d  больше, тем большая часть энергии выделяется на нагрев Конденсатор электрический; потери активной мощности Р_а = 2pfU²×Сн ×tg d (вт), где d — угол потерь, U — в в, С_н— в ф, f — в гц; температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ), характеризующий зависимость изменения ёмкости Конденсатор электрический от температуры; сопротивление изоляции R_из между выводами Конденсатор электрический при подаче на них постоянного напряжения.

Конденсатор электрический обладают индуктивностью L, вследствие чего полное сопротивление Конденсатор электрический часто не является преимущественно емкостным в любом диапазоне частот; применять Конденсатор электрический целесообразно только при частотах f<f₀ (f₀— собственная резонансная частота Конденсатор электрический), т. к. при f >f₀ сопротивление имеет преимущественно индуктивный характер. Надёжность Конденсатор электрический определяется вероятностью его безотказной работы в течение гарантированного срока службы; иногда надёжность выражают в виде интенсивности отказов Конденсатор электрический Для сравнительной оценки качества Конденсатор электрический применяются удельная ёмкость
 пф/см³,

где V_к см³ — активный объём Конденсатор электрический, и удельная стоимость, т. е. стоимость Конденсатор электрический, отнесённая к накопленной в Конденсатор электрический энергии или заряду. Удельная стоимость Конденсатор электрический всегда снижается по мере увеличения размеров Конденсатор электрический

По применению различают Конденсатор электрический низкого напряжения низкой частоты (большая удельная ёмкость С_у), низкого напряжения высокой частоты (малые ТКЕ и tg d, высокая С_у), высокого напряжения постоянного тока (высокое R_из), высокого напряжения низкой и высокой частоты (высокая удельная реактивная мощность). Конденсатор электрический выпускаются постоянной ёмкости, переменной ёмкости и полупеременные (триммеры). Параметры, конструкция и область применения Конденсатор электрический определяются диэлектриком, разделяющим его обкладки, поэтому основная классификация Конденсатор электрический проводится по типу диэлектрика.

Конденсатор электрический с газообразным диэлектриком (воздушные, газонаполненные и вакуумные) имеют весьма малые значения tg d и высокую стабильность ёмкости (см. табл.). Воздушные Конденсатор электрический постоянной ёмкости применяют в измерительной технике в основном как образцовые Конденсатор электрический Воздушные Конденсатор электрический рекомендуется применять при напряжениях не выше 1000 в. В электрических цепях высокого напряжения (свыше 1000 в) применяют газонаполненные (азот, фреон и др.) и вакуумные Конденсатор электрический Вакуумные Конденсатор электрический имеют меньшие потери, малый ТКЕ и более устойчивы к вибрациям по сравнению с газонаполненными. Рабочее напряжение для вакуумных Конденсатор электрический постоянной ёмкости от 5 до 45 кв. Наиболее целесообразно вакуумные Конденсатор электрический использовать при работе в диапазоне частот от 1 до 10 Мгц. Значение пробивного напряжения вакуумных Конденсатор электрический не зависит от атмосферного давления, поэтому они широко применяются в авиационной аппаратуре. Основной недостаток Конденсатор электрический с газообразным диэлектриком — весьма низкая удельная ёмкость.

Конденсатор электрический с жидким диэлектриком имеют при тех же размерах, что и Конденсатор электрический с газообразным диэлектриком, большую ёмкость, т. к. диэлектрическая проницаемость у жидкостей выше, чем у газов; однако такие Конденсатор электрический имеют большой ТКЕ и большие диэлектрические потери, по этим причинам они не перспективны.

К Конденсатор электрический с твёрдым неорганическим диэлектриком относятся стеклянные, стеклоэмалевые и стеклокерамические, керамические (низкочастотные и высокочастотные) и слюдяные Конденсатор электрический Стеклянные, стеклоэмалевые и стеклокерамические Конденсатор электрический представляют собой многослойный пакет, состоящий из чередующихся слоев диэлектрика и обкладок (из серебра и др. металлов). В качестве диэлектрика используются конденсаторное стекло, низкочастотная или высокочастотная стеклоэмаль и стеклокерамика. Эти Конденсатор электрический имеют относительно малые потери, малые ТКЕ, устойчивы к воздействию влажности и температуры, имеют большое сопротивление изоляции. Долговечность этих Конденсатор электрический при номинальном напряжении и максимальной рабочей температуре не менее 5000 ч. Керамические Конденсатор электрический представляет собой поликристаллический керамический диэлектрик, на который вжиганием нанесены обкладки (из серебра, платины, палладия). К обкладкам припаяны выводы, и вся конструкция покрыта влагозащитным слоем. Керамические Конденсатор электрический подразделяют на низковольтные высокочастотные (малые потери, высокая резонансная частота, малые габариты и масса), низковольтные низкочастотные (повышенная удельная ёмкость, относительно большие потери) и высоковольтные Конденсатор электрический (от 4 до 30 кв), в которых используется специальная керамика, имеющая высокое пробивное напряжение.

