КОНДЕНСАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

КОНДЕНСАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ система из двух или более электродов (обкладок), разделённых
диэлектриком,
толщина
к-рого мала по сравнению с размерами обкладок; такая система электродов
обладает взаимной электрической ёмкостью. К. э. в виде готового
изделия применяется в электрич. цепях там, где необходима сосредоточенная
ёмкость. Диэлектриком в К. э. служат газы, жидкости и твёрдые электроизоляционные
вещества, а также полупроводники. Об-кладками К. э. с газообразным и жидким
диэлектриком служит система металлич. пластин с постоянным зазором между
ними. В К. э. с твёрдым диэлектриком обкладки делают из тонкой металлич.
фольги или наносят слои металла непосредственно на диэлектрик. Для нек-рых
типов К. э. на поверхность металлич. фольги (1-я обкладка) наносится тонкий
слой диэлектрика; 2-й обкладкой является металлич. или полупроводниковая
плёнка, нанесённая на слой диэлектрика с другой стороны, или электролит,
в к-рый погружается оксидированная фольга. В интегральных схемах применяются
два принципиально новых вида К.
э.: диффузионные и металлокисел-полупроводниковые
(МОП). В диффузионных К. э. используется ёмкость созданного методом диффузии
р-
n-перехода, к-рая зависит от приложенного напряжения. В К. э. типа
МОП в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния, выращенный
на поверхности кремниевой пластины. Обкладками служат подложка с малым
удельным сопротивлением (кремний) и тонкая плёнка алюминия. При подключении
К.э. к источнику постоянного тока на его обкладках накапливается электрич.
заряд Q = С·U; выражая Q в кулонах и U (напряжение на обкладках
К. э.) в вольтах, получим С - ёмкость К. э. в фарадах. Ёмкость К. э. с
обкладками в виде двух параллельных плоских пластин равна:

где E- диэлектрич. проницаемость вакуума, E-3пф/мм;
е - относительная диэлектрич. проницаемость диэлектрика (? > 1); S
- площадь плоской обкладки в мм², b - расстояние между
обкладками в мм.

Ёмкость цилиндрич.
К. э. (два коаксиальных полых цилиндра, разделённых диэлектриком) равна

где l
- длина цилиндра в мм; Dцилиндра в мм; Dвнешний диаметр внутреннего цилиндра
в мм. При этом не учитываются искажения однородности электрич. поля
у краёв обкладок (краевой эффект), и потому эти расчёты дают неск. заниженные
значения ёмкости С; точность расчёта возрастает при уменьшении отношения

(для плоского
К. э.) и (для
цилиндрич. К. э.).

К. э. часто
включаются группами (батареей); для параллельного соединения К. э. общая
ёмкость батареи C+ C
+ ... + С

где C,
С..., Св цепь переменного тока частотой f гц

через К. э.
протекает реактивный (ёмкостный) ток

где U -
напряжение,
приложенное к обкладкам К.э.,

х- реактивное
сопротивление К. э.

при
условии, что f в гц, а С - в ф.

Зависимость
реактивного сопротивления К. э. от частоты используется в электрических
фильтрах. Вектор тока, протекающего через К. э., опережает вектор напряжения,
приложенного к его обкладкам, на угол ф=90⁰, это позволяет применить
К. э. для повышения мощности коэффициента пром. установок с индуктивной
нагрузкой, для продольной компенсации в линиях электропередачи, в
конденсаторных
асинхронных двигателях и т. п. Реактивная мощность К.э. Р= 2пfU²C (вар), где U - в в, f - в гц,
С - в ф. К осн. параметрам К. э. (см. табл.) относятся: номинальная
ёмкость - Сн; допуск по номинальной ёмкости

где Си - измеренное
значение ёмкости К. э.; рабочее (номинальное) н а-пряжение Uн, при
к-ром К. э. надёжно работает длит, промежуток времени (обычно более 1000
ч);
испытательное
напряжение Uк-рое К. э. должен выдерживать в течение
определ. промежутка времени (2-5 сек, иногда до 1 мин) без
пробоя диэлектрика; пробивное напряжение Uвызывающее пробой диэлектрика за промежуток времени в неск. сек; угол
потерь б - чем б больше, тем большая часть энергии выделяется
на нагрев К. э.; потери активной мощности Р2пfU²C
(вт), где б - угол потерь, U - в в, Сн - в ф, f - в
гц; температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ), характеризующий зависимость
изменения ёмкости К. э. от темп-ры; сопротивление изоляции Rмежду выводами К. э. при подаче на них постоянного напряжения.

К. э. обладают
индуктивностью L, вследствие чего полное сопротивление К. э. часто
не является

преимущественно
ёмкостным в любом диапазоне частот; применять К. э, целесообразно только
при частотах f < f(fo- собств. резонансная
частота К. э. ), т.к. при f > f сопротивление имеет
преимущественно индуктивный характер. Надёжность К. э. определяется вероятностью
его безотказной работы в течение гарантированного срока службы; иногда
надёжность выражают в виде интенсивности отказов К.э. Для сравнит,
оценки качества К. э. применяются удельная ёмкость

где Vсм³
- активный объём К. э., и удельная стоимость, т.е. стоимость К. э.,
отнесённая к накопленной в К. э. энергии или заряду. Удельная стоимость
К. э. всегда снижается по мере увеличения размеров К. э.

