Тема 11 Загальні відомості про конденсатори

План:

1. Поняття та основні параметри.

2. Позначення на схемі.

3. Класифікація.

4. Маркування.

5. Види конденсаторів.

6. Застосування.

7. Техніка безпеки

Поняття та основні параметри

Конденсатор – елемент електричного кола, що складається з провідних електродів (обкладок), розділених діелектриком та призначенні для використання його ємності (фотоспалах).

Ємність конденсатора – відношення розжарюваного в ньому електричного заряду до прикладеної напруги (вимірюється у Фарада).

Питома ємність – відношення ємності до об'єму.

Номінальна ємність – ємність, яку повинен мати конденсатор згідно з ДСТУ.

Фактична ємність відрізняється від номінальної на величину допуску.

Електроміцність конденсатора характеризується показниками Uном (тобто найбільш допустиме для роботи в тривалому режимі).

Випробувальна напруга – Umax, при якому випробовується електроміцність конденсатора.

Пробивна напруга – Umin, при якій відбувається електричний пробій на швидкому випробуванні (напруга підвищується до пробою протягом декількох секунд).

На рисунку 70 зображено конденсатор керамічний змінної ємності.

Рисунок 70 – Конденсатор змінної ємності

Саморозряд

Заздалегідь заряджений конденсатор впродовж часу втрачає накопичену енергію за рахунок струму витіку, що протікає через прошарок діелектрика між обкладинками. Часто в довідниках на конденсатори наводиться параметр постійна часу саморозряда конденсатора, чисельно дорівнює добутку ємності на опір витіку. Це є час, за яке початкова напруга на відключеному конденсаторі зменшиться в е раз.

П'єзоефект

Багато керамічних матеріалів мають п'єзоефект – здатність генерувати різницю потенціалів при механічній деформації.

Діелектрики деяких керамічних конденсаторів також можуть володіти таким властивостями. Зазвичай це виявляється у виникненні перешкод в електричних ланцюгах, внаслідок шуму чи вібрації.

Самовідновлення

У деяких типах конденсаторів в місці пробою ізоляції прогорають обкладки – конденсатор продовжує працювати зі зменшеною ємністю (незначно).

На рисунку 71 зображено конденсатор слюдяний герметизований малогабаритний.

Рисунок 71 – Конденсатор слюдяний герметизований малогабаритний

За характером захисту від зовнішніх впливів конденсатори виконуються: незахищені, захищені, неізольовані, ізольовані, ущільнені та герметизовані.

До НЧ плівкових відносять конденсатори на основі полярних й слабополярних плівок (паперові, металопаперові, комбіновані, лакоплівкові, полікарбонатні та поліпропіленові). Вони здатні працювати на частотах до 105Гц при суттєвому зниженні амплітуди змінної складової напруги із збільшенням частоти.

Конденсатор в ланцюзі постійного струму може проводити струм у момент включення його в ланцюг (відбувається заряд або перезаряд конденсатору), по закінченню перехідного процесу струм через конденсатор не тече, так як його обкладки розділені діелектриком. У ланцюзі ж змінного струму він проводить коливання змінного струму за допомогою циклічної перезарядки конденсатора, замикаючись на так званий струм зміщення.

Позначення на схемі

– конденсатор постійної ємності має загальне позначення;

– постійної ємності поляризований;

– конденсатор змінної ємності;

– конденсатор підлаштування.

Для отримання великих ємностей конденсатори з'єднують паралельно (рис.72). При цьому напруга між обкладинками усіх конденсаторів однакова. Загальна ємність батареї паралельно з'єднаних конденсаторів дорівнює сумі ємностей усіх конденсаторів, які входять у батарею.

Рисунок 72 – Паралельне з'єднання конденсаторів

3. Класифікація

Класифікація проводиться за родом діелектрика, три елементи маркування:

Перша буква:

К – конденсатор постійної ємності;

КТ – конденсатор підлаштування;

КП – конденсатор змінної ємності;

КД – конденсатори дискові;

КМ – керамічні монолітні.

