Характеристики електричних конденсаторів. 
Основні області застосування

Тема реферату

«Характеристики електричних конденсаторів. Основні області застосування»

ЗМІСТ Вступ Властивості конденсатора Характеристики конденсаторів. Основні параметри Класифікація конденсаторів Основні області застосування конденсаторів Приклад використання конденсаторів

Вступ Конденсатори є одним із самих «древніх» виробів електронної техніки й електротехніки. Перші конденсатори, так називані «лейденські банки», з’явилися ще в середині 18 століття, задовго до початку їхнього практичного застосування. В 1745 році в Лейдені німецький фізик Эвальд Юрген ФОН Клейст і голландський фізик Питер Ван Мушенбрук випадково створили конструкцію-прототип електричного конденсатора — «лейденську банку». Перші конденсатори, що складаються із двох провідників розділених непровідником (діелектриком), що згадують як конденсатор Епінуса або електричний аркуш, були створені ще раніше.

Сьогодні конденсатори є одними із самих масових компонентів радіоелектронної апаратури, а світове будування конденсаторів являє собою потужну індустрію із щорічним приростом обсягу продажів близько 30%. Одночасно з кількісними змінами у виробництві конденсаторів відбуваються серйозні якісні зміни в їхній номенклатурі, пов’язані із впровадженням нових матеріалів і технологій, нових конструктивних рішень, що відбивають вимоги й тенденції розвитку сфери застосування.

Конденсатор (від лат. condensare — «ущільнювати», «згущати») — двополюсник з певним значенням ємності й малою омічною провідністю; пристрій для накопичення заряду й енергії електричного поля. Конденсатор є пасивним електронним компонентом. У найпростішому варіанті конструкції складається із двох електродів у формі пластин (названих обкладками), розділених діелектриком, товщина якого мала в порівнянні з розмірами обкладок Основа конструкції конденсатора — дві струмопровідні обкладки, між якими перебуває діелектрик Практично застосовувані конденсатори мають багато шарів діелектрика й багатошарові електроди, або стрічки діелектрика й електродів, що чергуються, згорнуті в циліндр або паралелепіпед з округленими чотирма ребрами (через намотування).

Властивості конденсатора Конденсатор у ланцюзі постійного струму може проводити струм у момент включення його в ланцюг (відбувається заряд або перезаряд конденсатора), по закінченні перехідного процесу струм через конденсатор не тече, тому що його обкладки розділені діелектриком. У ланцюзі ж змінного струму він проводить коливання змінного струму за допомогою циклічного перезарядження конденсатора, замикаючись так називаним струмом зсуву.

Позначення конденсаторів на схемах У Росії умовні графічні позначення конденсаторів на схемах повинні відповідати ДЕРЖСТАНДАРТ 2.728−74[2] або міжнародному стандарту ІEEE 315−1975:

На електричних принципових схемах номінальна ємність конденсаторів звичайно вказується в мікрофарадах (1 мкф = 1· 106 пф = 1· 10−6 Ф) і пікофарадах, але нерідко й у нанофарадах (1 нф = 1· 10−9 Ф). При ємності не більше 0,01 мкф, ємність конденсатора вказують у пікофарадах, при цьому припустимо не вказувати одиницю виміру, тобто постфікс «пф» опускають. При позначенні номіналу ємності в інших одиницях указують одиницю виміру. Для електролітичних конденсаторів, а також для високовольтних конденсаторів на схемах, після позначення номіналу ємності, указують їх максимальну робочу напругу у вольтах (В) або кіловольтах (кВ). Наприклад так: «10 мкф x 10 В». Для змінних конденсаторів указують діапазон зміни ємності, наприклад так: «10 — 180». У цей час виготовляються конденсатори з номінальними ємностями з десятково-логаріфмічних рядів значень Е3, Е6, Е12, Е24, тобто на одну декаду доводиться 3, 6, 12, 24 значення, так, щоб значення з відповідним допуском (розкидом) перекривали всю декаду.

