Elektrisk kondensator

Kondensator (från lat. condensare - "compact", "thicken" eller från lat. condensatio - "ackumulation") - ett tvåterminalt nätverk med ett konstant eller variabelt värde på kapacitans [1] och låg konduktivitet ; en anordning för ackumulering av laddning och energi från ett elektriskt fält .

Kondensatorn är en passiv elektronisk komponent. I SI mäts kapacitansen för en kondensator i farad .

Historik

År 1745, i Leiden , uppfann den tyske kanonen Ewald Jurgen von Kleist och, oberoende av honom, den holländska fysikern Pieter van Muschenbroek , designprototypen av en elektrisk kondensator - " Leyden-burken " [2] . De första kondensatorerna, bestående av två ledare separerade av en icke-ledare ( dielektrisk ), vanligen kallad en Aepinus- kondensator eller elektrisk plåt, skapades ännu tidigare [3] .

Kondensatordesign

Kondensatorn är en passiv elektronisk komponent [4] . I den enklaste versionen består konstruktionen av två elektroder i form av plattor (kallade plattor ), åtskilda av ett dielektrikum , vars tjocklek är liten jämfört med plattornas dimensioner (se fig.). Praktiskt använda kondensatorer har många dielektriska skikt och flerskiktselektroder, eller remsor av alternerande dielektrikum och elektroder, rullade till en cylinder eller parallellepiped med rundade fyra kanter (på grund av lindning).

Kondensatoregenskaper

En kondensator i en DC-krets kan leda ström i det ögonblick den är ansluten till kretsen (kondensatorn laddas eller laddas), i slutet av övergångsprocessen flyter strömmen inte genom kondensatorn, eftersom dess plattor är åtskilda av ett dielektrikum. I en växelströmskrets leder den växelströmsvängningar genom den cykliska laddningen av kondensatorn, som sluter med den så kallade förskjutningsströmmen .

Ur synvinkeln av metoden för komplexa amplituder har kondensatorn en komplex impedans

{\hat {Z}}_{C}={\frac {1}{j\omega C}}=-{\frac {j}{\omega C}}=-{\frac {j} {2\pi fC}},

var är den imaginära enheten ,

j

\omega

är den cykliska frekvensen ( radian / s ) för den strömmande sinusformade strömmen,

f

- frekvens i hertz ,

C

är kapacitansen för kondensatorn ( farad ).

Det följer också att kondensatorns reaktans är lika med För likström är frekvensen noll, därför är kondensatorns reaktans formellt oändlig för likström. $\scriptstyle X_{C}={\tfrac {1}{\omega C)).$

När frekvensen ändras ändras dielektrikets dielektriska permittivitet och graden av påverkan av parasitparametrar - självinduktans och förlustresistans. Vid höga frekvenser kan vilken kondensator som helst betraktas som en serieoscillerande krets bildad av kapacitans, dess egen induktans och förlustresistans $C,$ $L_c$ $R_{n}.$

Resonansfrekvensen för en kondensator är:

f_{p}={\frac {1}{2\pi {\sqrt {L_{c}C))))

När en kondensator i en växelströmskrets beter sig som en induktor . Därför är det tillrådligt att använda kondensatorn endast vid frekvenser där dess reaktans är kapacitiv till sin natur. Vanligtvis är den maximala driftsfrekvensen för kondensatorn cirka 2-3 gånger lägre än resonansen. $f > f_p$ $f < f_p$

En kondensator kan lagra elektrisk energi . Energi hos en laddad kondensator:

W={CU^{2} \over 2}={qU \over 2}={q^{2} \over 2C},

var är spänningen (potentialskillnaden) till vilken kondensatorn är laddad,

U

q

- elektrisk laddning på en av plattorna.

Beteckningen på kondensatorerna i diagrammen

Beteckning enligt GOST 2.728-74	Beskrivning
	Fast kondensator
	Polariserad (polär) kondensator
	Variabel trimmerkondensator
	Varicap

I Ryssland, för konventionella grafiska symboler för kondensatorer på diagram, rekommenderas att använda GOST 2.728-74 [5] eller standarden för den internationella sammanslutningen IEEE 315-1975.

På elektriska kretsscheman anges den nominella kapacitansen för kondensatorer vanligtvis i mikrofarader (1 μF = 1 10 6 pF = 1 10 −6 F) och picofarads (1 pF = 1 10 −12 F) och i nanofarader (1 nF = 1 10 −9 F). Med en kapacitet på högst 0,01 μF indikeras kondensatorns kapacitans i picofarads, medan det är tillåtet att inte ange måttenheten, det vill säga "pF" efterfixet utelämnas. När den nominella kapaciteten anges i andra enheter, ange måttenheten. För elektrolytiska kondensatorer, såväl som för högspänningskondensatorer i diagrammen, efter att ha angett kapacitansvärdet, anges deras maximala driftspänning i volt (V) eller kilovolt (kV). Till exempel: "10 uF × 10 V". För variabla kondensatorer, ange intervallet för förändring i kapacitans, till exempel: "10-180". För närvarande tillverkas kondensatorer med nominell kapacitet från decimal-logaritmiska serier av värden E3, E6, E12, E24 , det vill säga det finns 3, 6, 12, 24 värden per decennium, så att värdena med lämplig tolerans (spridning) täcka hela decenniet.

Grundläggande parametrar

Egenskaper

Kapacitet

Det huvudsakliga kännetecknet för en kondensator är dess kapacitans , som kännetecknar kondensatorns förmåga att ackumulera elektrisk laddning . Värdet på den nominella kapaciteten framgår av kondensatorns beteckning, medan den faktiska kapaciteten kan variera avsevärt beroende på många faktorer. Den faktiska kapacitansen hos en kondensator bestämmer dess elektriska egenskaper. Så, per definition av kapacitans, är laddningen på plattan proportionell mot spänningen mellan plattorna ( q = CU ). Typiska kapacitansvärden sträcker sig från picofarads till tusentals mikrofarads. Det finns dock kondensatorer ( jonistorer ) med en kapacitet på upp till tiotals farad.