Друга літера – група конденсаторів:

– керамічні, на номінальну напругу нижче 1600В – 10÷15;

– керамічні, на номінальну напругу вище 1600В – 21÷22;

– скляні – 26;

– склокерамічні –31;

Конденсатори постійні:

– тонкоплівкові з неорганічним діелектриком – 31÷40;

– слюдяні малої потужності – 41;

– слюдяні великої потужності – 42;

– паперові, на номінальну напругу нижче кВ, фольгові – 50÷51;

– паперові, на номінальну напругу вище кВ, фольгові – 52÷53;

– паперові металізовані – 60;

– оксидно-електролітичні, алюмінієві – 61;

– оксидно-електролітичні танталові, ніобієві, тощо – 70 ÷ 71;

– об'ємно-пористі – 72;

– оксидно-напівпровідникові – 73÷74;

– з повітряним діелектриком – 75;

– вакуумні – 76;

– полістирольні – 77;

– фторопластові – 78;

Конденсатори підлаштування:

– вакуумні – 1;

– з повітряним діелектриком – 2;

– з газоподібним діелектриком – 3;

– з твердим діелектриком – 4;

Конденсатори змінної ємності:

– вакуумні – 1;

– з повітряним діелектриком – 2;

– з газоподібним діелектриком – 3;

– з твердим діелектриком – 4.

Третій елемент – пишеться через дефіс та позначає реєстраційний номер.

Маркування

Цифри – номінальна ємність, букви – одиниця ємності, а також букви –допустиме відхилення.

Розшифрування позначень (приклади, решта за аналогією):

9,1пф – 9П1

22пф – 22П

150пф – Н15

1800пф – 1Н8

0.01мкФ – 10Н

0.15мкФ – М15

50мкФ – 50М

6.8мкФ – 6М8

Зарубіжні керамічні дискові конденсатори (темно жовті): остання цифра позначає кількість нулів на кінці:

391 – 390пф132 – 1300пф

473 – 47000пф

1623 – 162000пф – 162нф

154 – 150000пф – 0.15мкф

105 – 1000000пф – 1мкф

.001 – 0.001мкф

.02 – 0.02мкф

Типи конденсаторів

БМ – паперовий малогабаритний;

БМТ – паперовий малогабаритний теплостійкий;

КД – керамічний дисковий;

КЛС – керамічний литий секційний;

КМ – керамічний монолітний;

КПК-М – конденсатор підлаштування малогабаритний;

КТ – керамічний трубчатий;

МБГ – металопаперові герметизовані;

МБГО – металопаперові герметизовані, одношаровий;

МБГТ – металопаперові герметизовані теплостійкі;

МБГЧ – металопаперові герметизовані, чотирьохшаровий;

МБМ – металопаперові малогабаритні;

ПМ – полістироловий малогабаритний;

ПЗ – плівковий відкритий;

ПСО – плівковий стірофлексний, відкритий;

КЛС – керамічнолиті секційні;

КСО – конденсатори слюдяні опресовані;

СГМ – слюдяні герметизовані малогабаритні;

КБГИ – конденсатори паперові герметизовані ізольовані;

КБГЧ – металопаперові герметизовані частотні;

КЭГ – конденсатори електролітичні герметизовані;

ЭТО – електролітичні танталові об'ємно-пористі;

КПК – конденсатори підлаштування керамічні.

Параметри і характеристики, що входять в повне умовне позначення, вказуються в наступній послідовності:

Позначення конструктивного виконання

Номінальна напруга

Номінальна ємність

Допустиме відхилення ємності

Група й клас з температурою стабільності ємності

Номінальна реактивна потужність

Інші, необхідні додаткові характеристики. Основні електричні параметри та характеристики конденсаторів.

Види конденсаторів

Конденсатори постійні – ємність не змінюється (тільки по закінченню терміну служби). Слюдяні випускаються з обкладинками з фольги.

Керамічні – пластини, диски або трубки з кераміки, на які нанесені електроди з металу. Для захисту покриваються емалями, або укладаються у спецкорпуса, застосовуються в якості контурних, розділювальних, блокувальних, тощо (рис.73).

Рисунок 73 – Керамічні конденсатори

Скляні – монолітні спечені блоки, які чергуються з шарів скляних плівок й алюмінієвої фольги. Корпус виготовляється з такого ж скла.

Склокерамічні – скляні, але діелектрик скло з домішками такого ж скла.