Характеристики конденсаторів. Основні параметри

Ємність. Основною характеристикою конденсатора є його ємність, що характеризує здатність конденсатора накопичувати електричний заряд. У позначенні конденсатора фігурує значення номінальної ємності, у той час як реальна ємність може значно мінятися залежно від багатьох факторів. Реальна ємність конденсатора визначає його електричні властивості. Так, по визначенню ємності, заряд на обкладці пропорційний напрузі між обкладками (q = CU).

Типові значення ємності конденсаторів становлять від одиниць пікофарад до тисяч мікрофарад. Однак існують конденсатори (іоністори) з ємністю до десятків фарад.

Ємність плоского конденсатора, що складає із двох паралельних металевих пластин площею S кожна, розташованих на відстані d друг від друга, у системі SI виражається формулою:

Де — діелектрична проникність середовища, що заповнює простір між пластинами (у вакуумі дорівнює одиниці)

 — електрична постійна, чисельно дорівнює 8,854 187 817· 10?12 Ф/м. Ця формула справедлива, лише коли d багато менше лінійних розмірів пластин.

Для одержання більших ємностей конденсатори з'єднують паралельно. При цьому напруга між обкладками всіх конденсаторів однаково. Загальна ємність батареї паралельно з'єднаних конденсаторів дорівнює сумі ємностей всіх конденсаторів, що входять у батарею.

або

Якщо у всіх паралельно з'єднаних конденсаторів відстань між обкладками й властивості діелектрика однакові, то ці конденсатори можна представити як один великий конденсатор, розділений на фрагменти меншої площі.

При послідовному з'єднанні конденсаторів заряди всіх конденсаторів однакові, тому що від джерела струму вони надходять тільки на зовнішні електроди, а на внутрішніх електродах вони виходять тільки за рахунок поділу зарядів, що раніше нейтралізували один одного. Загальна ємність батареї послідовно з'єднаних конденсаторів дорівнює

або

Ця ємність завжди менше мінімальної ємності конденсатора, що входить у батарею. Однак при послідовному з'єднанні зменшується можливість пробою конденсаторів, тому що на кожен конденсатор доводиться лише частина різниці потенціалів джерела напруги.

Якщо площа обкладок всіх конденсаторів, з'єднаних послідовно, однакова, то ці конденсатори можна представити у вигляді одного великого конденсатора, між обкладками якого перебуває стопка із пластин діелектрика всіх складових його конденсаторів.

Питома ємність. Конденсатори також характеризуються питомою ємністю — відношенням ємності до обсягу (або маси) діелектрика. Максимальне значення питомої ємності досягається при мінімальній товщині діелектрика, однак при цьому зменшується його напруга пробою.

Щільність енергії. Щільність енергії електролітичного конденсатора залежить від конструктивного виконання. Максимальна щільність досягається в більших конденсаторів, де маса корпуса невелика в порівнянні з масою обкладок й електроліту. Наприклад, у конденсатора EPCOS B4345 з ємністю 12 000 мкф, максимально допустимим напруженням 450 В і масою 1,9 кг щільність енергії при максимальній напрузі становить 639 Дж/кг або 845 Дж/л. Особливо важливий цей параметр при використанні конденсатора як накопичувач енергії, з наступним миттєвим її вивільненням, наприклад, у пушці Гаусса.

Номінальна напруга. Іншою, не менш важливою характеристикою конденсаторів є номінальна напруга — значення напруги, позначене на конденсаторі, при якому він може працювати в заданих умовах протягом терміну служби зі збереженням параметрів у припустимих межах.

Номінальна напруга залежить від конструкції конденсатора й властивостей застосовуваних матеріалів. При експлуатації напруга на конденсаторі не повинна перевищувати номінальної. Для багатьох типів конденсаторів зі збільшенням температури допустиме напруження знижується, що пов’язане зі збільшенням теплової швидкості руху носіїв заряду й, відповідно, зниженню вимог для утворення електричного пробою.

Полярність. Багато конденсаторів з оксидним діелектриком (електролітичні) функціонують тільки при коректній полярності напруги через хімічні особливості взаємодії електроліту з діелектриком. При зворотній полярності напруги електролітичні конденсатори звичайно виходять із ладу через хімічне руйнування діелектрика з наступним збільшенням струму, скипанням електроліту усередині й, як наслідок, з вірогідністю вибуху корпуса.

