Какие параметры характеризуют конденсаторы

Основные параметры конденсатора и его схема замещения.

Номинальная емкость конденсатора — емкость, которую должен иметь конденсатор в соответствии с нормативной документацией.

Значение номинальной емкости стандартизованы и существует 7 рядов: Е3, Е6, Е12,, Е24, Е48, Е96, Е192. Чаще используют Е3, Е6, Е12, Е24, все остальные реже.

Допускаемое отклонение емкости от номинальной (допуск) характеризует точность значения емкости. Значения установлены в процентах для конденсаторов с емкостью 10пФ и выше, и в пикофорадах для конденсаторов с меньшей емкостью.

Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов.

Стабильность параметров конденсатора.

Стабильность конденсаторов определяется материалом диэлектрика и конструкцией. Каждый конденсатор обладает средней стабильностью. Однако в некоторых типах конденсаторов можно управлять стабильностью при действии температуры.

Температурный коэффициент емкости (тке).

Установлены нормы значений ТКЕ для слюдяных, керамических, полистирольных и некоторых пленочных конденсаторов; для конденсаторов с другими видами диэлектрика ТКЕ не нормируется.

Практически ТКЕ рассчитывается:

С_от – значение емкости при номинальной температуре;

Стабильность конденсаторов во времени характеризуется коэффициентом старения:

С₀ – значение емкости непосредственно после изготовления;

Рисунок 2. 2- Схема замещения конденсатора

С – емкость конденсатора;

С₃ – емкость между выводами конденсатора и корпусом;

L_e – паразитная индуктивность, определяемая конструкцией, размерами обкладок и ограничивает применение конденсаторов на высоких частотах.

R_из – сопротивление изоляции, обусловлено наличием свободных электронов в диэлектрике и зависит от температуры (с повышением температуры R_из изменяется в 10 раз и более).Если к конденсатору приложено постоянное напряжение, то ток через него определяется этим сопротивлением.

R_П – сопротивление потерь, обусловлено потерями на диэлектрике. Под действием переменного поля происходит изменение состояния (поляризация) диэлектрика, на которое затрачивается мощность.

Для количественной оценки потерь пользуются понятием тангенса угла потерь:

С – емкость конденсатора.

В некоторых случаях для характеристики потерь удобнее пользоваться понятием добротности конденсатора:

Допускаемая амплитуда переменного напряжения на конденсаторе (U_т.доп.) – амплитуда переменного напряжения, при которой потери энергии в конденсаторе не превышают допустимых.

Рp.доп. – допустимая реактивная мощность, В*А:

U — переменное напряжение на конденсаторе;

С — емкость конденсатора, Ф;

f — частота переменного напряжения на конденсаторе, Гц, от которой зависит емкость конденсатора.

При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния собственной паразитной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый емкостью С, паразитной индуктивностью L_e и сопротивлением потерь R_n. Резонанс этого контура наступает при

При f>f_p конденсатор в цепи переменного тока ведет себя как катушка индуктивности. Поэтому целесообразно использовать конденсатор на fр. Обычно рабочая частота конденсатора ниже резонансной в 2..3 раза.

Основные параметры конденсатора

Номинальная емкость С_ном относится к главному параметру и измеряется в фарадах [Ф], названная в честь выдающегося английского физика Майкла Фарадея.

Емкостью в одну фараду обладает конденсатор, который накапливает заряд, величиной в один кулон, если приложить к пластинкам напряжение один вольт. С_ном зависит от материала диэлектрика и конструкции конденсатора (взаимного расположения обкладок)

С_ном =εε_оS/d [Ф], где

ε_о – диэлектрическая постоянная ε_о = 8,85 х 10 -12 Ф/м,

ε — относительная диэлектрическая проницаемость, которая характеризует способность диэлектрика к поляризации. Диэлектрическая проницаемость ε показывает, во сколько раз заряд конденсатора с данным диэлектриком превосходит заряд аналогичного накопителя, если между его пластинками той же площади и находящихся на таком же расстоянии вакуум. Для воздуха ε равна единице, то есть практически ничем не отличается от вакуума. Сухая бумага обладает диэлектрической проницаемостью в два раза больше воздуха; фарфор – в четыре с половиной раза ε = 4,5. Конденсаторная керамика имеет ε = 10..200 единиц.