Kapacitansen för en platt kondensator, bestående av två parallella metallplattor med en area S vardera, belägna på ett avstånd d från varandra, i SI- systemet uttrycks med formeln:

C={\tfrac {\varepsilon \varepsilon _{0}S}{d)),

var är permittiviteten för mediet som fyller utrymmet mellan plattorna (i vakuum är det lika med enhet),

\varepsilon

\varepsilon_{0}

- elektrisk konstant , numeriskt lika med 8,854187817⋅10 −12 F/m.

Denna formel är endast giltig när d är mycket mindre än plattornas linjära dimensioner.

För att få stora kapacitanser kopplas kondensatorer parallellt. I det här fallet är spänningen mellan plattorna på alla kondensatorer densamma. Den totala kapacitansen för ett batteri av parallellkopplade kondensatorer är lika med summan av kapacitanserna för alla kondensatorer som ingår i batteriet:

C=\sum _{i=1}^{n}C_{i}

eller

C=C_{1}+C_{2}+\ldots +C_{n}.

Om alla parallellkopplade kondensatorer har samma avstånd mellan plattorna och egenskaperna hos dielektrikumet, kan dessa kondensatorer representeras som en stor kondensator, uppdelad i fragment av en mindre yta.

När kondensatorer är seriekopplade är laddningarna för alla kondensatorer desamma, eftersom de endast tillförs från strömkällan till de externa elektroderna, och på de interna elektroderna erhålls de endast på grund av separationen av laddningar som tidigare neutraliserade varandra . Den totala kapacitansen för ett batteri av seriekopplade kondensatorer är:

{\tfrac {1}{C}}=\sum _{i=1}^{n}{\tfrac {1}{C_{i}}}\Rightarrow C={\begin{pmatrix}\ summa _{i=1}^{n}{\tfrac {1}{C_{i}}}\end{pmatrix}}^{-1},

eller:

{\tfrac {1}{C}}={\tfrac {1}{C_{1}}}+{\tfrac {1}{C_{2}}}+\ldots +{\tfrac {1 }{C_{n}}}.

Denna kapacitans är alltid mindre än den minsta kapacitansen för kondensatorn som ingår i batteriet. Men när de är seriekopplade minskar möjligheten för nedbrytning av kondensatorer, eftersom varje kondensator endast står för en del av spänningskällans potentialskillnad.

Om arean av plattorna för alla kondensatorer som är anslutna i serie är densamma, kan dessa kondensatorer representeras som en stor kondensator, mellan plattorna som det finns en stapel av dielektriska plattor av alla kondensatorer som utgör den.

Specifik kapacitet

Kondensatorer kännetecknas också av specifik kapacitans - förhållandet mellan kapacitans och volymen (eller massan) av dielektrikumet. Det maximala värdet för specifik kapacitans uppnås vid dielektrikets minsta tjocklek, men dess genomslagsspänning minskar.

Energitäthet

Energitätheten hos en elektrolytisk kondensator beror på designen. Den maximala densiteten uppnås i stora kondensatorer, där höljets massa är liten jämfört med massan på plattorna och elektrolyten. Till exempel, för en kondensator EPCOS B4345 med en kapacitans på 12 000 uF , en maximal tillåten spänning på 450 V och en massa på 1,9 kg , är energitätheten vid maximal spänning 639 J / kg eller 845 J / l. Denna parameter är särskilt viktig när du använder en kondensator som en energilagringsenhet, följt av dess omedelbara utlösning, till exempel i en Gauss-pistol .

Märkspänning

En annan lika viktig egenskap hos kondensatorer är märkspänningen - spänningsvärdet som anges på kondensatorn, vid vilket den kan arbeta under specificerade förhållanden under dess livslängd samtidigt som parametrarna bibehålls inom acceptabla gränser.

Märkspänningen beror på utformningen av kondensatorn och egenskaperna hos de material som används. Driftspänningen på kondensatorn bör inte vara högre än märkspänningen.

Polaritet

Många oxid-dielektriska ( elektrolytiska ) kondensatorer fungerar endast med korrekt spänningspolaritet på grund av den kemiska naturen av interaktionen mellan elektrolyten och dielektrikumet. Med en omvänd spänningspolaritet misslyckas elektrolytiska kondensatorer vanligtvis på grund av den kemiska förstörelsen av dielektrikumet, följt av en ökning av strömmen, kokning av elektrolyten inuti och, som ett resultat, med sannolikheten för en explosion av höljet.

Risk för förstörelse (explosion)

Explosioner av elektrolytkondensatorer är ett ganska vanligt fenomen. Den främsta orsaken till explosioner är överhettning av kondensatorn, orsakad i de flesta fall av läckage eller en ökning av motsvarande serieresistans på grund av åldring (relevant för pulserande enheter). I moderna datorer är överhettning av kondensatorer en vanlig orsak till deras fel på grund av deras närhet till värmekällor, till exempel bredvid en kylradiator.

För att minska skador på andra delar och skador på personal i moderna kondensatorer med stor kapacitet, installeras en utblåsningssäkerhetsventil eller utförs ett kroppsurtag (ofta kan det ses i form av ett kors eller i form av bokstäverna X , Y, K eller T i slutet av en cylindrisk kropp, ibland på stora kondensatorer , den är täckt med plast). Med en ökning av det inre trycket slås ventilpluggen ut eller kroppen förstörs längs skåran, elektrolytångor kommer ut i form av kaustik gas och till och med vätskestänk. I det här fallet sker förstörelsen av kondensatorhöljet utan en explosion, spridning av plattor och en separator.

De gamla elektrolytkondensatorerna tillverkades i hermetiska höljen och utformningen av deras höljen gav inget explosionsskydd. Fragmenteringshastigheten under explosionen av fallet med föråldrade kondensatorer kan vara tillräcklig för att skada en person.