Склоемалеві – діелектриком служить склоподібна емаль, а обкладки – шари срібла.

Металопаперові – діелектрик (конденсаторний лакований папір), обкладки тонкі шари металу (менш мікрометра) нанесені на папір з одного боку (рис.74). Корпус циліндричний алюмінієвий, кінці герметизовані епоксидною смолою (ВЧ плівкові).

Рисунок 74 – Металопаперові конденсатори

Плівкові та металоплівкові – діелектрик (плівка з пластмаси, полістиролу, фторопласту, тощо) і обкладка (металева фольга або тонкий шар метала, нанесеного на плівку).

Електролітичні та оксидно напівпровідникові: діелектрик – оксидний шар на металі, що є однією з обкладок (анодом). Друга обкладка (катод) – електроліт або шар напівпровідника, нанесений безпосередньо на оксидний шар (рис.75). Аноди виготовляються з алюмінію, танталу або ніобієвій фольги. Ці конденсатори використовуються лише в цілях постійного або пульсуючого струму, тому що провідність залежить від полярності прикладеної напруги.

Рисунок 75 – Електролітичні конденсатори

Використовують переважно в фільтрах випрямних пристроїв, у ланцюгах звукових частот, підсилювачах звукових частот.

Герметичний слюдяний конденсатор в металоскляному корпусі типу «СГМ» використовують для навісного монтажу (рис.71).

По виду діелектріка розрізняють:

* конденсатори вакуумні (обкладки без діелектрика, знаходяться у вакуумі);

* конденсатори з газоподібним діелектриком;

* конденсатори з рідким діелектриком;

* конденсатори з твердим неорганічним діелектриком: скляні (склоемалеві, стеклокерамічні, скляно-плівкові), слюдяні, керамічні, тонкошарові, з неорганічних плівок;

* конденсатори з твердим органічним діелектриком: паперові, металопаперові, плівкові, комбіновані (паперовоплівкові, тонкошарові з органічних синтетичних плівок);

* електролітичні та оксидно -напівпровідникові конденсатори. Такі конденсатори відрізняються від інших типів насамперед великою питомою ємністю.У якості діелектрика використовується оксидний шар на металевому аноді. Друга обкладка (катод) – електроліт (електролітичні конденсатори) або шар напівпровідника (оксидно-напівпровідникові), нанесених безпосередньо на оксидний шар. Анод виготовляється, залежно від типу конденсаторів, з алюмінієвої, танталової фольги або спеченого порошку;

* твердотільні конденсатори – замість традиційно рідкого електроліту використовується спеціальний струмопровідний органічний полімер або полімеризований органічний напівпровідник. Час напрацювання на відмову –50000 годин при температурі +85°С, слабо залежить від температури. Не вибухають.

Сучасні конденсатори, руйнуються без вибуху завдяки спеціальній конструкції – верхня кришка розривається (рис.75). Руйнування можливо через порушення режиму експлуатації або старіння.

Конденсатори з розірваною кришкою практично непрацездатні та потребують заміни, якщо вони роздулися, але ще не розірвалися – швидше за все, незабаром вийде з ладу або зміняться параметри, що зробить його використання неможливим.

Багато конденсаторів з оксидним діелектриком (електролітичні) функціонують тільки при коректній полярності напруги через хімічні особливості взаємодії електроліту з діелектіріком. При зворотній полярності напруги електролітичні конденсатори зазвичай виходять з ладу через хімічне руйнування діелектрика з подальшим збільшенням струму, скипанням електроліту всередині і, як наслідок, з ймовірністю вибуху корпусу.

Вибухи електролітичних конденсаторів – досить поширене явище. Основною причиною вибухів є перегрів конденсатору (рис.75), що викликається в більшості випадків витіканням або підвищенням еквівалентного послідовного опору, внаслідок старіння (актуальне для імпульсних пристроїв). У сучасних комп’ютерах перегрів конденсаторів часта причина виходу їх з ладу, коли вони стоять поруч з джерелами підвищеного тепловиділення (радіатори охложденія).