Сучасні конденсатори, що зруйнувалися без вибуху завдяки спеціальній конструкції верхньої кришки, що розривається. Руйнування можливо через порушення режиму експлуатації (температури, напруги, полярності) або старіння Конденсатори з розірваною кришкою практично непрацездатні й вимагають заміни, а якщо вона просто здулася, але ще не розірвана, те, швидше за все, незабаром він вийде з ладу або сильно зміняться параметри, що зробить його використання неможливим.

Небезпека руйнування (вибуху). Вибухи електролітичних конденсаторів — досить розповсюджене явище. Основною причиною вибухів є перегрів конденсатора, викликаний у більшості випадків витоком або підвищенням еквівалентного послідовного опору внаслідок старіння (актуально для імпульсних пристроїв). У сучасних комп’ютерах перегрів конденсаторів — також дуже часта причина виходу їх з ладу, коли вони розташовані поруч із джерелами підвищеного тепловиділення (радіатори охолодження).

Для зменшення ушкоджень інших деталей і травматизму персоналу в сучасних конденсаторах великої ємності встановлюють вишибний запобіжний клапан або виконують надсічку корпуса (часто її можна помітити у вигляді хреста або у формі букв X, K або Т на торці циліндричного корпуса, іноді, на більших конденсаторах, вона покрита пластиком). При підвищенні внутрішнього тиску вибиває пробка клапана або корпус руйнується по насічці, пари електроліту виходять у вигляді їдкого газу й, навіть, бризів рідини. При цьому руйнування корпуса конденсатора відбувається без вибуху, розкидання обкладок і сепаратора.

Електролітичний конденсатор, що вибухнув, на материнській платі комп’ютера. Видні волокна паперового сепаратора обкладок й фольгова алюмінієва обкладка, що розгорнулася Старі електролітичні конденсатори випускалися в герметичних корпусах й у конструкції їхніх корпусів не передбачалася вибухобезпечність. Швидкість розльоту осколків при вибуху корпуса застарілих конденсаторів може бути досить великою, щоб травмувати людину. На відміну від електролітичних, вибухонебезпечність танталових конденсаторів пов’язана з тим, що такий конденсатор фактично являє собою вибухову суміш: як пальне служить тантал, а як окислювач — двоокис марганцю, і обидва цих компоненти в конструкції конденсатора перемішані у вигляді тонкого порошку.

При пробої конденсатора або при його випадковій переполюсовці тепло, що виділилося при протіканні струму, ініціює реакцію між даними компонентами, що протікає у вигляді сильного спалаху з хлопком, що супроводжується розкиданням іскор й осколків корпуса.

Сила такого вибуху досить велика, особливо у великих конденсаторів, і здатна зашкодити не тільки сусідні радіоелементи, але й плату. При тісному розташуванні декількох конденсаторів можливий прожог корпусів сусідніх конденсаторів, що приводить до одночасного вибуху всієї групи.

Паразитні параметри. Реальні конденсатори, крім ємності, мають також власні послідовний і паралельний опір, та індуктивність. З достатньої для практики точністю, еквівалентну схему реального конденсатора можна представити як показане на малюнку, де всі двополюсники маються на увазі ідеальними.

Резонансна частота:

Модуль імпедансу на резонансній частоті

Еквівалентна схема реального конденсатора й деякі формули.

C0 — власна ємність конденсатора;

Rd — опір ізоляції конденсатора;

Rs — еквівалентний послідовний опір;

Li — еквівалентна послідовна індуктивність.

Класифікація конденсаторів Основна класифікація конденсаторів проводиться за типом діелектрика в конденсаторі. Тип діелектрика визначає основні електричні параметри конденсаторів: опір ізоляції, стабільність ємності, величину втрат й ін.

За видом діелектрика розрізняють:

" Конденсатори вакуумні (між обкладками перебуває вакуум).

" Конденсатори з газоподібним діелектриком.

" Конденсатори з рідким діелектриком.

" Конденсатори із твердим неорганічним діелектриком: скляні (скляноемалеві, склянокерамічні, скляноплівкові), слюдяні, керамічні, тонкошарові з неорганічних плівок.