В 1960-х гг. в связи с развитием полупроводниковой техники, применявшей рабочие напряжения главным образом до 30 в, широкое распространение получили керамические Конденсатор электрический на основе тонких (около 0,2 мм) керамических плёнок. Применение сегнетокерамики в качестве диэлектрика позволило получить удельную ёмкость порядка 0,1 мкф/см³. Эти Конденсатор электрический рекомендуется ставить в низковольтных низкочастотных цепях. В слюдяных Конденсатор электрический диэлектриком служит слюда, расщепленная на тонкие пластинки до 0,01 мм. Слюдяные Конденсатор электрический имеют малые потери, высокое пробивное напряжение и высокое сопротивление изоляции. Электроды в слюдяных Конденсатор электрический делают из фольги или наносят на слюду испарением металла в вакууме либо вжиганием. Слюдяные низковольтные Конденсатор электрический широко применяют в радиотехнике (электрические фильтры, цепи блокировки и т. п.). Недостаток слюдяных Конденсатор электрический — малая временная и температурная стабильность ёмкости, особенно у Конденсатор электрический с обкладками из фольги.

Конденсатор электрический с твёрдым органическим диэлектриком изготавливают намоткой длинных тонких лент диэлектрика и фольги (обкладки); иногда применяют обкладки в виде нанесённого на диэлектрик слоя металла (цинк, алюминий) толщиной 0,03—0,05 мкм. В бумажных Конденсатор электрический диэлектриком служит специальная конденсаторная бумага; эти Конденсатор электрический имеют относительно большие потери, повышенную удельную стоимость. Эффективное использование бумажных Конденсатор электрический возможно при частотах до 1 Мгц. Бумажные Конденсатор электрический широко применяются в низкочастотных цепях высокого напряжения при большой силе тока, например для повышения коэффициента мощности (cos j).

В металлобумажных Конденсатор электрический применением металлизированных обкладок достигается большая удельная ёмкость (по сравнению с бумажными Конденсатор электрический), однако уменьшается сопротивление изоляции. Металлобумажные Конденсатор электрический обладают свойством «самовосстанавливаться» после единичных пробоев. Бумажные и металлобумажные Конденсатор электрический не рекомендуется применять в цепях с очень низким (по сравнению с номинальным) напряжением.

В пленочных Конденсатор электрический диэлектриком служит синтетическая плёнка (полистирол, фторопласт и др.). Плёночные Конденсатор электрический имеют большие сопротивления изоляции, большие ТКЕ, малые потери, относительно малую удельную стоимость. В комбинированных (бумажно-плёночных) Конденсатор электрический совместное применение бумаги и плёнки увеличивает сопротивление изоляции и напряжение пробоя, отчего повышается надёжность Конденсатор электрический Наибольшей удельной ёмкостью обладают лакоплёночные Конденсатор электрический с тонкими металлизированными плёнками. Эти Конденсатор электрический по удельной ёмкости приближаются к электролитическим Конденсатор электрический, но имеют лучшие электрические характеристики и допускают эксплуатацию при знакопеременном напряжении.

В электролитических (оксидных) Конденсатор электрический диэлектриком является оксидная плёнка, нанесённая электролитическим способом на поверхность пластинки из алюминия, тантала, ниобия или титана, которая служит одной из обкладок Конденсатор электрический Второй обкладкой служит жидкий, полужидкий или пастообразный электролит или полупроводник. Электролитические Конденсатор электрический обладают большой удельной ёмкостью, имеют большие потери и ток утечки, малую стабильность ёмкости. Наилучшие по своим электрическим характеристикам — оксидно-полупроводниковые электролитические Конденсатор электрический, однако их удельная стоимость пока ещё высока. Эксплуатация электролитических Конденсатор электрический возможна только при определённой полярности напряжения на обкладках, что ограничивает допустимую величину переменной составляющей рабочего напряжения. В связи с этим электрические Конденсатор электрический, как правило, применяют только в цепях постоянного и пульсирующего тока низкой частоты (до 20 кгц) в качестве блокировочных конденсаторов, в цепях развязки, в электрических фильтрах и т. п.