Till skillnad från elektrolytiska, beror explosiviteten hos tantal (oxidhalvledare) kondensatorer på det faktum att en sådan kondensator faktiskt är en explosiv blandning: tantal fungerar som bränsle och mangandioxid fungerar som oxidationsmedel , och båda dessa komponenter blandas i kondensatordesign i form av ett fint pulver. När en kondensator går sönder eller när spänningens polaritet ändras, initierar värmen som frigörs under strömflödet en reaktion mellan dessa komponenter, som fortsätter i form av en kraftig blixt med bomull, som åtföljs av spridning av gnistor och fragment av fall. Kraften hos en sådan explosion är ganska stor, särskilt för stora kondensatorer, och kan skada inte bara närliggande radioelement utan också kortet. Med ett nära arrangemang av flera kondensatorer är det möjligt att bränna igenom fallen med angränsande kondensatorer, vilket leder till en samtidig explosion av hela gruppen.

Parasitiska parametrar

Riktiga kondensatorer har förutom kapacitans också sin egen serie- och parallellresistans och induktans . Med tillräcklig noggrannhet för praktiken kan den ekvivalenta kretsen för en verklig kondensator representeras som visas i figuren, där alla tvåterminalsnätverk antas vara idealiska.

Kondensatorns dielektriska isolationsresistans, ytläckage och självurladdning

Isolationsresistans är likströmsresistansen för en kondensator, givet av:

R_{d}=U/I_{\text{ut)),

var är spänningen på kondensatorn;

U

I_{\text{ut))

- Läckström.

På grund av läckströmmen som flyter genom det dielektriska skiktet mellan plattorna och längs ytan av dielektrikumet, tappar den förladdade kondensatorn laddning över tiden (kondensatorns självurladdning). Ofta, i specifikationer för kondensatorer, bestäms läckmotståndet genom kondensatorns självurladdningstidskonstant $T$ , vilket är numeriskt lika med produkten av kapacitans och läckmotstånd:

T=R_{d}C_{0},

där - den tid under vilken den initiala spänningen på kondensatorn, som inte är ansluten till den externa kretsen, kommer att minska med e gånger.

T

Bra kondensatorer med polymer- och keramisk dielektrikum har självurladdningstidskonstanter som når många hundratusentals timmar.

Ekvivalent serieresistans - R s

Det ekvivalenta seriemotståndet beror huvudsakligen på det elektriska motståndet hos materialet i plattorna och kondensatorns ledningar och kontakterna mellan dem, och tar även hänsyn till förluster i dielektrikumet. Vanligtvis ökar ESR med ökande frekvens av strömmen som flyter genom kondensatorn, på grund av hudeffekten .

I de flesta praktiska fall kan denna parameter försummas, men ibland (till exempel vid användning av elektrolytiska kondensatorer i filtren för strömförsörjning ), är dess tillräckligt låga värde väsentligt för enhetens tillförlitlighet och stabilitet. I elektrolytkondensatorer, där en av elektroderna är en elektrolyt , försämras denna parameter med tiden under drift på grund av avdunstning av lösningsmedlet från den flytande elektrolyten och en förändring i dess kemiska sammansättning orsakad av interaktion med metallplattor, vilket sker relativt snabbt i låg -kvalitetsprodukter (" kondensatorplåga ").

Vissa kretsar (till exempel spänningsstabilisatorer) är kritiska för utbudet av ESR för kondensatorer i deras kretsar. Detta beror på det faktum att ingenjörer tar hänsyn till denna parameter vid utformningen av sådana enheter i fasfrekvenskarakteristiken (PFC) för stabilisatorns återkoppling. En betydande förändring över tiden i ESR för de applicerade kondensatorerna ändrar fassvaret, vilket kan leda till en minskning av stabilitetsmarginalen för autoregleringsslingorna och till och med till självexcitering.

Det finns speciella enheter ( ESR-meter ) för att mäta denna ganska viktiga kondensatorparameter, med vilken du ofta kan bestämma lämpligheten av dess vidare användning för vissa ändamål. Denna parameter, förutom kapacitans (kapacitans är huvudparametern), är ofta avgörande för att undersöka tillståndet för en gammal kondensator och avgöra om det är värt att använda den i en viss krets eller om den förutsägbart kommer att gå utanför toleransen.

Ekvivalent serieinduktans

Den ekvivalenta serieinduktansen beror huvudsakligen på självinduktansen hos plattorna och ledningarna i kondensatorn. Resultatet av denna fördelade parasitinduktans är omvandlingen av kondensatorn till en oscillerande krets med en karakteristisk egenresonansfrekvens . Denna frekvens kan mätas och anges vanligtvis i kondensatorparametrarna antingen explicit eller som en rekommenderad maximal driftfrekvens. $L_i$

Självurladdning

En förladdad kondensator förlorar lagrad energi över tiden på grund av läckströmmen som flyter genom det dielektriska lagret mellan plattorna. Ofta i handböcker för kondensatorer anges kondensatorns självurladdningstidskonstant , numeriskt lika med produkten av kapacitans och läckmotstånd. Detta är den tid det tar för den initiala spänningen över den frånkopplade kondensatorn att minska med en faktor e .

Den dielektriska förlusttangenten

Den dielektriska förlusttangenten är förhållandet mellan de imaginära och reella delarna av den komplexa permittiviteten . ${\rm {{tg}\,\delta ={\frac {\varepsilon _{im}}{\varepsilon _{re}}}={\frac {\sigma }{\omega \varepsilon _{ a}}}.}}$

Energiförluster i kondensatorn bestäms av förluster i dielektrikum och plattor. När växelström flyter genom kondensatorn skiftas spännings- och strömvektorerna med en vinkel där δ är den dielektriska förlustvinkeln. I frånvaro av förluster δ = 0 . Förlustvinkeltangensen bestäms av förhållandet mellan aktiv effekt Pa och reaktiv effekt Pp vid en sinusformad spänning med en viss frekvens. Den reciproka av tan δ kallas kvalitetsfaktorn för kondensatorn. Termerna kvalitetsfaktor och förlusttangens används även för induktorer och transformatorer . $\scriptstyle \varphi = \tfrac{\pi}{2} - \delta ,$

Temperaturkoefficient för kapacitans ( TKE )

TKE är den relativa förändringen i kapacitans när omgivningstemperaturen ändras med en grad Celsius (kelvin). TKE definieras enligt följande:

TKE={\frac {\Delta C}{C\Delta T)).

var är förändringen i kapacitans som orsakas av en temperaturförändring med .

