Классификация конденсаторов

По назначению (рис. 1) конденсаторы подразделяются на два класса: конденсаторы общего применения и выпускаемые массовым порядком и специальные. К специальным относятся, например, ваку­умные, дозиметрические, импульсные и др. Группа общего применения содержит широко используемые конденсаторы, пригодные практически для любых РЭС. Традиционно к этой группе относят низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особых требований.

У конденсаторов постоянной емкости значение электрической емкости фиксировано и в процессе использования РЭС не регулиру­ется. Конденсаторы переменной емкости позволяют управлять зна­чением емкости либо механически (например, конденсаторы пере­менной емкости с поворачивающимися вокруг механической оси ро­торными пластинами), электрическим напряжением (вариконды), нагревом (термоконденсаторы). Подстроечные конденсаторы ис­пользуются для разовой или эпизодической регулировки емкости.

По способу монтирования конденсаторы разделяются на груп­пы навесного, печатного (традиционного и поверхностного) монтажа и в составе микромодулей. Выводы конденсаторов для навесного монтажа изготавливают жесткими, мягкими, радиальными, аксиаль­ными из проволоки круглого сечения или плоской ленты, в виде ле­пестков, резьбовых втулок, опорных винтов и др. У некоторых типов конденсаторов в качестве выводов используют металлизированные части их поверхности.

Рис. 1. Классификация конденсаторов

Незащищенные конденсаторы используются только в составе герметизированного узла (например, микросборки или гибридной ин­тегральной схемы). Неизолированные конденсаторы не имеют элек­троизоляционной оболочки и потому не допускают при работе контак­тов с другими неизолированными компонентами и корпусом узла. Уп­лотненные конденсаторы обладают корпусом, специально созданным для работы при повышенных уровнях влажности окружающей среды.

Маркировка и условное графическое обозначение конденсаторов

Для конденсаторов обычно используется буквенно-цифровая маркировочная надпись. Она содержит сокращенное обозначение типа конденсатора, номинальное напряжение, номинальное значе­ние емкости, допуск, обозначение климатического исполнения и год выпуска. Полное или сокращенное указание емкости и допуска зави­сит от размеров конденсатора. Полное указание номинальной емко­сти состоит из цифры и обозначения единицы измерений: Ф - фара­да; мкФ - микрофарада (10^-6 Ф); нФ - нанофарада (10^-9 Ф); пФ - пикофарада (10^-12 Ф).

Сокращенное указание номинальной емкости производят тремя или четырьмя знаками, состоящими из двух или трех цифр и буквы (русского или латинского алфавитов): например, 1, 5 пикофарады = = 1П5 (или 1р5); 10 нанофарад = H (10n); 10 микрофарад = 10M (10 ); 1 фарада = 1Ф0 (1F0).

Обозначение марки (типа) конденсатора состоит из букв и цифр. Первый элемент обозначения - буква или группа букв, соот­ветствует подклассу: К - постоянной емкости; КТ - подстроечный; КП - переменной емкости. Второй элемент обозначения - номер группы конденсаторов по типу диэлектрика (табл. 2). Третий эле­мент обозначений (регистрационный номер данного типа конденса­тора) указывается через дефис.

В технической документации на РЭС и его составные части должно быть приведено на каждый конденсатор его полное услов­ное обозначение, состоящее из сокращенного обозначения марки конденсатора и сокращенного обозначения некоторых его основных характеристик.

Примеры условных обозначений конденсаторов:

• Керамический конденсатор типа К10-7В предназначен для всеклиматического применения (буква «В») на номинальное напря­жение 50 В с температурным коэффициентом емкости М47 (т.е. C) и номинальную емкость 27 пФ с допуском ±10% и име­ет условное обозначение в виде:

Конденсатор КЮ-7В-50В-М47-27пФ±10% ГОСТ 5.621-70.

Таблица 2. Обозначение конденсаторов по группам диэлектриков

Конденсатор К50-7-1-250В-100мкФ-B¹.

• Подстроечный малогабаритный керамический конденсатор типа КПК-М с перестройкой емкости в пределах 2...7 пФ имеет пол­ное условное обозначение:

Конденсатор КПК-М-2/7 ГОСТ 5.500-76.