Конденсатор электрический переменной ёмкости и полупеременные изготовляются с механически и электрически управляемой ёмкостью. Изменение ёмкости в К. э, с механическим управлением достигается чаще всего изменением площади его обкладок или (реже) изменением зазора между обкладками. Наибольшее распространение получили воздушные Конденсатор электрический переменной ёмкости — две группы параллельных пластин, из которых одна группа (ротор) может перемещаться так, что её пластины заходят в зазоры между пластинами др. группы (статора). Ёмкость Конденсатор электрический изменяют, меняя взаимное угловое положение пластин статора и ротора. Конденсатор электрический переменной ёмкости с твёрдым диэлектриком (керамические, слюдяные, стеклянные, плёночные) в основном используются как полупеременные (подстрочные) с относительно небольшим изменением ёмкости.

В Конденсатор электрический с электрическим управлением ёмкостью применяют два типа твёрдого диэлектрика: сегнетоэлектрик (вариконд) и полупроводник с запорным слоем (варикап, семикап и т. д.). Вариконды увеличивают свою ёмкость с увеличением напряжения на обкладках. В варикапах для изменения ёмкости используется зависимость ширины p — n-перехода от приложенного напряжения: с увеличением напряжения ёмкость снижается вследствие увеличения ширины p — n-перехода. Варикапы имеют большую по сравнению с варикондами стабильность ёмкости и меньшие потери при высоких частотах.

Принятая в СССР система сокращённых обозначений Конденсатор электрический постоянной ёмкости состоит из четырёх индексов: 1-й индекс (буквенный) К — конденсатор; 2-й (цифровой) — группа Конденсатор электрический по виду диэлектрика; 3-й (буквенный) — назначение Конденсатор электрический (П— для работы в цепях постоянного и переменного тока, Ч — для работы в цепях переменного тока, У — для работы в цепях постоянного и переменного тока и в импульсных режимах, И — для работы в импульсных режимах, Конденсатор электрический, у которых нет индекса, — для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока); 4-й индекс — порядковый номер исполнения Конденсатор электрический Пример обозначения: К15И-1 — Конденсатор электрический постоянной ёмкости, керамический, предназначен для работы в импульсных режимах.

Для Конденсатор электрический переменной ёмкости с механическим управлением приняты следующие обозначения: два первых индекса (буквенных) КТ — подстроечные (полупеременные), КП — переменной ёмкости; третий индекс (цифровой) обозначает вид используемого диэлектрика. Для Конденсатор электрический с электрически управляемой ёмкостью применяется обозначение КН (конденсатор нелинейный); третий индекс обозначает основной параметр Конденсатор электрический (коэффициент усиления) и четвёртый — назначение Конденсатор электрический

Основные параметры конденсаторов постоянной ёмкости, изготавливаемых в СССР

Тип конденсатора	Пределы номинальной емкости, пф	Пределы напряжения, в	Удельная емкость (ср. знач.), пф/см3	ТКЕ ´ 106 (град.)-1*	tg d ´ 104 при частоте f
					tg d ´ 104	f (гц)
Воздушный	5×101¸4×103	102¸103	0,1	+(20¸100)	0,1¸5	106
Вакуумный	10¸103	103¸4,5×104	0,1	+(20¸30)	0,1¸3	106
Стеклоэмалевый	10¸103	102¸103	103	+65¸-130 (нормирован)	15	106
Стеклокерамический	10¸5×103	102¸5×102	104	±(30¸300)	20¸30	106
Керамический высокочастотный	1¸105	102¸103	103	+120¸-1300 (нормирован)	12¸15	106
Керамический низкочастотный	102¸106	102¸3×102	105	-	350	103
Слюдяной	10¸4×105	102¸104	103	±50¸±200)	10¸20	106
Бумажный	102¸107	102¸1,5×103	104	-	100	103
Металлобумажный	2,5×104¸108	102¸1,5×103	105	-	150	103
Плёночный полистирольный	102¸104	6×10¸1,5×104	103	-200	10	103¸106
Плёночный ПЭТФ	102¸108	102¸1,6×104	104	-200	20	103
Лакоплёночный	105¸108	10¸102	106	-	150	103
Электролитический алюминиевый	105¸1010	4¸5×102	108	-	2×103	50
Танталовый	105¸109	3¸6×102	2×108	-	103	50
Оксиднополупроводниковый	104¸109	1,5¸30	108	-	5×102	50

* ТКЕ не указан для тех типов Конденсатор электрический, у которых изменения ёмкости от температуры относительно велики и нелинейны.
Лит.: Ренне В. Т., Электрические конденсаторы, 3 изд., Л., 1969.
  А. В. Кочеров.