" Конденсатори із твердим органічним діелектриком: паперові, металевопаперові, плівкові, комбіновані - паперовоплівкові, тонкошарові з органічних синтетичних плівок.

" Електролітичні й оксидно-напівпровідникові конденсатори. Такі конденсатори відрізняються від всіх інших типів насамперед великою питомою ємністю. Як діелектрик використається оксидний шар на металевому аноді. Друга обкладка (катод) — це або електроліт (в електролітичних конденсаторах), або шар напівпровідника (в оксидно-напівпровідникові), нанесений безпосередньо на оксидний шар. Анод виготовляється, залежно від типу конденсатора, з алюмінієвої, ніобієвої або танталової фольги або спеченного порошку. Час наробітку на відмову типового електролітичного конденсатора 3000−5000 годин при максимально припустимій температурі, якісні конденсатори мають час наробітку на відмову не менш 8000 годин при температурі 105 °C. Робоча температура — основний фактор впливу на тривалість терміну служби конденсатора. Якщо нагрівання конденсатора незначне через втрати в діелектрику, обкладках і висновках, (наприклад, при використанні його у ланцюгах, що задають час, при невеликих струмах або в якості розділових), можна прийняти, що інтенсивність відмов знижується вдвічі при зниженні робочої температури на кожні 10 °C. При роботі конденсаторів в імпульсних потужнострумових ланцюгах (наприклад, в імпульсних джерелах харчування) така спрощена оцінка надійності конденсаторів не є коректною і розрахунок надійності більш складний.

" Твердопаливні конденсатори — замість традиційного рідкого електроліту використовується спеціальний струмопровідний органічний полімер або полімеризований органічний напівпровідник. Час наробітку на відмову ~50 000 годин при температурі 85 °C. Не вибухають.

Крім того, конденсатори розрізняються по можливості зміни своєї ємності:

" Постійні конденсатори — основний клас конденсаторів, що не міняють своєї ємності (крім як протягом терміну служби).

" Змінні конденсатори — конденсатори, які допускають зміну ємності в процесі функціонування апаратури. Керування ємністю може здійснюватися механічно, електричною напругою (варіконди, варікапи) і температурою (термоконденсатори). Застосовуються, наприклад, у радіоприймачах для перебудови частоти резонансного контуру.

" Підстроєчні конденсатори — конденсатори, ємність яких змінюється при разовому або періодичному регулюванні й не змінюється в процесі функціонування апаратури. Їх використають для підстроювання й вирівнювання початкових ємностей контурів, що сполучають, для періодичного підстроювання й регулювання ланцюгів схем, де потрібна незначна зміна ємності.

Залежно від призначення можна умовно розділити конденсатори на конденсатори загального й спеціального призначення. Конденсатори загального призначення використаються практично в більшості видів і класів апаратури. Традиційно до них відносять найпоширеніші низьковольтні конденсатори, до яких не пред’являються особливі вимоги. Всі інші конденсатори є спеціальними. До них відносять високовольтні, імпульсні, такі, що гасять перешкоди, дозиметричні, пускові й інші конденсатори.

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

Основні області застосування конденсаторів конденсатор ємність полярність діелектрик У сучасній техніці конденсатори знаходять собі винятково широке й різнобічне застосування, насамперед в областях електроніки. Тут можна відзначити їхнє застосування для наступних основних цілей:

1. У радіотехнічній і телевізійній апаратурі - для створення коливальних контурів, їхнього настроювання, блокування, поділу ланцюгів з різною частотою, у фільтрах випрямлячів і т.д.

2. У радіолокаційній техніці - для одержання імпульсів більшої потужності, формування імпульсів і т.д.

3. У телефонії й телеграфії - для поділу ланцюгів змінного й постійного струмів, поділу струмів різної частоти, гасіння іскор в контактах, симетрування кабельних ліній і т.д.

4. В автоматиці й телемеханіці - для створення датчиків на ємнісному принципі, поділу ланцюгів постійного й пульсуючого струмів, гасіння іскор в контактах, у схемах тиратронних генераторів імпульсів і т.д.