Следует иметь в виду, что приведенные условные обозначе­ния не распространяются на устаревшие правила обозначения кон­денсаторов, у которых в качестве основы использовалась информа­ция о конструктивных разновидностях, технологических особенно­стях, эксплуатационных показателях, области применения и др. На­пример, КТК (конденсатор трубчатый керамический); КО (конденса­тор опорный): КД (конденсатор дисковый); КСО (конденсатор слюдя­ной опрессованный); КЛС (конденсатор литой секционированный); КМ (конденсатор монолитный); КБГИ (конденсатор бумажный герме­тизированный изолированный); СГМ (конденсатор слюдяной мало­габаритный); КЭГ (конденсатор электролитический герметизирован­ный); ЭТО (конденсатор электролитический танталовый объемно-пористый) и др.

Рис. 2. Условное графическое обозначение конденсаторов

На принципиальных схемах узлов РЭС конденсаторы, соглас­но действующему в России стандарту, имеют следующие графиче­ские изображения: рис. 2, а - конденсаторы постоянной емкости; рис. 2, б - конденсаторы переменной емкости; рис. 2, е - конден­саторы дифференциальные; рис. 2, г - конденсаторы подстроечные; рис. 2, д - конденсаторы сегнетоэлектрические (вариконды); рис. 2, е - конденсаторы полярные; рис. 2, ж - конденсаторы про­ходные.

Основные электрические характеристики конденсаторов

К основным электрическим характеристикам конденсаторов относятся- номинальная емкость и допуск на нее, температурный коэффициент емкости, номинальное напряжение, номинальный ре­активный ток, тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление изоляции и ток утечки,

НОМИНАЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ И ДОПУСК

Номинальным называют значение емкости конденсатора, ко­торое указано в технической документации на конденсатор или ко­торое обозначено на его корпусе. Номинальная емкость является исходной для отсчета допустимого и реального отклонений конкретного конденсатора. Практически используемые значения емкостей конденсаторов находятся в пределах от 1 пФ до 1Ф, т.е. 12 порядков или 12 декад.

Экономически целесообразно, чтобы конденсаторы имели лишь некоторые значения емкости, которые находят наибольшее применение. Номинальные значения емкостей (табл. 9.3), согласно рекомендациям МЭК (Международной электротехнической комис­сии), стандартизованы (т.е. не произвольны) и выбираются из опре­деленных рядов чисел ЕЗ; Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192 (цифра ука­зывает количество номинальных значений в каждой декаде).

Таблица 3. Ряды номинальных емкостей конденсаторов, наиболее часто используемые в РЭС

Так, в ряде ЕЗ имеется три значения номинальных емкостей в каждой их декаде, которые соответствуют числам 1, 0; 2, 2; 4, 7. Это зна­чит, что конденсаторы могут иметь, например, номинальные значения в микрофарадах: 1, 0; 2, 2; 4, 7; 10; 22; 47; 100; 220; 470 и т.д. Аналогично в пикофарадах, нанофарадах, фарадах. Номинальные емкости должны соответствовать значениям теоретического ряда, однако реально ис­пользуемый состав ряда может быть ограничен по технологическим или физическим причинам. Например, керамический монолитный кон­денсатор типа К10-23 с температурными коэффициентами ПЗЗ и М47 производятся с номинальными емкостями, подчиняющимися ряду Е6, от 2, 2 до 330 пФ, т.е. всего три декады из теоретических двенадцати.

В производстве конденсаторов наиболее часто применяются ряды номиналов ЕЗ, Е6, Е12 и Е24. Фактическое значение емкости, измеренное у конкретного конденсатора, может отличаться от номи­нального на некоторое значение, обязанное находиться в пределах поля допуска. Назначаемые допуски обычно исчисляются в процен­тах от номинального значения и также подчиняются ряду (табл. 4). Как уже упоминалось, допустимые отклонения могут указываться на самом конденсаторе. Кроме того, существует международная коди­ровка допусков, которой соответствуют отечественные обозначения (в скобках табл. 4).

Таблица 4. Ряд допустимых отклонений емкости конденсаторов от номинальных значений и их кодировка

Допуск, %	Международный код	Допуск, %	Международный код
0, 1	B(Ж)	20	M(В)
0, 2	C(У)	30	NФ()
0, 5	D(Д)	-10…+30	O(О)
1	FР()	-10…+50	T(Э)
2	G(Л)	-10…+100	Y(Ю)
5	J(И)	-20…+50	S(Б)
10	K(С)	-20…+80	Z(А)

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ЕМКОСТИ

Емкость большинства конденсаторов зависит от их температу­ры, причем зависимость имеет нелинейный характер. Для практиче­ских целей используют линеаризацию введением температурного коэффициента емкости (ТКЕ) - величины, равной относительному изменению емкости при изменении температуры окружающей среды на один градус. При наличии существенной нелинейности линеари­зацию применяют для диапазонов температур.