\Delta C

\Delta T

Således uttrycks förändringen i kapacitans med temperatur (med inte för stora förändringar i temperatur) som en linjär funktion:

\scriptstyle C(T) = C_{Hy} + TKE \cdot C_{Hy} \cdot \Delta T,

var är temperaturförändringen i °C eller K i förhållande till de normala förhållanden under vilka kapacitansvärdet specificeras,

\Delta T

C_{Hy}

- kapacitet under normala förhållanden.

TKE används för att karakterisera kondensatorer med en nästan linjär kapacitans kontra temperatur. TKE anges dock inte i specifikationerna för alla typer av kondensatorer.

För kondensatorer som har ett väsentligt icke-linjärt beroende av kapacitans på temperatur och för kondensatorer med stora förändringar i kapacitans på grund av effekterna av omgivningstemperatur, normaliserar specifikationerna den relativa förändringen i kapacitansen över driftstemperaturområdet eller i form av ett diagram kapacitans kontra temperatur.

Dielektrisk absorption

Om en laddad kondensator snabbt laddas ur till noll spänning genom att ansluta en lågresistanslast, och sedan ta bort lasten och observera spänningen vid kondensatorterminalerna, kommer vi att se att spänningen på plattorna kommer att dyka upp igen, som om vi inte hade laddat ur kondensatorn till noll. Detta fenomen kallas dielektrisk absorption (dielektrisk absorption). Kondensatorn beter sig som om det finns många serier av RC - kretsar kopplade parallellt med den med olika tidskonstanter . Intensiteten av manifestationen av denna effekt beror huvudsakligen på egenskaperna hos kondensatorns dielektrikum.

En liknande effekt kan observeras i nästan alla typer av dielektrikum. I elektrolytkondensatorer är det särskilt ljust och är resultatet av kemiska reaktioner mellan elektrolyten och plattorna. För kondensatorer med fast dielektrikum (som keramik och glimmer) beror effekten på den remanenta polariseringen av dielektrikumet . Kondensatorer med opolära dielektrika har den lägsta dielektriska absorptionen: Teflon ( PTFE ), polystyren , polypropen , etc.

Effekten beror på kondensatorns laddningstid, förkortningstiden, ibland på temperaturen. Det kvantitativa värdet av absorption kännetecknas vanligtvis av absorptionskoefficienten , som bestäms under standardförhållanden.

På grund av effekten bör särskild uppmärksamhet ägnas åt DC-mätkretsar: precisionsintegrerande förstärkare, sample-and-hold-enheter, vissa switchade kondensatorkretsar .

Parasitisk piezoelektrisk effekt

Många keramiska material som används som dielektrikum i kondensatorer (till exempel bariumtitanat , som har en mycket hög dielektricitetskonstant i inte alltför starka elektriska fält ) uppvisar en piezoelektrisk effekt - förmågan att generera spänning på plattorna under mekaniska deformationer. Detta är typiskt för kondensatorer med piezoelektrisk dielektrik. Den piezoelektriska effekten leder till elektriska störningar i enheter som använder sådana kondensatorer när akustiskt brus eller vibrationer appliceras på kondensatorn. Detta oönskade fenomen kallas ibland för " mikrofoneffekten ".

Sådana dielektrika uppvisar också en omvänd piezoelektrisk effekt - när man arbetar i en växelspänningskrets uppstår en alternerande deformation av dielektrikumet, vilket genererar akustiska vibrationer som genererar ytterligare elektriska förluster i kondensatorn.

Självläkande

Kondensatorer med en metalliserad elektrod (pappers- och filmdielektrikum) har den viktiga egenskapen att självläkande elektrisk styrka efter ett sammanbrott av dielektrikumet. Mekanismen för självläkning består i att bränna bort metalliseringen av elektroden efter en lokal nedbrytning av dielektrikumet med hjälp av en elektrisk mikrobågsurladdning.

Klassificering av kondensatorer

Huvudklassificeringen av kondensatorer baseras på typen av dielektrikum i kondensatorn. Typen av dielektrikum bestämmer de viktigaste elektriska parametrarna för kondensatorer: isolationsresistans, kapacitansstabilitet, förlust etc.

Beroende på typen av dielektrikum skiljer de åt:

Vakuumkondensatorer (det finns ett vakuum mellan plattorna ).
Kondensatorer med en gasformig dielektrikum.
Kondensatorer med flytande dielektrikum .
Kondensatorer med en solid oorganisk dielektrikum: glas (glas-emalj, glaskeramik, glasfilm), glimmer , keramik , oorganiska filmer i tunnskikt.
Kondensatorer med en solid organisk dielektrikum: papper , metall-papper, film, kombinerad-papper-film, tunna skikt av organisk syntetisk film .
Elektrolytiska och oxid-halvledarkondensatorer. Sådana kondensatorer skiljer sig från alla andra typer främst genom sin stora specifika kapacitans. Ett oxidskikt på en metallanod används som dielektrikum . Det andra fodret ( katoden ) är antingen en elektrolyt (i elektrolytiska kondensatorer) eller ett halvledarskikt (i oxid-halvledare) avsatt direkt på oxidskiktet. Anoden är gjord, beroende på typ av kondensator, av aluminium- , niob- eller tantalfolie eller sintrat pulver. Tiden mellan fel på en typisk elektrolytisk kondensator är 3000-5000 timmar vid högsta tillåtna temperatur, högkvalitativa kondensatorer har en tid mellan fel på minst 8000 timmar vid en temperatur på 105°C [6] . Driftstemperaturen är den viktigaste faktorn som påverkar en kondensators livslängd. Om uppvärmningen av kondensatorn är försumbar på grund av förluster i dielektrikum, plattor och terminaler (till exempel när de används i tidskretsar vid låga strömmar eller som isolering), kan det antas att felfrekvensen halveras för varje 10 °C minskning av driftstemperaturen upp till 25 °C. När kondensatorer fungerar i pulsade högströmskretsar (till exempel i omkoppling av strömförsörjning) är en sådan förenklad bedömning av kondensatorernas tillförlitlighet felaktig och beräkningen av tillförlitligheten är mer komplicerad [7] .
Fasta kondensatorer - Istället för en traditionell flytande elektrolyt används en speciell ledande organisk polymer eller en polymeriserad organisk halvledare. MTBF är cirka 50 000 timmar vid 85°C. ESR är mindre än för vätskeelektrolytisk och beror svagt på temperaturen. De exploderar inte.