5. У техніці лічильно-вирішальних пристроїв — у спеціальних запам’ятовувальних пристроях і т.д.

6. В електровимірювальній техніці - для створення зразків ємності, одержання змінної ємності (магазини ємності й лабораторних змінних конденсаторів), створення вимірювальних приладів на ємнісному принципі й т.д.

7. У лазерній техніці - для одержання потужних імпульсів.

У сучасній електроенергетиці конденсатори знаходять собі також досить різноманітне й відповідальне застосування

" для поліпшення коефіцієнта потужності й промислових установок (косінусні або шунтові конденсатори);

" для поздовжньої ємності компенсації далеких ліній передач і для регулювання напруги в розподільних мережах (серійні конденсатори);

" для ємнісного відбору енергії від ліній передач високої напруги й для підключення до ліній передач спеціальних апаратур зв’язку й захисної апаратури (конденсатори зв’язку);

" для захисту від перенапруг;

" для застосування в схемах імпульсів напруги і генераторів потужних імпульсів струму, використовуваних при випробуваннях електротехнічної апаратури;

" для електричного зварювання розрядом;

" для пуску конденсаторних електродвигунів (пускові конденсатори) і для створення потрібного зрушення фаз у додатковій обмотці цих двигунів;

" у пристроях висвітлення люмінесцентними лампами;

" для придушення радіоперешкод, створюваних електричними машинами й рухливим складом електрифікованого транспорту.

Крім електроніки й електроенергетики, конденсатори застосовують й в інших неелектротехнічних областях техніки й промисловості для наступних основних цілей

1. У металопромисловості - у високочастотних установках для плавки й термічної обробки металів, в електроерозійні (електроіскрових) установках, для магнітно-імпульсної обробки металів і т.д.

2. У видобувній промисловості (вугільної, металеворудної і т.п.) — у рудничному транспорті на конденсаторних електровозах нормальної й підвищеної частоти (безконтактних), у електровибухових пристроях з використанням електрогідравлічного ефекту й т.д.

3. В автотракторній техніці - у схемах запалювання для гасіння іскор в контактах і для пригнічення радіоперешкод.

4. У медичній техніці - у рентгенівських апаратурах, у пристроях електротерапії й т.д.

5. У техніці використання атомної енергії для мирних цілей — для виготовлення дозиметрів, для короткочасного одержання більших струмів і т.д.

6. У фотографічній техніці - для аерофотознімання, одержання спалаху світла при звичайному фотографуванні й т.д.

Розмаїтість областей застосування обумовлює винятково велика розмаїтість типів конденсаторів, що використовується сучасною технікою. Тому поряд з мініатюрними конденсаторами, що мають вагу менше грама й розміри порядку декількох міліметрів, можна зустріти конденсатори з вагою в кілька тонн і по висоті перевищуючі людський ріст. Ємність сучасних конденсаторів може становити від часток пікофаради до декількох десятків і навіть сотень тисяч мікрофарад в одиниці, а номінальна робоча напруга може лежати в межах від декількох вольтів до декількох сотень кіловольтів.

Приклад використання конденсаторів Конденсаційна електростанція (КЕС) Кеплова паротурбінна електростанція, призначення якої - виробництво електричної енергії з використанням конденсаційних турбін. На КЕС застосовується органічне паливо: тверде паливо, переважно вугілля різних сортів у пилоподібному стані, газ, мазут і т.п. Тепло, виділюване при спалюванні палива, передається в казановому агрегаті (парогенераторі) робочому тілу, звичайно — водяному пару. КЕС, що працює на ядерному пальному, називають атомною електростанцією (АЕС) або конденсаційної АЕС (АКЕС). Теплова енергія водяної пари перетвориться в конденсаційній турбіні в механічну енергію, а остання в електричному генераторі - в електричну енергію. Пара, що відробила в турбіні, конденсується, конденсат пари перекачується спочатку конденсатним, а потім живильним насосами в паровий казан (котлоагрегат, парогенератор). У такий спосіб створюється замкнутий пароводяний тракт: паровий казан з пароперегрівником — паропроводи від казана до турбіни — турбіна — конденсатор — конденсатний і живильні насоси — трубопроводи живильної води — паровий казан.