Керамические (и немногие другие) конденсаторы по уровню ТКЕ подразделяют на группы с линейной или близкой к ней зависи­мостью емкости от температуры. В табл. 9.5 приведены условные обозначения (буквенно-цифровое и цветными поясами) групп тем­пературных коэффициентов емкости конденсаторов.

Таблица 5. Условное обозначение групп температурных коэффи­циентов емкости керамических конденсаторов

Таблица 6. Кодированные обозначения изменений емкости кон­денсаторов с ненормируемым ТКЕ

Температурный коэффициент емкости слюдяных и полистирольных конденсаторов колеблется в пределах , 1/°С. Поли карбонатные конденсаторы по знаку ТКЕ не гарантируются производителями ( 1/°С). ТКЕ конденсаторов с другими ди­электриками не нормируются, но с помощью кодировки могут быть указаны допустимые пределы нелинейного изменения емкости в за­данном диапазоне температур (табл. 6).

НОМИНАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЕ, ТОК И РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ

Номинальным называют напряжение, при котором конденса­тор может работать с сохранением своих характеристик в пределах допусков в течение эксплуатации в заданных условиях. Уровень это­го напряжения зависит от применяемых материалов и конструкции конденсатора. Поскольку свойства диэлектриков существенно зави­сят от температуры, то с ее повышением (обычно выше 70...90°С) для многих типов конденсаторов номинальное напряжение снижают.

Номинальное напряжение назначают с некоторым запасом по отношению к электрической прочности диэлектрика. Такой запас ис­ключает интенсивное старение диэлектрика и снижение пробивного напряжения в течение срока эксплуатации. В свою очередь, электри­ческая прочность диэлектрика зависит от формы приложенного на­пряжения (постоянное, переменное гармоническое, переменное им­пульсное), температуры и влажности среды, от площади соприкосно­вения с электродными пластинами, от длительности эксплуатации.

Номинальные напряжения подчиняются стандартному ряду следующих значений: 1; 1, 6; 2, 5; 3, 2; 4; 6, 3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 350; 400; 450; 500; 630; 800; 1000; 1600; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6300; 8000; 10 000 В.

Особенностью применения конденсаторов в составе РЭС яв­ляется их работа под напряжением, содержащем постоянную и пе­ременную составляющие. Сумма амплитуд постоянной и перемен­ной составляющей не должна превышать номинальное напряжение конденсатора.

С целью установления допустимого электрического режима вы­сокочастотных и особенно высоковольтных конденсаторов вводят по­нятие реактивной мощности, которая характеризует нагрузочную способность конденсатора при наличии на нем больших напряжений U_m высокой частоты. Реактивную мощность конденсатора определяют соотношением (ВАР). В области низких частот допус­тимый электрический режим обусловлен амплитудой переменного напряжения U_m, а на высоких - допустимой реактивной мощностью.

В свою очередь, амплитуду переменной составляющей можно найти с учетом допустимой пропускаемой реактивной мощно­сти (ВАР) на частоте f (Гц) конденсатора емкостью С (пФ):

.

Пропускаемая реактивная мощность конденсатора оказывает существенное влияние на допустимую амплитуду переменной со­ставляющей приложенного напряжения при включении конденсато­ра в цепь, например, высоковольтного делителя. Так, высоковольтный керамический конденсатор типа К15-12 имеет (о зависимости от номинального импульсного напряжения) допустимую реактивную мощность 0, 5…3, 5 кВАР и номинальное напряжение в пределах 2…4 кВ, а опорный керамический конденсатор К1ОУ-1 (применяемый при изготовлении помехоподавляющих фильтров РЭС) емкостью 2Н2 - всего 0, 5 ВАР и номинальное напряженно 350 В.

Наличие омических (активных) потерь в конденсаторе приво­дит к возникновению активной мощности потерь , выделяемой на конденсаторе и приводящей к его нагреву.

Номинальный ток (нормируется только для вакуумных кон­денсаторов) - это наибольший ток, при котором конденсатор может работать длительное время. Он введен для целесообразного выбо­ра теплового режима конденсатора при значительных уровнях пере­менного тока. При пропускании через конденсатор радиоимпульсов (импульсов с заполнением сигналом высокой частоты) уровень им­пульсного тока 1„ со скважностью q может превышать номинальный ток , в несколько раз: .