Отсюда вытекает важный вывод: чтобы получить максимальную емкость при сохранении прежних геометрических размеров, следует применять диэлектрик с максимальной диэлектрической проницаемостью. Поэтому в широко распространённых плоских конденсаторах используют керамику.

S – площадь обкладок конденсатора,

d – расстояние между обкладками (толщина диэлектрика).

Физический смысл данной формулы следующий: чем больше площадь обкладок, тем больше зарядов на ней может расположиться (накопиться); чем больше расстояние между пластинами и соответственно между зарядами, тем меньшая сила их взаимного притяжения – тем слабее они удерживаются на обкладках, поэтому зарядам легче покинуть обкладки, что приводит к снижению их числа, следовательно и уменьшению емкости конденсатора.

Ранее часто можно было услышать такое утверждение, что емкость в 1 Ф – это очень много – почти емкость нашей планеты. Однако сейчас, с появлением суперконденсаторов так больше не говорят, поскольку емкость последних достигает сотни фарад. Тем не менее в большинстве электронных схем используют накопители меньшей C – пикофарады, нанофарады и микрофарады.

Фактическое значение емкости может отличаться от номинального на величину допускаемого отклонения в процентах.

Для емкостей, также как для резисторов, установлены семь рядов номинальных значений: ЕЗ, Е6, Е12, Е24, Е48, Е95, Е192 . Каждый ряд имеет свой класс точности

В зависимости от класса точности (допустимого отклонения) производятся стандартные значения емкости, то есть стандартные номиналы конденсаторов. Емкость в приведенной ниже таблице исчисляется пикофарадами. 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. Значение емкости С₀ конденсатора приводится для температуры окружающей среды +20 С.

ТКЕ = (1/С₀ )  (dС dT ) [1C]

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 при разработке измерительного оборудования высокого класса точности, где критичны значительные отклонения параметров любого радиоэлектронного элемента.

Тангенс угла потерь

Потери, неизбежно возникающие при работе конденсатора, главным образом определяются свойствами диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора, 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. Значения тангенса угла потерь у керамических высокочастотных, слюдяных, полистирольных и фторопластовых конденсаторов находятся в пределах (10. 15)х10 -4 , поликарбонатных (15. 25)х10 -4 , керамических низкочастотных 0,035, оксидных 5. 35%.

Обратной величиной тангенса угла потерь конденсатора является добротность, равная

Конденсаторы высокого качества обладают добротностью свыше тысячи единиц.

Номинальное напряжение — напряжение, обозначенное на конденсаторе (или указанное в документации), при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Все конденсаторы имеют какое-то предельное напряжение, которое можно на них подавать. Дело все в том, что может произойти пробой диэлектрика, и конденсатор выйдет из строя. Чаще всего это напряжение пишут на самом корпусе конденсатора. Например, на электролитическом конденсаторе.

Кроме номинального рабочего напряжения в технических условиях обычно указывается испытательное напряжение. При выборочном выходном контроле оценивают способность конденсатора выдерживать кратковременные перегрузки U_исп = (1,5 – 2)U _ном

Ток утечки конденсатора

Дело все в том, что какой бы ни был диэлектрик, конденсатор все равно рано или поздно разрядится, так как через диэлектрик, как ни странно, все равно течет ток. Величина этого тока у разных конденсаторов тоже разная. Электролитические конденсаторы обладают самым большим током утечки.

Также ток утечки зависит от напряжения между обкладками конденсатора. Здесь уже работает закон Ома: I=U/R_{диэлектрика}. Поэтому, никогда не стоит подавать напряжение больше, чем максимально рабочее напряжение, прописанное на конденсаторе.

Удельная емкость конденсатора

С_уд = С_ном/V (S_{подложки}), где

С_ном –номинальная емкость конденсатора,

V – объем конденсатора,

S_{подложки} – площадь, которую занимает конденсатор на подложке.

Величина удельной емкости должна быть максимально возможной, т. к. желательно получить конденсатор с необходимой величиной емкости при минимальных размерах.