Tunnfilmskondensatorer

Dessutom skiljer sig kondensatorer i möjligheten att ändra sin kapacitans:

Permanenta kondensatorer är huvudklassen av kondensatorer som inte ändrar sin kapacitet (förutom under deras livslängd).
Variabla kondensatorer är kondensatorer som tillåter en förändring av kapacitansen under driften av utrustningen. Kapaciteten kan styras mekaniskt, av elektrisk spänning ( varikonder , varicaps ) och temperatur (termokondensatorer). De används till exempel i radiomottagare för att ställa in frekvensen på resonanskretsen .
Trimmerkondensatorer är kondensatorer vars kapacitans ändras under engångs- eller periodisk justering och inte ändras under driften av utrustningen. De används för att justera och utjämna de initiala kapacitanserna för matchande kretsar, för periodisk justering och justering av kretskretsar där en liten förändring av kapacitansen krävs.

Beroende på syftet kan kondensatorer villkorligt delas in i kondensatorer för allmänna ändamål och speciella ändamål. Generella kondensatorer används i nästan de flesta typer och klasser av utrustning. Traditionellt inkluderar de de vanligaste lågspänningskondensatorerna, som inte är föremål för särskilda krav. Alla andra kondensatorer är speciella. Dessa inkluderar högspännings-, puls-, brusdämpande, dosimetriska , start- och andra kondensatorer.

Kondensatorer kännetecknas också av formen på plattorna: platt, cylindrisk, sfärisk och andra.

namn	Kapacitet	Elektriskt fält
Platt kondensator	$C = \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm{r} \cdot \frac{A}{d}$	$E = \frac{Q}{\varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} A}$
Cylindrisk kondensator	$C=2\pi \varepsilon_0\varepsilon_\mathrm{r} \, \frac{l}{\ln\!\left(R_2/R_1\right)}$	$E(r) = \frac{Q}{2\pi rl \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r}}$
Sfärisk kondensator	$C=4 \pi \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r} \left( \tfrac{1}{R_1}-\tfrac{1}{R_2}\right)^{-1}$	$E(r) = \frac{Q}{4\pi r^2 \varepsilon_0 \varepsilon_\mathrm{r}}$
	${\displaystyle C=4\pi \varepsilon _{0}\varepsilon _{\mathrm {r} }R_{1))$