По применению
различают К. э. низкого напряжения низкой частоты (большая удельная ёмкость
Свысокая СRудельная реактивная мощность). К. э. выпускаются постоянной ёмкости, переменной
ёмкости и полупеременные (триммеры). Параметры, конструкция и область применения
К. э. определяются диэлектриком, разделяющим его обкладки, поэтому основная
классификация К. э. проводится по типу диэлектрика.

К. э. с газообразным
диэлектриком (воздушные, газонаполненные и вакуумные) имеют весьма малые
значения tg ? и высокую стабильность ёмкости (см. табл.). Воздушные К.
э. постоянной ёмкости применяют в измерительной технике в основном как
образцовые К. э. Воздушные К. э. рекомендуется применять при напряжениях
не выше 1000 в. В электрических цепях высокого напряжения (св. 1000
в)
применяют
газонаполненные (азот, фреон и др.) и вакуумные К. э. Вакуумные К. э. имеют
меньшие потери, малый ТКЕ и более устойчивы к вибрациям по сравнению с
газонаполненными. Рабочее напряжение для вакуумных К. э. постоянной ёмкости
от 5 до 45 кв. Наиболее целесообразно вакуумные К. э. использовать
при работе в диапазоне частот от 1 до 10 Мгц.

Значение пробивного
напряжения вакуумных К. э. не зависит от атм. давления, поэтому они широко
применяются в авиационной аппаратуре. Основной недостаток К. э. с газообразным
диэлектриком - весьма низкая удельная ёмкость.

К, э. с жидким
диэлектрикок имеют при тех же размерах, что и К. э. с газообразным диэлектриком,
большую ёмкость, т. к. диэлектрическая проницаемость у жидкостей
выше, чем у газов; однако такие К. э. имеют большой ТКЕ и большие диэлектрические
потери, по этим причинам они не перспективны.

К К. э. с твёрдым
неорганическим диэлектриком относятся стеклянные, стеклоэмалевые и стеклокера-мич.,
керамич. (низкочастотные и высокочастотные) и слюдяные К.э. Стеклянные,
стеклоэмалевые и стеклокерамич. К. э. представляют собой многослойный пакет,
состоящий из чередующихся слоев диэлектрика и обкладок (из серебра и др.
металлов). В качестве диэлектрика используются конденсаторное стекло, низкочастотная
или высокочастотная стекло-эмаль и стеклокерамика. Эти К. э. имеют относительно
малые потери, малые ТКЕ, устойчивы к воздействию влажности и температуры,
имеют большое сопротивление изоляции. Долговечность этих К. э. при номинальном
напряжении и максимальной рабочей темп-ре не менее 5000 ч. Керамич.
К. э. представляет собой поли-кристаллич. керамич. диэлектрик, на к-рый
вжиганием нанесены обкладки (из серебра, платины, палладия). К об-кладкам
припаяны выводы, и вся конструкция покрыта влагозащитным слоем. Керамич.
К. э. подразделяют на низковольтные высокочастотные (малые потери, высокая
резонансная частота, малые габариты и масса), низковольтные низкочастотные
(повышенная удельная ёмкость, относительно большие потери) и высоковольтные
К. э. (от 4 до 30 кв), в к-рых используется специальная керамика,
имеющая высокое пробивное напряжение.

В 1960-х гг.
в связи с развитием полупроводниковой техники, применявшей рабочие напряжения
гл. обр. до 30 в, широкое распространение получили керамич. К. э.
на основе тонких (ок. 0,2 мм) керамич. плёнок. Применение сегнетокерами-ки
в качестве диэлектрика позволило получить удельную ёмкость порядка 0,1
мкф/см³.
Эти
К. э. рекомендуется ставить в низковольтных низкочастотных цепях. В слюдяных
К. э. диэлектриком служит слюда, расщеплённая на тонкие пластинки до 0,01
мм. Слюдяные К. э. имеют малые потери, высокое пробивное напряжение
и высокое сопротивление изоляции. Электроды в слюдяных К. э. делают из
фольги или наносят на слюду испарением металла в вакууме либо вжи-ганием.
Слюдяные низковольтные К. э. широко применяют в радиотехнике (элек-трич.
фильтры, цепи блокировки и т. п.). Недостаток слюдяных К. э. - малая временная
и температурная стабильность ёмкости, особенно у К. э. с обклад-ками из
фольги.

К. э. с твёрдым
органическим диэлектриком изготавливают намоткой длинных тонких лент диэлектрика
и фольги (обкладки); иногда применяют обкладки в виде нанесённого на диэлектрик
слоя металла (цинк, алюминий) толщиной 0,03-0,05 мкм. В б у-мажных
К. э. диэлектриком служит спец. конденсаторная бумага; эти К. э. имеют
относительно большие потери, повышенную удельную стоимость. Эффективное
использование бумажных К. э. возможно при частотах до 1 Mгц. Бумажные
К. э. широко применяются в низкочастотных цепях высокого напряжения при
большой силе тока, например для повышения коэффициента мощности (cos фи).