Хотите сделать конденсатор с огромной удельной емкостью, делайте площадь пластин как можно больше, расстояние между пластинами как можно меньше и выбирайте диэлектрик с максимальным значением диэлектрической проницаемости. К сожалению, все эти способы получения максимальной С_уд имеют серьезные ограничения.

Уменьшение толщины диэлектрика ограничено электрической прочностью материала.

Выбор материала с большой диэлектрической проницаемостью приводит к ограничению частотного диапазона применения конденсатора, т.к. как правило, такие материалы обладают большим значением тангенса угла диэлектрических потерь tg δ.

Поэтому часто, для увеличения удельной емкости используют разные конструктивные решения.

Параметры конденсаторов

В первую очередь в технической диагностике измеряются следующие параметры конденсаторов:

1. Номинальная емкость.

2. Тангенс угла потерь δ, рис.2.20.

Рис.2.20. Векторная диаграмма тока и напряжения для конденсатора.

В идеале вектор тока (I_н) опережает напряжение на конденсаторе на 90 о . Угол δ – это величина, на которую отклоняется реальный вектор тока I_р от идеального (I_н). Чем больше δ, тем большее значение потерь энергии происходит в конденсаторе, тем большая мощность на нем выделяется. Для керамических конденсаторов tgδ = 0,001…0,01. Алюминиевые электроли-тические конденсаторы характеризуются значительно большим углом потерь (tgδ = 0,15…0,30).

3. Сопротивление изоляции R_из = U/I_ут, где U – напряжение, приложенное к конденсатору; I_ут – ток утечки конденсатора.

4. Температурный коэффициент емкости (аналогично резисторам).

Реже при проведении диагностических операций проверяются значения следующих параметров:

1. Максимальная рабочая частота, при которой емкость конденсатора изменяется не более чем на 3дБ по сравнению с его значением на постоянном токе.

2. Коэффициент температурной нестабильности емкости, показывающий, насколько изменяется емкость конденсатора после того, как он подвергся воздействию отрицательной или положительной температуры.

3. Напряжение шумов.

4. Коэффициент диэлектрической абсорбции.

где U₁ – напряжение на конденсаторе после заряда его от источника постоянного напряжения;

U₂ – напряжение, измеренное на выводах конденсатора через 3 минуты, после того как он был закорочен на 5 секунд.

Примечание: параметр k_а показывает остаточный заряд конденсатора после короткого замыкания его выводов. Знание величины k_а требуется, например, при разработке и обслуживании схем генерации заданных промежутков времени (таймеров). Величина коэффициента диэлектрической абсорбции может достигать 15% (конденсаторы с диэлектриком из керамики Т-900).

Конденсаторы с изменяемым значением емкости

Конденсаторы с изменяющимся значением емкости делятся на подстроечные и конденсаторы переменной емкости. Емкость подстроечных конденсаторов изменяется только при выполнении операций настройки и регулировки РЭА. Конденсаторы переменной емкости делятся на 2 группы: конденсаторы с механическим изменением емкости и конденсаторы с электрическим изменением емкости. Конденсаторы переменной емкости дополнительно характеризуются параметрами:

— С_мах — максимальная емкость;

— С_min – минимальная емкость;

— К_с=С_мах/С_min – коэффициент перекрытия по емкости.

Конденсаторы с механическим изменением емкости характеризуются С_мах порядка 600…5000пФ. Конденсаторы с электрическим изменением емкости (вариконды) содержат в качестве разделителя обкладок сегнетоэлектрики – керамические диэлектрики со спонтанной поляризацией (титанат бария, титанат стронция, титанат кальция). С_мах таких конденсаторов достигает 0,2мкФ. На рис.2.21 показано включение вариконда для перестройки резонансной частоты колебательного контура. С помощью регулировочного резистора R_p изменяется напряжение на вариконде C₂. Резонансная частота колебательного контура (L₁, C₁, C₂) изменяется. Для того, чтобы источник регулируемого напряжения не шунтировал конденсатор С₂ в схему включен добавочный резистор R_д большого сопротивления.

Рис.2.21. схема включения вариконда для перестройки колебательного контура.

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.