Jämförelse av fasta kondensatorer

Typ av kondensator	Använd dielektrisk	Funktioner/applikationer	Brister
Kondensatorer med en solid organisk dielektrikum
papperskondensatorer
AC oljekondensatorer	Oljat papper	Huvudsakligen utformad för att ge mycket stora kapacitanser för industriella växelströmstillämpningar samtidigt som den hanterar höga strömmar och höga spänningstoppar vid nätfrekvens. Deras arbetsuppgifter innefattar start och drift av AC-elmotorer, fasseparering, effektfaktorkorrigering, spänningsstabilisering, arbete med styrutrustning m.m.	Begränsad av låg driftfrekvens, eftersom de vid höga frekvenser har höga dielektriska förluster.
DC oljekondensatorer	Papper eller dess kombination med PET	Designad för DC-drift för filtrering, spänningsfördubbling, ljusbågsförebyggande, som bypass- och kopplingskondensatorer	I närvaro av krusningar krävs en minskning av driftspänningen enligt de scheman som tillhandahålls av tillverkaren. De är större i jämförelse med analoger med polymera dielektrika.
Kondensatorer av papper	Papper/impregnerat papper	Impregnerat papper användes flitigt i äldre kondensatorer. Vax, olja eller epoxiharts användes som impregnering. Vissa av dessa kondensatorer används fortfarande för högspänningsdrift, men i de flesta fall används nu istället filmkondensatorer.	Stor storlek. Hög hygroskopicitet , på grund av vilken de absorberar fukt från luften även med ett plastfodral och impregnering. Absorberad fukt försämrar deras prestanda genom att öka dielektriska förluster och sänka isolationsmotståndet.
Metalliserade papperskondensatorer	Papper	Mindre storlek än pappersfoliekondensatorer	Lämplig endast för lågströmsapplikationer. Istället började metalliserade filmkondensatorer användas i stor utsträckning.
Energilagringskondensatorer	Kondensatorkraftpapper , impregnerat med ricinolja eller liknande vätska med hög dielektricitetskonstant, och folieremsor	Designad för att fungera i pulsläge med hög urladdningsström. De tolererar spänningsomkastning bättre än många polymerdielektrika. Används vanligtvis i pulsade lasrar, Marx-generatorer , pulsad svetsning , elektromagnetisk formning och andra applikationer som kräver användning av högeffektpulser .	De är stora och tunga. Deras energiförbrukning är mycket mindre än för kondensatorer som använder polymerdielektrik. Kan inte självläka. Felet i en sådan kondensator kan vara katastrofalt på grund av den stora mängden lagrad energi.
filmkondensatorer
Kondensatorer av polyetentereftalat	Polyetentereftalatfilm	Mindre än pappers- eller polypropenkondensatorer med liknande egenskaper. De kan använda folieremsor, metalliserad film eller kombinationer av båda. PET-kondensatorer har nästan helt ersatt papperskondensatorer för applikationer där likströmsdrift (DC) krävs. De har driftspänningar upp till 60 kilovolt vid likström och drifttemperaturer upp till 125 °C. De har låg hygroskopicitet.	Temperaturstabiliteten är lägre än för papper. De kan användas med lågfrekvent växelström, men är olämpliga för högfrekventa på grund av överdriven uppvärmning av dielektrikumet.
Polyamidkondensatorer	Polyamid	Arbetstemperatur upp till 200 °C. Högt isoleringsmotstånd, bra stabilitet, liten förlusttangent.	Stor storlek och högt pris.
Kapton kondensatorer	Polyimidfilm märke Kapton	Liknar PET, men har en betydligt högre driftstemperatur (upp till 250 °C).	Dyrare än PET. Temperaturstabiliteten är lägre än papperskondensatorer. De kan också användas endast vid lågfrekvent växelström, eftersom dielektrikumet vid höga frekvenser är starkt uppvärmt.
Kondensatorer av polykarbonat	Polykarbonat	De har bättre isolationsresistans, förlusttangent och dielektrisk adsorption än polystyrenkondensatorer. De har bättre fuktbeständighet. Temperaturkoefficient cirka ±80 ppm. Tål full driftspänning över hela temperaturområdet ( -55°C till 125°C)	Den maximala drifttemperaturen är begränsad till 125°C.
Polysulfonkondensatorer	Polysulfon	Liknar polykarbonat. Klarar full märkspänning vid relativt höga temperaturer. Fuktupptaget är cirka 0,2 %, vilket begränsar deras stabilitet.	Låg tillgänglighet och hög kostnad.
Kondensatorer av polypropen	Polypropen	Extremt låg förlusttangens, högre dielektrisk hållfasthet än polykarbonat- och PET-kondensatorer. Låg hygroskopicitet och hög isoleringsmotstånd. De kan använda folieremsor, metalliserad film eller kombinationer av båda. Filmen är kompatibel med självläkande teknologi , vilket förbättrar tillförlitligheten. De kan arbeta vid höga frekvenser, även vid hög effekt, till exempel för induktionsuppvärmning (ofta tillsammans med vattenkylning), på grund av mycket låga dielektriska förluster. Med högre kapacitanser och driftspänningar, till exempel från 1 till 100 mikrofarad och spänningar upp till 440 V AC, kan de användas som startmotorer för att arbeta med vissa typer av enfas elektriska motorer.	Mer känslig för skador från transienta överspänningar eller omvänd polaritet än oljeindränkta papperskondensatorer.
Kondensatorer av polystyren	Polystyren	Utmärkta högfrekventa filmkondensatorer för allmänt bruk. De har utmärkt stabilitet, hög fuktbeständighet och en låg negativ temperaturkoefficient, vilket gör att de kan användas för att kompensera för den positiva temperaturkoefficienten för andra komponenter. Idealisk för lågeffekt RF och precision analoga applikationer.	Den maximala drifttemperaturen är begränsad till 85 °C. Relativt stor i storleken.
Fluoroplastiska kondensatorer	Polytetrafluoreten	Utmärkta högfrekventa filmkondensatorer för allmänt bruk. Mycket låga dielektriska förluster. Drifttemperatur upp till 250°C, mycket hög isoleringsmotstånd, bra stabilitet. Används i kritiska uppgifter.	Stor storlek på grund av låg dielektricitetskonstant, högre pris jämfört med andra kondensatorer.
Metalliserad polyetentereftalat och polykarbonatkondensatorer	PET eller polykarbonat	Pålitlig och mycket mindre. Tunn plätering kan användas för att ge dem självläkande egenskaper.	Tunn plätering begränsar den maximala strömmen.
Kondensatorer med fast oorganisk dielektrikum
Multilevel plate mica kondensatorer	Glimmer	Fördelarna med dessa kondensatorer är baserade på det faktum att deras dielektrikum är inert. Den förändras inte över tiden varken fysiskt eller kemiskt och har även god temperaturstabilitet. De har mycket hög motståndskraft mot koronaurladdningar.	Utan ordentlig tätning är de känsliga för fukt, vilket försämrar deras parametrar. Högt pris på grund av sällsyntheten och hög kvalitet på dielektrikumet, samt manuell montering.
Metalliserade eller silverglimmerkondensatorer	Glimmer	Samma fördelar, förutom att vara mer motståndskraftig mot fukt.	högre pris.
Kondensatorer av glas	Glas	Liknar glimmer. Stabiliteten och frekvensresponsen är bättre än glimmer. Mycket pålitlig, mycket stabil, resistent mot strålning.	Högt pris.
Temperaturkompenserade keramiska kondensatorer	En blandning av komplexa föreningar av titanater	Billigt, miniatyr, har utmärkta högfrekvensegenskaper och god tillförlitlighet. Förutsägbar linjär förändring i kapacitans med avseende på temperatur. Det finns produkter som tål upp till 15 kV.	Kapacitansändring vid olika applicerad spänning, frekvens, beroende på åldrande.
Keramiska kondensatorer med hög dielektrisk konstant	Dielektrik baserad på bariumtitanat	Mindre än temperaturkompenserade kondensatorer på grund av den större dielektricitetskonstanten. Finns för spänningar upp till 50 kV.	De har mindre temperaturstabilitet, kapacitansen ändras avsevärt med olika applicerade spänningar.
Kondensatorer med en oxiddielektrisk
Elektrolytiska kondensatorer av aluminium	Aluminiumoxid	Enormt förhållande mellan kapacitet och volym, billigt, polärt. De används främst som utjämnings- och matningskondensatorer i nätaggregat. MTBF för en kondensator med en högsta tillåtna driftstemperatur på 105 °C beräknas upp till 50 000 timmar vid en temperatur på 75 °C	Höga läckströmmar, hög ekvivalent serieresistans och induktans begränsar deras användning vid höga frekvenser. De har låg temperaturstabilitet och dåliga parameteravvikelser. Kan explodera om de tillåtna parametrarna överskrids och/eller överhettas när omvänd spänning appliceras. Den maximala spänningen är cirka 500 volt.
Tantalkondensatorer	Tantaloxid _	Stort förhållande mellan kapacitans och volym, liten storlek, bra stabilitet, brett driftstemperaturområde. Används ofta i miniatyrutrustning och datorer. Finns i både polära och icke-polära versioner. Solida tantalkondensatorer har mycket bättre prestanda jämfört med de med en flytande elektrolyt.	Dyrare än elektrolytkondensatorer i aluminium. Den maximala spänningen begränsas av en bar på cirka 50 V. De exploderar när den tillåtna ström-, spännings- eller spänningsökningshastigheten överskrids, samt när spänning med fel polaritet appliceras.
Niobkondensatorer	Nioboxid _	?	?
Solida kondensatorer	Aluminiumoxid , tantaloxid	Istället för den traditionella flytande elektrolyten används en speciell ledande organisk polymer eller en polymeriserad organisk halvledare. MTBF är cirka 50 000 timmar vid 85°C. ESR är mindre än för vätskeelektrolytisk och beror svagt på temperaturen. De exploderar inte.	Dyrare än vanligt. Vid 105 °C är livslängden densamma som för vanliga elektrolytiska. Driftspänningar upp till 35 V.
Elektriska dubbelskiktskondensatorer
Elektriska dubbelskiktskondensatorer ( jonistorer )	Tunt elektrolytskikt och aktivt kol	Stor kapacitet i förhållande till volym, liten storlek. Finns i hundratals farad. Används vanligtvis för att tillfälligt driva utrustning vid batteribyte. De kan laddas och laddas ur med högre strömmar än batterier och har ett mycket stort antal laddnings-urladdningscykler. Polariserad, har låg spänning (volt per kondensatorcell). Grupper av celler kopplas i serie för att öka den totala driftspänningen, medan användningen av spänningsbalanserande enheter är obligatorisk.	Relativt hög kostnad, hög ekvivalent serieresistans (låga urladdningsströmmar), stora läckströmmar.
Li-ion kondensatorer	litiumjon _	Litiumjonkondensatorer har en högre energikapacitet, jämförbar med batterier , säkrare än batterier ( litiumgalvaniska celler eller litiumjonbatterier [ vad? ][ klargöra ] ), där en våldsam kemisk reaktion börjar vid hög temperatur. Jämfört med jonistorer har de en högre utspänning. Deras specifika effekt är jämförbar, men energitätheten för Li-ion kondensatorer är mycket högre [8] .	En ny teknik som ännu inte har blivit allmänt antagen.
Vakuumkondensatorer
Vakuumkondensatorer	Vakuumkondensatorer använder glas- eller keramiska glödlampor med koncentriska cylindriska elektroder.	Extremt låg förlust. Används för högspännings-RF-applikationer med hög effekt som induktionsuppvärmning där även små förluster leder till överdriven uppvärmning av själva kondensatorn. Med begränsad ström kan gnistor vara självläkande.	Mycket högt pris, bräcklighet, stor storlek, låg kapacitet.

