Что является основной характеристикой конденсатора

Что является основной характеристикой конденсатора

Конденсаторы, как и резисторы, наиболее распространённые компоненты в принципиальных схемах. Их основное назначение – распределённая по электрической схеме фильтрация (сглаживание) пульсаций напряжений питания, а также использование как времязадающих элементов в генераторах и фильтрах.

Происхождение названия от латинского condensatio – накапливать. Это устройство для накопления электрических зарядов и энергии электрического поля W=C*U 2 / 2, где С символ основной характеристики конденсатора – электрической ёмкости (ёмкости). Этой же латинской буквой С принято обозначать конденсатор в электрических схемах.

Исторический образ конденсатора – две параллельно размещённые металлические пластины (обкладки) с диэлектрической прослойкой (показан на рисунке 1.18).

Чем больше поверхности обкладок и меньше расстояние между пластинами, тем выше значение ёмкости конденсатора. Диэлектрик, расположенный между пластинами увеличивает ёмкость. В качестве диэлектрика может использоваться бумага, слюда, полимерная плёнка, керамика и др. Типовое расчётное соотношение для ёмкости конденсатора выглядит так:

где ɛ₀≈ 8,85·10 -3 пФ/мм диэлектрическая проницаемость вакуума (диэлектрическая постоянная), ɛ — относительная диэлектрическая проницаемость использованного диэлектрика, S – площадь обкладок [мм 2 ], d – расстояние между обкладками (толщина диэлектрика) [мм] .

Значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых диэлектриков представлены в таблице 1.7.

Таблица 1.7 – Значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых диэлектриков

Диэлектрик

ɛ

На принципиальных электрических схемах конденсаторы обозначаются графемой (показано на рисунке 1.19 слева):

Примечание – В некоторых случаях общепринятую в принципиальных схемах графему заменяют более сложной моделью (показано на рисунке 1.19 справа). Такая замена обоснована для конденсаторов с диэлектриком плохого качества.

Резистор R_ут на схеме называется сопротивлением утечки и его типовое значение можно найти в документации.

Утечка – это явление перетекания заряда с одной обкладки на другое через не идеальный диэлектрик: если заряженный конденсатор отключить от нагрузок, то через некоторое время он разрядится. Время разряда зависит от качества диэлектрика: чем оно выше, тем дольше происходит саморазряд.

В настоящее время постоянные конденсаторы имеют более сложные конструктивно-технологические решения. При этом конденсаторы различают:

• по типу диэлектрика: керамические, слюдяные, плёночные, электролитические и др.;
• по конструктивному решению: конденсаторы для монтажа в отверстия (выводные), для поверхностного монтажа (чип-конденсаторы);
• по рабочему напряжению, габаритам, температурному коэффициенту ёмкости и др.

Конструктивные разновидности современных конденсаторов, применяемых в электрических цепях с напряжениями до нескольких сотен вольт (низкие напряжения) представлены на рисунке 1.20.

Наиболее широкое применение в настоящее время находят керамическиеи электролитические конденсаторы. Они могут монтироваться в отверстия или предназначены для поверхностного монтажа. Типовые сравнительные характеристики конденсаторов представлены в таблице 1.8.

Примечание – Следует иметь в виду, что электролитические конденсаторы при подключению требуют соблюдения полярности. Для этого на корпусе конденсатора рядом с одним из контактов проставлен знак + (анод) или другой отличительный символ.

Таблица 1.8 – Типовые характеристики современных конденсаторов

Основное, широко используемое в электротехнике соотношение, связанное с электрической ёмкостью:

где Q – заряд, накопленный в конденсаторе (измеряется в кулонах), U – напряжение, до которого заряжен конденсатор.

На практике применяют постоянные, переменные и подстроечные конденсаторы (представлены на рисунке 1.21).

Постоянными принято называть конденсаторы, основной параметр которых – электрическая ёмкость, должен поддерживаться неизменным. Любые отклонения от расчётных значений – нежелательная погрешность.

Переменный и подстроечный конденсаторы имеют конструктивные особенности, позволяющие изменять ёмкость с помощью инструмента или вручную.

Постоянные конденсаторы

Основной параметр постоянного конденсатора – номинальная ёмкость, может меняться во время эксплуатации, как и у резистора, под воздействием различных факторов. Разница заключается в том, что скрупулёзно следить за такими изменениями обычно не требуется: требования к точности конденсаторов не высоки.

Так, например, используемые в качестве фильтров питания электролитические и керамические конденсаторы могут иметь допуск номинала ± 30% и более.

С максимальной точностью ± 1% изготавливаются некоторые керамические конденсаторы, ёмкость которых ограничена значением 100 нФ. Они используются в качестве времязадающих компонентов при создании активных электрических фильтров или генераторов. Другие важные их отличия – высокая температурная стабильность и большая цена.

Следует иметь в виду, что ёмкость электролитических конденсаторов может существенно меняться с изменением температуры и с течением времени они сильно деградируют (высыхают).

Конденсаторы выпускаются в соответствии с рядом Е24, но часто имеют более ограниченный набор номиналов, который задаётся в технических описаниях.

Цветовая маркировка конденсаторов похожа на аналогичную для резисторов, однако в отличие от чип-резисторов, чип-конденсаторы обычно не имеют маркировки!

Типовые расчётные соотношения

1. Выражение для накопленного в конденсаторе заряда

1. Последовательное соединение конденсаторов:

1. Параллельное соединение конденсаторов:

1. Переходный процесс в RC-цепочке:

Переменные и подстроечные конденсаторы

Переменные (регулирующие) конденсаторы предназначены для интенсивной регулировки так, как это делалось при настройке частоты вещания в старых радиоприёмниках. Это конденсаторы с воздушным диэлектриком сегодня используются редко.

Подстроечный конденсатор это переменный конденсатор малой ёмкости, который обычно используется для точной настройки режимов работы электрических схем. Обычно, подстроечный конденсатор используется однократно – в ходе процедуры настройки, или изредка.

После манипуляций настройки регулировочный винт контрится (закрашивается), чтобы во время дальнейшей эксплуатации изделия его положение не сдвинулось от случайных механических воздействий (например, вибраций). Количество подстроек у таких конденсаторов лимитировано несколькими десятками полных поворотов.

Переменные и подстроечные конденсаторы в современной электронике применяются редко. Широко их используют только в радиотехнике. Внешний вид таких конденсаторов представлен на рисунке 1.22.

Средства измерений ёмкости конденсаторов

Colibri. Измеритель сопротивления, ёмкости, индуктивности.

Диапазоны основных режимов измерений мультиметра Colibri представлены в таблице 1.9.

Таблица 1.9 – Диапазоны основных режимов измерений мультиметра Colibri

Параметры

Значение

Погрешность измерения

Характеристики конденсаторов

Ранее мы уже рассмотрели принцип работы и маркировку многих типов конденсаторов. Однако настоящий электронщик должен знать следующие характеристики конденсаторов: допустимое напряжение, классы точности, температурный коэффициент емкости и тангенс угла потерь. Понимание указанных характеристик позволяет сделать выбор и применить лучший из имеющихся накопителей, что благоприятно скажется в целом на работе электронного устройства.

Основные характеристики конденсаторов

Допустимое напряжение является очень важным параметром любого конденсатора и его нельзя превышать, иначе произойдет пробой диэлектрика и накопитель придет в непригодность. На корпусе указывается всегда величина максимального допустимого напряжения. Поэтому начинающих радиолюбителей такое обозначение вводит в заблуждения, поскольку в розетке напряжение 230 В, то казалось бы, что напряжения накопителя 300 В вполне достаточно. Однако это не так. Так как 230 В – это действующее напряжение, а диэлектрик может пробиться от мгновенного амплитудного значения, которое в 1,41 раза больше действующего и равно 230×1,41 = 324 В плюс допуск отклонения 10 % от номинального значения в сторону увеличения, нормированный ГОСТом, и того получим 324×0,1+324 = 356 В. Поэтому допустимое напряжение должно быть не ниже 360 В.

Стандартные значения емкости конденсаторов

Если взять любой радиоэлектронный прибор, например, резистор, диод, транзистор, стабилитрон и снять его характеристики либо измерить параметры высокоточным измерительным прибором, то они будут иметь некоторые отклонения от заявленных номинальных значений. Такое отклонение от указанных параметров вызвано технологическим процессом и нормируется производителем. Дело в том, что на изготовление любого устройства или его отдельного компонента влияет много факторов, которые невозможно учесть и скомпенсировать. Даже лист бумаги, формата А4, имеет некоторые отклонения от заданных размеров, но тем не менее это никак не сказывается на их применении.

Аналогично обстоят дела и с емкостью. Если измерить ее в нескольких накопителей одинакового номинала, то можно заметить небольшую разницу. Эта разница строго нормирована и называется допустимым отклонением емкости от номинального значения. Она измеряется в процентах, значения которых соответствуют классам точности.

В зависимости от класса точности и допустимого отклонения производятся стандартные значения емкости, то есть стандартные номиналы конденсаторов. Емкость в приведенной ниже таблице исчисляется пикофарадоми. Любое значение из таблицы может быть умножено на 0,1 или 1 или 10 и т.д.

Температурный коэффициент емкости

Протекание электрического тока через любой радиоэлектронный элемент вызывает его нагрев, ввиду неизбежного наличия сопротивления. Чем больше ток и выше сопротивление, тем интенсивнее нагревается прибор. Такое явление в большинстве случаев является вредным и может привести к изменению параметров схемы, а соответственно и нарушить режим работы всего устройства. Поэтому нагрев радиоэлектронных элементов всегда учитывается при проектировании изделия. Характеристики конденсаторов также склонны изменятся с изменением температуры и с этим обязательно нужно считаться. Для этого введен температурный коэффициент емкости, сокращенно ТКЕ.

ТКЕ показывает, насколько отклоняется емкость конденсатора от номинального значения с ростом температуры. Номинальное значение емкости накопителя приводится для температуры окружающей среды +20 С.

Рост температуры может вызвать как рост емкости, так и ее уменьшение. В зависимости от этого различают конденсаторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом емкости.

Следует знать, чем меньше значение ТКЕ, тем более стабильными характеристиками обладает конденсатор. Особое внимание уделяют ТКЕ разработчик измерительного оборудования высокого класса точности, где критичны значительные отклонения характеристик любого радиоэлектронного элемента.

Тангенс угла потерь

Потери, неизбежно возникающие при работе конденсатора, главным образом определяются свойствами диэлектрика, расположенного между обкладками накопителя, и характеризуются тангенсом угла потерь tg δ. Производители стремятся снизить значение угла tg δ и за счет этого улучшить характеристики конденсаторов. Поэтому наибольшее применение получила специальная керамика, обладающая минимальным тангенсом угла потерь. Обратной величиной тангенса угла потерь конденсатора является добротность, равная Q_C=1/tgδ. Конденсаторы высокого качества обладают добротностью свыше тысячи единиц.

2.3. Основные характеристики конденсаторов

Основной характеристикой конденсатора является его электрическая емкость (С), определяемая отношением накапливаемого на обкладках электрического заряда (Q) к приложенному к обкладкам напряжению (U):

где k – постоянный коэффициент, S – площадь обкладок, n – число обкладок, d – расстояние между обкладками, e – диэлектрическая проницаемость.

Если конденсатор выполнен на основе комбинированной изоляции, то диэлектрическая проницаемость может быть дополнительно определяемой в зависимости от состава ингредиентов. В частности, для комбинированной бумажно-пленочной изоляции диэлектрическая проницаемость может быть определена по формуле:

где e_{1 –} диэлектрическая проницаемость материала, используемого в качестве пленки толщиной d₁; e_{2 –} диэлектрическая проницаемость конденсаторной бумаги с толщиной слоя d₂.

Конденсаторы постоянной емкости характеризуются номинальным значением емкости; конденсаторы переменной емкости характеризуются диапазоном емкостей С_{min –} С_max.

Сопротивление изоляции конденсатора (R_из) определяется свойствами диэлектрика и конструкционными особенностями конденсатора. Это сопротивление зависит от температуры и влажности окружающей среды и лежит в пределах от 1 · 10 9 Ом для сегнетокерамических конденсаторов до 1 · 10 12 Ом для пленочных конденсаторов.

Сопротивление комбинированной бумажно-пленочной изоляции определяется по формуле:

Добротность (Q) конденсатора определяется потерями энергии в диэлектрике и металлических обкладках и выражается отношением:

где P_R – реактивная мощность; P_A – полные потери энергии в конденсаторе.

Так как полные потери энергии в конденсаторе в единицу времени (активная мощность) определяются суммой потерь энергии в диэлектрике конденсатора (P_д) и потерь энергии в металлических обкладках (P_м), то добротность конденсатора определяется выражением:

Добротность различных типов конденсаторов изменяется от нескольких процентов до 10 раз.

Потери конденсатора часто характеризуют тангенсом угла потерь (tg d_C):

и определяются, главным образом, потерями в диэлектрике, величина которых зависит от влажности и температуры. В современных конденсаторах наибольшее влияние на потери оказывает температура.

Потери в комбинированном бумажно-пленочном диэлектрике определяются соотношением ингредиентов:

где – тангенс угла диэлектрических потерь материала, используемого в качестве пленки толщиной d₁ и диэлектрической проницаемостью e₁; – тангенс угла диэлектрических потерь конденсаторной бумаги с толщиной слоя d₂ и диэлектрической проницаемостью e₂.

Реактивная мощность конденсаторов, предназначенных для работы в цепях переменного тока, может быть представлена в виде:

Потери большинства конденсаторов незначительны, и сдвиг фаз между током и напряжением близок к 90 о . Поэтому справедливо выражение:

где U – эффективное значение напряжения на конденсаторе, I – ток, проходящий через конденсатор. Так как I = UwC, то P_R = U 2 wC.

Стандартные низковольтные конденсаторы имеют реактивную мощность от 25 до 75 вар.

Электрическая прочность конденсатора характеризует зависимость напряжения, приложенного к его зажимам, от времени, в течение которого не произойдет пробоя.

Время работы, на которое рассчитывается конденсатор, обычно исчисляется де

Рассмотрим использование метода баллистического гальванометра .

Баллистическими называют чувствительные гальванометры, у которых период собственных колебаний рамки очень большой. В баллистическом режиме может работать любой прибор магнитоэлектрической системы, если ток в цепи прибора протекает в течение времени, во много раз меньшего периода собственных колебаний его подвижной рамки. При разряде конденсатора через баллистический гальванометр отброс стрелки гальванометра пропорционален протекающему через него заряду. Проведем следующий эксперимент. Зарядим конденсатор до напряжения U и, разрядив его через гальванометр, заметим величину отброса стрелки (рис. 3.15а). Повторим опыт, увеличивая напряжение в 2, 3 и т.д. раз. Каждый раз отношение напряжения к числу делений, на которые отклонялась стрелка, будет величиной постоянной. Затем, не изменяя напряжения, проведем эксперимент с конденсаторами емкостью C , 2С, 3С и т.д. Обнаружим, что отношение емкости конденсатора к числу делений, на которые отклонилась стрелка, тоже величина постоянная.

Баллистическая постоянная гальванометра — это отношение заряда q , протекшего через рамку гальванометра, к числу делений n , на которое отклонилась стрелка: k = q / n . Для определения баллистической постоянной несколько раз проводят опыт с конденсаторами известной емкости. Заряд конденсатора рассчитывается по формуле q = CU , где q — заряд на одной из обкладок конденсатора, C — емкость конденсатора, а U — напряжение между обкладками конденсатора. Тогда k = CU / n . Из нескольких опытов при различных напряжениях между обкладками конденсатора и различных значениях емкости определяют среднее значение баллистической постоянной гальванометра.

Затем включают в цепь конденсатор неизвестной емкости и повторяют опыт. Зная баллистическую постоянную и число делений, на которое отклонилась стрелка гальванометра, определяют емкость: C _x = kn/U .

Для измерения емкости можно использовать любой прибор магнитоэлектрической системы при условии, что произведение емкости конденсатора на внутреннее сопротивление прибора будет значительно меньше периода собственных колебаний стрелки прибора. В этом случае конденсатор полностью разряжается за время, много меньшее периода собственных колебаний, и изменение сопротивления резистора, включенного последовательно с гальванометром, никак не влияет на отброс стрелки гальванометра.

Широко применяется способ измерения емкости конденсатора по величине среднего значения силы разрядного тока измеряемого конденсатора, периодически перезаряжаемого с частотой f (рис. 3.15 б).

При замкнутых контактах ключа SA 1 исследуемый конденсатор C заряжается по цепи: плюс источника питания, полупроводниковый диод VD 1, замкнутые контакты ключа, минус источника. При разомкнутом ключе ток разрядки конденсатора протекает по цепи: правая обкладка конденсатора, микроамперметр, резистор, R 1, левая обкладка конденсатора. Диод VD 1 (германиевый) выбирают так, чтобы напряжение на нем в прямом направлении было как можно меньше, тогда ток зарядки, протекающий через микроамперметр, очень мал. В некоторых устройствах для исключения тока зарядки конденсатора через микроамперметр последовательно с микроамперметром включают дополнительно диод, через который будет протекать ток разрядки конденсатора.

Время замкнутого и разомкнутого состояния ключа обычно выбирают равным. Постоянная времени RC разрядной цепи выбирается значительно меньше времени, в течение которого контакты ключа замкнуты, следовательно, конденсатор успевает полностью разрядиться. Заряд конденсатора определятся по формуле q = C × U , а сила разрядного тока конденсатора I = q × f = C × U × f , где f – частота включения и выключения ключа. В качестве ключа обычно используется ключ на биполярном транзисторе.

Одной из разновидностей резонансного метода измерения емкости конденсаторов является метод с использованием двух генераторов высокой частоты (рис. 3.16). В колебательном контуре второго генератора высокой частоты используется эталонный конденсатор переменной емкости, а в колебательный контур первого генератора высокой частоты входит исследуемый конденсатор. Колебания высокой частоты с первого и второго генераторов подаются на смеситель, на выходе которого получаются колебания разностной частоты. Пройдя через фильтр и усилитель низкой частоты, колебания подаются на индикаторы нулевых биений. Индикаторы нулевых биений позволяют определить равенство частот колебаний первого и второго генераторов. В качестве индикаторов нулевых биений достаточно часто используют одновременно головные телефоны и стрелочные измерительные приборы. Такой принцип работы имеет прибор Е12-1. Значение емкости измеряемого конденсатора определяется по специальной шкале.

Емкость электролитических конденсаторов (такие конденсаторы имеют значительную емкость) можно достаточно просто определить по времени разряда до напряжения 0,367 U ₀ (рис. 3.17а), где U ₀ – напряжение, до которого был первоначально заряжен конденсатор. Напряжение на конденсаторе при его разрядке изменяется по закону: ,

где U_c – напряжение на конденсаторе в момент времени t при условии, что при t =0 конденсатор был заряжен до напряжения U ₀ и начал разряжаться через резистор сопротивлением R . Если выбрать время разрядки конденсатора равным RC , то за это время напряжение между обкладками конденсатора уменьшится до 0,367 U ₀ . Зная сопротивление цепи, через которую разряжался конденсатор, и экспериментально определив время D t его разрядки до напряжения 0,367 U ₀ , определим емкость конденсатора по формуле: С= D t / R .

Для проведения опыта собирают электрическую цепь по схеме рисунка 3.17б. При замыкании ключа конденсатор заряжается до напряжения U ₀ . Измеряют время с момента размыкания ключа до момента установления на конденсаторе напряжения 0,367 U ₀ .

Сопротивление резистора R подбирается экспериментально, чтобы время разряда было 5-15 секунд (удобное для снятия показаний вольтметра). Если сопротивление резистора R много меньше внутреннего сопротивления вольтметра, то внутреннее сопротивление вольтметра можно не учитывать. В противном случае при подстановке в формулу для расчета емкости сначала рассчитывается общее сопротивление параллельно соединенных резистора и вольтметра.

Высокую точность обеспечивает дискретный метод измерения емкости конденсаторов (погрешность измерений составляет 0,1–0,2%). Структурная схема прибора, использующего этот метод, приведена на рисунке 3.18. Перед началом очередного цикла измерения устройство управления перебрасывает ключ в верхнее положение и конденсатор С_х заряжается через резистор R _огр от источника постоянного напряжения U . В момент начала измерения устройство управления обнуляет счетчик импульсов, переводит ключ в нижнее положение и устанавливает триггер в единичное состояние. Импульсы с генератора импульсов через схему совпадения (логический элемент 2И) поступают на счетчик импульсов. Конденсатор С_х разряжается через резистор R _эт и, как только напряжение на нем станет равным U × R ₂/( R ₁+ R ₂), компаратор переведет триггер

в нулевое состояние и импульсы перестанут поступать на счетчик импульсов. Емкость конденсатора С_х пропорциональна числу импульсов, поступивших на счетчик. Напряжение U должно быть стабильно в течение одного цикла измерения. Стабильность частоты генератора импульсов должна быть высокой.

Данным методом можно измерять и сопротивления резисторов, если применить эталонный конденсатор.

3. Проверка исправности конденсаторов

Неисправностями конденсатора являются: пробой диэлектрика конденсатора и внутренний обрыв его выводов. Пробой конденсатора легко обнаруживается с помощью омметра (сопротивление конденсатора будет мало). Внутренний обрыв выводов конденсатора обнаруживается только при измерении его емкости (в этом случае его емкость составляет, как правило, десятые доли или единицы пикофарад).