В металлобумажных
К.э. применением металлизир. обкладок достигается большая удельная ёмкость
(по сравнению с бумажными К. э.), однако уменьшается сопротивление изоляции.
Металлобумажные К. э. обладают свойством "самовосстанавливаться"после единичных
пробоев. Бумажные и металлобумажные К. э. не рекомендуется применять в
цепях с очень низким (по сравнению с номинальным) напряжением.

В плёночных
К. э. диэлектриком служит синтетич. плёнка (полистирол, фторопласт я
др.).
Плёночные К. э. имеют большие сопротивления изоляции, большие ТКЕ, малые
потери, относительно малую удельную стоимость. В комбинированных (бумажно-плёночных)
К. э. совместное применение бумаги и плёнки увеличивает сопротивление изоляции
и напряжение пробоя, отчего повышается надёжность К. э. Наибольшей удельной
ёмкостью обладают лакопленочные К. э. с тонкими металлизир. плёнками. Эти
К. э. по удельной ёмкости приближаются к электролитич. К, э., но имеют
лучшие электрич. характеристики и допускают эксплуатацию при знакопеременном
напряжении.

В электролитических
(ок-сидных) К. э. диэлектриком является оксидная плёнка, нанесённая электролитич.
способом на поверхность пластинки из алюминия, тантала, ниобия или титана,
к-рая служит одной из обкладок К.э. Второй обкладкой служит жидкий, полужидкий
или пастообразный электролит или полупроводник. Электролитич. К. э. обладают
большой удельной ёмкостью, имеют большие потери и ток утечки, малую стабильность
ёмкости. Наилучшие по своим электрич. характеристикам - оксидно-полупроводниковые
электролитич. К. э., однако их удельная стоимость пока ещё высока. Эксплуатация
электролитич. К. э. возможна только при определённой полярности напряжения
на обкладках, что ограничивает допустимую величину переменной составляющей
рабочего напряжения. В связи с этим электрич. К. э., как правило, применяют
только в цепях постоянного и пульсирующего тока низкой частоты (до 20 кгц)в
качестве блокировочных конденсаторов, в
цепях развязки, в электрич. фильтрах

и т. п.

К. э. переменной
ёмкости и полупеременные изготовляются с механически и электрически управляемой
ёмкостью. Изменение ёмкости в К. э. с механич. управлением достигается
чаще всего изменением
площади его обкладок или (реже)
изменением зазора между обкладками. Наибольшее распространение получили
воздушные К. э. переменной ёмкости - две группы параллельных пластин, из
к-рых одна группа (ротор) может перемещаться
так, что её пластины заходят в зазоры между пластинами др. группы (статора).
Ёмкость К. э. изменяют, меняя взаимное угловое положение пластин статора
и ротора. К. э. переменной ёмкости с твёрдым диэлектриком (керамич., слюдяные,
стеклянные, плёночные) в основном используются как полупеременные (подстрочные)
с относительно небольшим изменением ёмкости.

В К. э. с электрич.
управлением ёмкостью применяют два типа твёрдого диэлектрика: сегнетоэлектрик
(вариконд)
и
полупроводник с запорным слоем (варикап, семикап и т. д.). Вариконды
увеличивают свою ёмкость с увеличением напряжения на обкладках. В варикапах
для изменения ёмкости используется зависимость ширины
р-
?-перехода
от приложенного напряжения: с увеличением напряжения ёмкость снижается
вследствие увеличения ширины р- п-перехода. Варикапы имеют большую
по сравнению с варикондами стабильность ёмкости и меньшие потери при высоких
частотах.

Принятая в
СССР система сокращённых обозначений К. э. постоянной ёмкости состоит из
четырёх индексов: 1-й индекс (буквенный) К - конденсатор; 2-й (цифровой)
- группа К. э. по виду диэлектрика; 3-й (буквенный) - назначение К. э.
(П - для работы в цепях постоянного и переменного тока, Ч - для работы
в цепях переменного тока, У - для работы в цепях постоянного и переменного
тока и в импульсных режимах, И - для работы в импульсных режимах, К. э.,
у к-рых нет индекса, - для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока);
4-й индекс - порядковый номер исполнения К. э. Пример обозначения: К15И-1
- К. э. постоянной ёмкости, керамический, предназначен для работы в импульсных
режимах.

Для К. э. переменной
ёмкости с меха-нич. управлением приняты следующие обозначения: два первых
индекса (буквенных) КТ - подстроечные (полупеременные), КП - переменной
ёмкости; третий индекс (цифровой) обозначает вид используемого диэлектрика.
Для К. э. с электрически управляемой ёмкостью применяется обозначение КН
(конденсатор нелинейный); третий индекс обозначает основной параметр К.
э. (коэфф. усиления) и четвёртый - назначение К. э.

Лит.: Ренне
В. Т., Электрические конденсаторы, 3 изд.. Л., 1969.

А. В. Кочеров.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я