Användningen av kondensatorer och deras arbete

Kondensatorer används inom nästan alla områden inom elektroteknik.

Kondensatorer (tillsammans med induktorer och/eller resistorer ) används för att bygga olika kretsar med frekvensberoende egenskaper, i synnerhet filter , återkopplingskretsar , oscillerande kretsar , etc.
I sekundära nätaggregat används kondensatorer för att jämna ut likriktade spänningsrippel .
När kondensatorn snabbt laddas ur kan en högeffektspuls erhållas, till exempel i fotoblixtar , elektromagnetiska acceleratorer , optiskt pumpade pulsade lasrar , Marx-generatorer, (GIN; GIT) , Cockcroft-Walton-generatorer , etc.
Eftersom kondensatorn kan lagra en laddning under lång tid kan den användas som ett minneselement (se DRAM , Sample and hold device ).
En kondensator kan användas som en två -terminal reaktans för att begränsa styrkan på växelströmmen i en elektrisk krets (se Ballast ).
Processen att ladda och ladda ur en kondensator genom ett motstånd (se RC-krets ) eller en strömgenerator tar en viss tid, vilket möjliggör användning av en kondensator i tidsinställningskretsar , som inte har höga krav på tids- och temperaturstabilitet ( i kretsar av enkla och repetitiva pulsgeneratorer, tidsreläer etc.).
Inom elektroteknik används kondensatorer för reaktiv effektkompensation och i högre övertonsfilter .
Kondensatorer klarar av att samla en stor laddning och skapa en stor spänning på plattorna, som används för olika ändamål, till exempel för att accelerera laddade partiklar eller för att skapa kortvariga kraftfulla elektriska urladdningar (se Van de Graaff generator ).
Liten förskjutningsgivare: En liten förändring i avståndet mellan plattorna har en mycket märkbar effekt på kondensatorns kapacitans.
Mätning av givare av luftfuktighet, trä (förändringar i sammansättningen av dielektrikumet leder till en förändring i kapacitansen).
I RPA- kretsar används kondensatorer för att implementera logiken i vissa skydd. I synnerhet gör användningen av en kondensator i den automatiska återslutningskretsen det möjligt att tillhandahålla den erforderliga skyddsdriftsfrekvensen.
Vätskenivåmätare. En icke-ledande vätska fyller utrymmet mellan kondensatorplattorna, och kondensatorns kapacitans ändras beroende på nivån.
fasförskjutningskondensator. En sådan kondensator är nödvändig för att starta, och i vissa fall, driften av enfas asynkronmotorer . Den kan också användas för att starta och driva trefasa asynkronmotorer när de drivs av en enfasspänning.
Ackumulatorer av elektrisk energi (se Ionistor ). I detta fall bör kondensatorplattorna ha ett ganska konstant värde på spänningen och urladdningsströmmen. I detta fall måste själva utsläppet vara betydande i tid. För närvarande pågår experimentell utveckling av elfordon och hybrider med kondensatorer. Det finns också några modeller av spårvagnar där kondensatorer används för att driva dragmotorer vid körning genom strömlösa sektioner.

Kondensatormarkeringar

Märkning av sovjetiska och ryska kondensatorer

Det finns två system för att utse sovjetiska/ryska kondensatorer: alfabetiska (gamla) och digitala (nya).

Gammal notation

Bokstavssystemet gäller kondensatorer konstruerade före 1960. I detta system betyder den första bokstaven K en kondensator, den andra - typen av dielektrikum (B - papper, C - glimmer, K - keramik, E - elektrolytisk, och så vidare ...), den tredje - designfunktioner ( täthet eller driftsförhållanden). För att förenkla notationen utelämnas ofta den första bokstaven K, och den andra och efterföljande [10] .

Ny notation

I enlighet med det nya (digitala) märkningssystemet delas kondensatorer in i grupper efter typ av dielektrikum, syfte och version [11] . Enligt detta system betyder den första bokstaven "K" "kondensator", följt av en siffra som indikerar typen av dielektrikum, och en bokstav som indikerar i vilka kretsar kondensatorn kan användas; efter det är utvecklingsnumret eller en bokstav som anger designvarianten [12] .

Stamina statistik [13]

Elektrisk styrka

Förhållandet mellan genomslagsspänningen och den tid under vilken denna spänning appliceras på kondensatorns terminaler. Det bestäms av den empiriska formeln där är en konstant koefficient beroende på egenskaperna hos dielektrikumet, $U_{pr}$ $T$ $T={\frac {A}{{U_{pr}}^{n}}},$ $A$ $n=3\dots 8.$

Kondensatorns tillförlitlighet

Felfrekvens för 1 timmes drift under normala förhållanden. Medeltid till det första plötsliga felet: , där är en konstant koefficient beroende på dielektrikets egenskaper, är den tillåtna spänningen, är driftspänningen. $T_{sr}=B\left({\frac {U_{d}}{U_{r}}}\right)^{n}$ $B$ $n=4\dots 7,$ ${\displaystyle U_{d))$ ${\displaystyle U_{r))$

Livslängd

Temperaturens inverkan på livslängden uttrycks med formeln: där för papper, glimmer och keramiska kondensatorer med konstant kapacitet, för glasfilm, och - kondensatorns livslängd vid temperaturer och resp. $T_{1}=T_{2}a^{\frac {t_{2}-t_{1}}{10}},$ $a=2$ $a=4\dots 6$ $T_{1}$ $T_{2}$ $t_{1}$ $t_{2}$

Se även

Anteckningar

↑ Därav det vardagliga slangnamnet för en kondensator uppstod - kapacitans .
↑ Gliozzi M. Fysikens historia. - M .: Mir, 1970. - S. 173.
↑ Gano A. Fysik kurs. Översatt av F. Pavlenko, V. Cherkasov. 1882.
↑ Gusev, 1991 , sid. 17-26.
↑ GOST 2.728-74 (2002) (otillgänglig länk) . Hämtad 25 september 2009. Arkiverad från originalet 5 mars 2016. (ryska)
↑ Elektrolytiska kondensatorer i aluminium PW-serien (strömförsörjning) (eng.) (ej tillgänglig länk) . Nichicon Electronics Corporation. Hämtad 23 mars 2013. Arkiverad från originalet 1 juli 2013.
↑ Andrey Samodelov. Vishay elektrolytiska kondensatorer i aluminium för strömförsörjning (ej tillgänglig länk) . Vestnik elektroniki nr 3, 2011. Hämtad 23 mars 2013. Arkiverad 20 augusti 2014. (ryska)
↑ Taiyo Yuden skapade en ny generation av litiumjonkondensatorer
↑ Förkortningen "MF" användes på den tiden för mikrofarader; "MMF" användes för micro-microfrad = 10 −12 F eller picofarad.
↑ Bodilovsky B. G. Handbook of a young radio operator: fjärde upplagan, reviderad och dessutom - Moscow: Higher School, 1983. S. 29.
↑ Bodilovsky B. G. Handbook of a young radio operator: 4th ed., Revised. och ytterligare - Moskva: Högre skola, 1983. - S. 29.
↑ Redel A. A. Handbok för radiotelemekanik. - Alma-Ata: Kazakstan. - 1989. - S. 10
↑ Tishchenko O. F., Kiselev L. T., Kovalenko A. P. Elements of instrumental devices. Del 1. Detaljer, anslutningar och överföringar. - M., Högre skola, 1982. - S. 269

Litteratur

Kondensator, elektrisk // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
Zhdanov L. S. Zhdanov, G. L. Lärobok i fysik för sekundära specialiserade utbildningsinstitutioner.
Gusev V. G., Gusev Yu. M. Electronics. - 2:a. - M . : "Högstadiet", 1991. - ISBN 5-06-000681-6 .
Frolov A.D. Radiokomponenter och noder. - M . : Högre skola, 1975. - S. 46-134. — 440 s. — (Lärobok för universitet).
Belenky B. P., Bondarenko P. N., Borisova M. E. Beräkning av driftsegenskaper och tillämpning av elektriska kondensatorer. - M . : Radio och kommunikation, 1988. - 240 sid.

Länkar

Elektroniska komponenter
Passiv	Motstånd Variabelt motstånd Trimmermotstånd Varistor fotoresistor Kondensator variabel kondensator Trimmer kondensator Varikond Induktor Transformator Kvartsresonator Säkring Återställbar säkring memristor baretter
Aktivt fast tillstånd	Diod Ljusdiod Fotodiod laserdiod Schottky diod zenerdiod Stabistor Varicap Magnetodiod Diodbro Gunn diod tunnel diod Lavindiod Lavindiod Transistor bipolär transistor Fälteffekttransistor CMOS transistor unijunction transistor Fototransistor Komposittransistor ballistisk transistor Integrerad krets Digital integrerad krets Analog integrerad krets Analog-Digital integrerad krets hybrid integrerad krets Tyristor Triac Dinistor fototyristor Optokopplare ( motståndsoptokopplare ) Hallsensor
Aktivt vakuum och gasurladdning	Vakuumlampor Elektrovakuumdiod ( Kenotron ) Triod tetrode stråltetrode Pentode hexod Heptod ( Pentagrid ) Octod Nonod mekatron Urladdningslampor zenerdiod Thyratron Ignitron Krytron Trigatron Decathron Magnetron Klystron Amplitron ( Platinotron ) Resande våglampa Bakvågslampa Katodstrålerör
Visa enheter	Katodstrålerör LCD skärm Ljusdiod Urladdningsindikator Vakuum fluorescerande indikator Blinker resultattavla Sjusegmentsindikator Matrisindikator Kinescope
Akustisk	Mikrofon Högtalare Töjningsmätare Piezkeramisk emitter Summer telefonkapsel
Termoelektrisk	Termistor Termoelement Peltier-elementet