Конденсатор, включенный в цепь переменного тока, обладает полным сопротивлением (импедансом), обусловленным присутстви­ем (помимо емкости) у реального конденсатора внутреннего омиче­ского сопротивления и индуктивности. На высоких частотах они ока­зывают заметное влияние на амплитуду и форму напряжений и то­ков цепи, в которую включен конденсатор.

Рис 3. Эквивалентная схема замещения конденсатора на высокой частоте

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика полного сопротивления конденсатора

В простейшем случае эквивалентную схему конденсатора можно представить (рис. 3) последовательным включенном емко­сти С, индуктивности L и сопротивления r, которая характеризуется импедансом

.

На резонансной частоте f₀ конденсатор имеет (рис. 4) чисто активное сопротивление - на этой частоте компенсируются емкост­ная и индуктивная составляющие импеданса, т.е. . Следует отметить весьма важную для практики особенность - на часто­тах ниже f₀ реактивное сопротивление носит емкостной характер, на частоте выше f₀ - индуктивный.

В табл. 7, представлены усредненные значения характери­стик элементов эквивалентной схемы замещения конденсатора.

Таблица 7. Значения усредненных характеристик элементов за­мещения конденсаторов некоторых типов

В большинстве случаев применения конденсаторы являются линейными компонентами, у которых основные электрические ха­рактеристики считаются не зависящими от приложенных напряжений и протекающих токов. При протекании через один из таких конденса­торов переменного тока синусоидальной формы вида падение напряжения на нем должно учитывать инерционные свойства конденсатора:

.

Таким образом, напряжение на конденсаторе отстает от тока через него на 90^º (векторная диаграмма показана на рис. 5). До­полнительный угол появился при переходе к синусоидальной функ­ции. В комплексной форме имеет место следующее соотношение:

, где величина является комплексным сопротивлением конденсатора, а величина - называется реактивным сопротивлением конден­сатора, которое на постоянном токе стремится к бесконечности, а на переменном токе снижается до минимальных значений при уве­личении частоты (рис. 6),

Рис. 5. Векторная диаграмма тока и напряжения на конденсаторе

Рис. 6. Зависимость реактивного со- Рис. 7. Временные зависимости на-противления конденсатора от частоты пряжения, тока и реактивной мощно­сти

конденсатора

Мгновенная мощность, выделяемая на конденсаторе (рис.7),

может иметь положительное и отрицательное значения (конденса­тор запасает электрическую энергию или отдает ее в ту цепь, в ко­торую он включен).

ТАНГЕНС УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

Потери энергии на заданной частоте в конденсаторе отражает тангенс угла потерь, который определяют отношением активной мощности на конденсаторе к его реактивной мощности (при напряжении синусоидального тока): . Тангенс угла диэлектриче­ских потерь обусловлен типом диэлектрика и его качеством, температурой окружающей среды, частотой переменного тока. Зна­чения для керамических высокочастотных, слюдяных, полистирольных, фторопластовых конденсаторов находятся в пределах , поликарбонатных , керамических низко­частотных , оксидных , полиэтиленфталатных .

СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ И ТОК УТЕЧКИ

На постоянном токе конденсатор представляет собой доста­точно большое сопротивление. Это сопротивление называют сопро­тивлением изоляции конденсатора. Его значение отражает качество, как диэлектрика, так и изготовленного конденсатора. При длитель­ной эксплуатации или хранении сопротивление изоляции под дейст­вием внешних воздействий может снизиться на несколько порядков. Для практической оценки этой характеристики конденсатора изме­рение сопротивления изоляции производят при некоторых фиксиро­ванных напряжениях (10, 100, 500 В), значения которых ниже номи­нальных для соответствующих типов конденсаторов.

Проводимость конденсатора на постоянном токе в установив­шемся режиме обусловливает ток утечки между его обкладками. Причиной его возникновения являются свободные носители заряда в диэлектрике, и он нелинейно зависит от приложенного напряжения и длительности воздействия. Поэтому практическое измерение тока утечки конденсатора производят через 5 мин после подачи на него напряжения. Обнаружено, что многократное приложение постоянно­го напряжения (ниже номинального) вызывает у вновь изготовленно­го конденсатора «формовку» диэлектрика (некоторое снижение тока утечки). Длительная эксплуатация и хранение вызывают рост тока утечки.