Для зменшення ушкоджень інших конденсаторів та травматизму персоналу в сучасних конденсаторах великої ємності встановлюють клапан або виконують насічку на корпусі (частіше можна помітити її у формі літери Х, К або Е на торці, іноді на великих конденсаторах вона прикрита пластиком).

При підвищенні внутрішнього тиску відкривається клапан або корпус руйнується по насічці, електроліт випаровується виходчи у вигляді їдкого газу або навіть рідини, і тиск спадає без вибуху та уламків (рис.76). Старі електролітичні конденсатори вироблялися в герметичному корпусі та не мали жодних захистів від вибуху. Вибухова сила частин корпусу може бути досить великою й травмувати людину.

На відміну від електролітичних, вибухонебезпечність оксіднополупроводнікових (танталових) конденсаторів пов'язана з тим, що такий конденсатор фактично являє собою вибухову суміш: в якості пального служить тантал, а в якості окислювача – двоокис марганцю. Обидва цих компонента в конструкції конденсатора змішані у вигляді тонкого порошку. При пробої конденсатора або при його випадкової переплюсовкі, що виділяється при протіканні струму, тепло ініціює реакцію між даними компонентами – протікає у вигляді сильного спалаху з хлопком, що супроводжується розкиданням іскор та уламків корпусу. Сила такого вибуху досить велика, особливо у великих конденсаторів – здатна зашкодити не тільки сусідні радіоелементи, а й плату. При тісному розташуванні декількох конденсаторів можливий пропал корпусів сусідніх конденсаторів, що призводить до одночасного вибуху всієї групи.

Рисунок 76 – Сучасні конденсатори з клапаном формі літери Х

Крім того, коденсатори розрізняються по можливості зміни своєї ємності:

* постійні конденсатори – основний клас конденсаторів що не змінюють своєї ємності (окрім закінчення терміну служби);

* змінні конденсатори – коденсатори, які допускають зміну ємності в процесі функціонування приладу. Управління ємністю може здійснюватися механічно, електричною напругою та температурою. Застосовують, наприклад, в радіоприймачах для перебудови частоти резонансного контакту.

* Конденсатори підлаштування – конденсатори, ємності яких змінюється при разовому періодичному регулюванні, не змінюються в процесі функціонування апаратури. Їх використовують для підлаштування та вирівнювання початкових ємностей сполучених контурів, для періодичного підлаштування та регулювання ланцюгів схем, де потрібна незначна зміна ємності.

Конденсатори, залежно від призначення, умовно поділяють на загального та спеціального призначення. Конденсатори загального призначення використовують практично в більшості видів й класів апаратури. Традиційно до них відносять найбільш поширені низьковольтні конденсатори, до яких не ставляться особливі вимоги. Усі інші кондесатори є спеціальними. До них відносять високовольтні, імпульсні, перешкодопридушуючі, дозиметричні, пускові та інші конденсатори.

Також розрізняють конденсатори за формою обкладок: плоскі, циліндричні, сферичні та інші.

Керамічні конденсатори є природним елементом практично будь-якої електронної схеми. Вони застосовуються там, де необхідна здатність працювати з сигналами змінної ​​полярності, добрі частотні характеристики, малі втрати, незначні струми витоку, невеликі габаритні розміри або низька вартість. Якшо ці вимоги перетинаються – вони практично незамінні. Але проблеми, пов'язані з технологією їх виробництва, відводили цьому типу конденсаторів нішу пристроїв малої ємності.

Алюмінієві – з радіальними виводами та для поверхневого монтажу. Алюмінієві електролітичні конденсатори мають високу ємність, у перерахунку на одиницю, має низьку вартість та доступність. Вони широко застосовуються в імпульсних блоках живлення в якості вихідних фільтрів з частотами до 150кГц. Проте робоча частота в DC–DC перетворювачах процесорів робить ці кондесатори невідповідними. Паразитний ЕРС дуже високий у діапазоні частот від 150кГц та дуже залежить від температури, у порівнянні з конденсаторами інших типів. Час життя залежить від температури, а протікання може пошкодити контакти, які розташовані під конденсатором.

