Емкость создается между любыми двумя соседними проводниками. Конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком, таким, как воздух, газ, бумага, керамика или оксидный слой. Когда между двумя металлическими пластинами прикладывается напряжение, конденсатор заряжается. Величина заряда будет зависеть от напряжения. Емкость конденсатора равна отношению приобретенного заряда к приложенному напряжению:

где С — емкость, Ф;

Q — заряд, Кл (или А*сек);

U — напряжение, В.

Единица емкости - фарада (Ф). Конденсатор имеет емкость, равную 1 Ф, если при напряжении 1 В он приобретает заряд, равный 1 Кл. Эта единица слишком велика для практического применения, поэтому обычно используют микрофараду (1 мкФ = 10-6 Ф) и пикофараду (1 пФ = 10-12 Ф).

Энергия заряда запасается в виде электростатической

энергии в диэлектрике и равна . Если энергия поглощается равномерно за время τ, то требуемая мощность

где Ρ — средняя мощность, Вт; τ — время, сек.

При переменном напряжении выражение для реактивной мощности приобретает вид:

где f — частота, Гц; U — напряжение, эффективное значение, В.

В случае, когда к конденсатору приложено постоянное напряжение, в диэлектрике связанные электрические заряды поляризуются или смещаются из своего нормального положения равновесия. Поэтому на зарядку конденсатора затрачивается определенная работа; Эта работа выражается в джоулях (или Вт ·сек). Она равна запасенной потенциальной энергии:

, или , или ,

где I – энергия, Дж или Вт*сек;

Q – заряд, Кл или А*сек;

U – напряжение, В;

С- ёмкость, Ф.

Основная формула емкости двух плоских пластин, разделенных диэлектриком,

, или

где С- емкость, пФ;

ε- диэлектрическая проницаемость;

A – площадь одной пластины, см2

d – расстояние между пластинами, см.

Если число, пластин больше одной, то числители первой и второй формул умножаются на (N — 1), где N — число пластин.

Вследствие краевого эффекта точность этой формулы не вполне удовлетворительна. Фактическая емкость несколько выше расчетной, поэтому размеры пластин необходимо скорректировать: в случае прямых краев к сторонам пластины добавляется по 0,44 d, а в случае закругленных краев — по 0,11 d.

Конденсатор может быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис. 1), где С — емкость конденсатора; Rs —сопротивление выводов, пластин и контактов; Rp — сопротивление, обусловленное диэлектриком и материалом корпуса; L — индуктивность выводов и пластин конденсатора.

Рис. 1

Необходимо заметить, что емкость никогда не остается неизменной, за исключением некоторых определенных условий. Она изменяется в зависимости от температуры, частоты, срока службы и т. д. Номинальное значение емкости, указанное в маркировке конденсатора, строго говоря, соответствует только комнатной температуре и низкой частоте.

Характеристики диэлектриков

Диэлектрики, используемые в конденсаторостроении, могут быть разделены на следующие пять основных классов:

1)слюда, стекло, керамика с низкими потерями и т.п.; используются в конденсаторах с емкостью от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад;

2) керамика с высокой диэлектрической проницаемостью; используется при емкостях от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч пикофарад;

3) бумага и металлизированная бумага; используются в конденсаторах с емкостью от нескольких тысяч пикофарад до нескольких микрофарад;

4) оксидные пленки (в электролитах); используются при емкостях от единиц до многих микрофарад;

5) пленочные диэлектрики, такие, как полистирол, полиэтилентерефталат (майлар), политетрафторэтилен (тефлон); предел использования — от сотен пикофарад до нескольких микрофарад.

Многие факторы влияют на такие свойства конденсаторных диэлектриков, как диэлектрическая проницаемость, угол потерь, ток утечки, диэлектрическая абсорбция, электрическая прочность, допускаемая температура; этот вопрос кратко рассматривается ниже.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость материала, используемого в качестве диэлектрика, равна отношению емкости конденсатора, в котором диэлектриком служит данный материал, к емкости того же конденсатора с вакуумом в качестве диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость сухого воздуха приблизительно равна единице. Конденсатор с твердым или жидким диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого выше диэлектрической проницаемости воздуха или вакуума, может запасать в ε раз больше энергии при равном напряжении, поданном на пластины. Следующие величины диэлектрической проницаемости ε некоторых типичных конденсаторных диэлектриков при температуре 25° С:

Таблица 1

Материал	ε
Вакуум	1
Сухой воздух	1,00059
Полистирол	2,5
Политетрафторэтилен (тефлон)	2
Полиэтилентерефталат (майлар)	3
Пропитанная бумага	4-6
Слюда	6,8
Окись алюминия	7
Окись тантала	25
Керамика (титанат магния и пр.)	До 20
Керамика (титанатная)	80-100
Керамика (с высокой ε)	1000 и выше

Диэлектрики могут быть разбиты на две основные группы: полярные и неполярные материалы. В полярных материалах внутри молекулярной структуры существует постоянное неравновесие электрических зарядов. Диполи представляют собой молекулы, в которых центры действия положительных и отрицательных зарядов находятся на некоторых расстояниях друг от друга. В условиях переменного электрического поля, если частота не слишком высока, диполи самоориентируются. Переориентация диполей вызывает при некоторых значениях частоты и температуры большие потери.

В неполярных материалах электрические заряды внутри молекулярной структуры уравновешены. По этой причине неполярные материалы не имеют острого максимума потерь при изменении частоты и температуры. Поливинилхлорид может служить характерным представителем полярных материалов. Диэлектрическая проницаемость поливинилхлорида, равная 10 при низких частотах, снижается до 3—4 при частоте в несколько мегагерц. Полистирол — типичный неполярный материал с диэлектрической проницаемостью, приблизительно равной 2,5 как при постоянном, так и при переменном напряжении при частоте до многих тысяч мегагерц.

Исключительным материалом, имеющим специальные свойства, является керамика с высокой диэлектрической проницаемостью. Высокое значение ε у этого материала сохраняется при частотах до многих тысяч мегагерц, но в то же время он обладает очень высокой индуктированной поляризацией. При некотором напряжении молекулярная структура искажается настолько, что становится чрезвычайно чувствительной к температуре, механическому давлению и приложенному напряжению. В этих условиях диэлектрическая проницаемость возрастает до очень высоких значений.

Потери в диэлектриках

Потери возникают за счет тока утечки, диэлектрической абсорбции и тому подобных явлений в зависимости от частоты рабочего напряжения.

Изменение ε с частотой незначительно до тех пор, пока потери малы. Потери увеличиваются, когда столкновения молекул затрудняют их ориентацию в электрическом поле; при этом диэлектрическая проницаемость падает,

Вязкость молекулярной структуры ограничивает частоту, при которой может происходить полная ориентация диполей. Если приложенное напряжение имеет частоту, сравнимую с этим граничным значением, то потери резко возрастают. Сопротивление, эквивалентное потерям, может быть введено как в последовательную, так и в параллельную эквивалентную схему. Это зависит от способа измерения при заданном частном значении частоты. Важным критерием является отношение:

Мощность, затраченная за один период

Мощность, запасённая за один период

Эта величина называется коэффициентом мощности материала и для хороших диэлектриков не зависит от частоты. Когда через конденсатор протекает переменный ток, векторы тока и напряжения сдвинуты один по отношению к другому меньше чем на 90°. Это фазовый угол φ. Угол δ, дополняющий фазовый угол φ до 90°, называется углом потерь. Косинус фазового угла или синус угла потерь равен коэффициенту мощности. Поэтому диэлектрические потери могут быть представлены в виде произведения: UIcos φ или UIsinδ. Обычно угол потерь так мал (при значении коэффициента мощности менее 10%), что можно принять tgδ равным sinδ. Хотя более удобно выражать потери через tgδ, чем через cosφ, так как первый легче измерить, однако для характеристики диэлектрических потерь в конденсаторах используются оба обозначения. В идеальном конденсаторе, не имеющем диэлектрических потерь, δ = 0.

Коэффициент рассеивания (тангенс угла потерь)

где f – частота, Гц;

R – эквивалентное последовательное сопротивление, Ом;

С – емкость, мкФ.

Коэффициент мощности может быть представлен в виде отношения потерь в диэлектрике к произведению из приложенного напряжения на ток:

Общая потерянная (активная) мощность, Вт

Напряжение (действующее значение) * ток действующее значение

Поэтому коэффициент мощности рассчитывают по формуле:

где Pa – активная мощность, Вт;

f – частота, Гц;

C – емкость, мкФ;

U – напряжение, В.

Добротность конденсатора Q — величина, обратная значению tgδ. Она может быть представлена как отношение чисто реактивного сопротивления к эффективному сопротивлению, эквивалентному потерям.

Диэлектрическая абсорбция

Если конденсатор не обладает диэлектрической абсорбцией, то начальный заряжающий или поляризационный ток при постоянном напряжении

где i – ток, А, через время, τ;

U – приложенное напряжение, В;

R – сопротивление, эквивалентное потерям в конденсаторе при последовательной схеме замещения, Ом.

Поляризационный ток асимптотически снижается до нуля. Когда R мало, это происходит за малый промежуток времени, и конденсатор зарядится полностью.

Если полностью заряженный конденсатор мгновенно разрядить и оставить его выводы на некоторое время разомкнутыми, то во всех конденсаторах с твердым диэлектриком наблюдается накопление нового заряда, так как некоторая часть первоначального заряда была «поглощена» (абсорбирована) диэлектриком. Это явление называют диэлектрической абсорбцией. Оно приводит к определенному запаздыванию во времени в процессе зарядки и разряда.

Диэлектрическая абсорбция происходит вследствие того, что на смещение связанных зарядов в диэлектрике из их нормального положения требуется некоторое конечное время, так как вязкость вещества (внутреннее трение) препятствует их движению. Время установления поляризации различно для разных диэлектриков — поляризация может установиться или почти мгновенно или в течение многих часов. В одном и том же диэлектрике несколько электронов или ионов может приобрести способность к свободному перемещению после промежутка времени, исчисляемого секундами или даже сутками. Явление усложняется еще и тем, что, например, в случае бумажных пропитанных конденсаторов время установления поляризации бумаги и пропиточной массы оказывается различным.

Диэлектрическая абсорбция вызывает уменьшение емкости при повышении рабочей частоты и появление нежелательной задержки во времени в некоторых импульсных схемах или цепях, требующих быстрой смены зарядки и разряда.

Ток утечки и постоянная времени конденсаторов

При использовании конденсатора в цепи постоянного напряжения потери, обусловленные током утечки, приводят к тому, что при отключения источника энергии заряд стекает с обкладок. Время, в течение которого заряд уменьшается до e (или 36,8% его начального значения), определяется произведением RisC, где Ris — сопротивление изоляции конденсатора и С — его емкость. Если Ris выражено в мегомах, а С — в микрофарадах, то величина RiSC — постоянная времени — будет выражена в секундах. Она может быть также выражена в МОм*мкф или Ом*ф. Конденсаторы разных типов имеют следующие характерные значения постоянной времени RisC:

Полистирольные конденсаторы ............................................... Несколько дней

Бумажные конденсаторы.......................................................... Несколько часов

Тацталовые объемно-пористые электролитические конденсаторы ….1 или 2 ч

Конденсаторы из керамики с высокой диэлектрической проницаемостью…………………………………………………………...Несколько минут

Алюминиевые электролитические конденсаторы с нетравлеными анодами………………………………………………………...Несколько секунд

Необходимо иметь в виду, что при емкостях меньше 0,1 мкф постоянная времени определяется в большей степени особенностями конструкции и внешнего оформления самого конденсатора, чем качеством диэлектрика. Ток утечки увеличивается с повышением температуры (примерно экспоненциально). Для хороших диэлектриков при комнатной температуре он весьма мал, и практически его трудно измерить, но при более высоких температурах ток утечки может стать заметным даже в конденсаторах с хорошим диэлектриком.

Сопротивление диэлектриков по постоянному току

Сопротивление диэлектрика постоянному току может быть охарактеризовано поверхностным удельным сопротивлением в омах или мегомах или удельным объемным сопротивлением в ом · см. Следует отметить, что сопротивление изоляции конденсаторов с хорошими диэлектриками (стекло, слюда и т. п.) может заметно уменьшиться при использовании для их конструктивного оформления материалов с пониженным удельным сопротивлением, таких, как фенольные смолы, особенно в условиях воздействия высокой влажности или температуры.

Электрическая прочность

Электрическая прочность материала определяется величиной напряженности поля, при которой происходит пробой. Напряженность поля в киловольтах на 1 мм (или вольтах на 1 мк), при которой пробивается диэлектрик, зависит от толщины материала, температуры, частоты и формы волны испытательного напряжения, метода проведения испытания и пр. Поэтому сравнивать различные материалы в идеале следует на образцах равной толщины и в идентичных условиях измерения.

Страницы: 1, 2