Танталові конденсатори з покриттям діоксиду марганцю (МnO ₂). Танталові конденсатори мають кращі характеристики, ніж алюмінієві, за рахунок використання більш дорогої технології. В їх застосовується сухий електроліт, тому їм не властиво "висихання" алюмінієвих конденсаторів(рис.77). Також вони мають більш низький активний опір на високих частотах (100кГц), що важливо при використанні в імпульсних джерелах живлення. Термостабільність: в температурному діапазоні від –55°С до +125°С ємність змінюється приблизно на +15% до –15%. Струми витоку приблизно такі ж, як у алюмінієвих тих же номіналів.

Рисунок 77 – Танталові конденсатори

Недоліком танталових конденсаторів є відносно велике зменшення ємності із збільшенням частоти та підвищена чутливість до зміни полюсів, перевантажень по напрузі. Через яку рекомендується використання з подвійним запасом за робочою напругою, а також для забезпечення стійкої працездатності при температурі більше 85°С. Існує ймовірність закорочення при дуже великих токах заряду під час включення, супроводжуваного яскраво-білим спалахом та виділенням диму.

Танталові конденсатори з полімерним покриттям, призначені для поверхневого монтажу, поєднують в собі високу ємність танталових конденсаторів з високою питомою провідністю сучасних полімерних матеріалів.

Полімерні алюмінієві конденсатори мають гарні характеристики на частотах роботи конвертера живлення. Вони мають добрі характеристики викиду напруги й може використовуватися при документованої напрузі.

Як удосконалення технології танталу з'явилися ніобієві конденсатори. При порівнянних умовах вони мають дещо більший ресурс. Наприклад при температурі 85°С алюмінієві конденсатори мають ресурс 8÷25 тисяч годин роботи, танталові – 100 тисяч годин, а ніобієві – 200÷500 тисяч годин (рік безперервної роботи – приблизно 8200 годин). На старих (80486, Pentium I) платах буває розмаїття ніобієвих конденсаторів, деякі неполярні. Ніобієві іноді помаранчеві, іноді сині "краплі" але з виводами.

Застосування конденсаторів

Конденсатори знаходять застосування практично у всіх галузях електротехніки:

– конденсатори (спільно з котушками індуктивності та (або) резисторами) використовуються для побудови різних ланцюгів з частотно-залежними властивостями, зокрема фільтрів, ланцюгів зворотного зв'язку, коливальних контурів, тощо;

– при швидкому розряді конденсатора можна отримати імпульс великої потужності, наприклад: в фотоспалахах, електромагнітних прискорювачах, імпульсних лазерів з оптичним накачуванням, генераторах Маркса (ГІН, ГІТ), генерторах Кокрофта-Уотона, тощо;

– так як конденсатор здатний тривалий час зберігати заряд, то його можна використати як елемент пам'яті або пристрій зберігання електричної енергії;

– у промисловій електротехніці конденсатори використовуються для компенсації реактивної потужності або в фільтрах високих гармонік;

– конденсатори здатні накопичувати великий заряд і створювати велику напруженість на обкладках (рис.78), яка використовується для різної мети, наприклад: для прискорення заряджених частинок або для створення короткочасних потужних електричних розрядів;

Рисунок 78 – Конденсатори високовольтні

– вимірювальний перетворювач (ВП) малих переміщень: мала зміна відстані між обкладинками, дуже помітно позначається на ємності конденсатора;

– ВП вологості повітря, деревини;

– ВП вимірювача рівня рідини: непровідна рідина заповнює простір між обкладинками конденсатору – ємність конденсатору змінюється в залежності від рівня.

Техніка безпеки

При користуванні конденсаторної установки необхідно дотримуватися деяких додаткових вимог з техніки безпеки, обумовлених наявністю значних ємностей в цих установках.

Якщо відключений конденсатор не буде своєчасно розряджений, то випадковий дотик до нього може створити ланцюг розряду, що замикається через тіло людини, який доторкнувся до корпусу конденсатора. Шкідливі наслідки розряду конденсатора на людський організм залежать від ряду факторів, особливо від ємності конденсатора та від напруги, до якого він був заряджений. Чим більше ємність конденсатора і чим вище його напруга, тим небезпечніше для людини ураження струмом при розряді конденсатора.

Щоб уникнути небезпечних наслідків схема з'єднань конденсаторної установки повинна забезпечити автоматичний розряд конденсаторів негайно після їх відключення.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: