Condensator electric

Condensator (din lat.  condensare  - „compact”, „ingrosare” sau din lat.  condensatio  - „acumulare”) - o rețea cu două terminale cu o valoare constantă sau variabilă a capacității [1] și conductivitate scăzută ; un dispozitiv pentru acumularea sarcinii și energiei unui câmp electric .

Condensatorul este o componentă electronică pasivă. În SI, capacitatea unui condensator este măsurată în faradi .

Istorie

În 1745, la Leiden , canonicul german Ewald Jurgen von Kleist și, independent de el, fizicianul olandez Pieter van Muschenbroek , au inventat prototipul de proiectare al unui condensator electric - „ borcanul Leyden[2] . Primii condensatori, constând din doi conductori separați de un neconductor ( dielectric ), denumit în mod obișnuit condensator Aepinus sau foaie electrică, au fost creați chiar mai devreme [3] .

Design condensator

Condensatorul este o componentă electronică pasivă [4] . În cea mai simplă versiune, designul constă din doi electrozi sub formă de plăci (numite plăci ), separați de un dielectric , a cărui grosime este mică în comparație cu dimensiunile plăcilor (vezi fig.). Condensatorii utilizați practic au multe straturi dielectrice și electrozi multistrat, sau benzi de dielectric și electrozi alternanți, rulați într-un cilindru sau paralelipiped cu patru margini rotunjite (datorită înfășurării).

Proprietățile condensatorului

Un condensator dintr-un circuit DC poate conduce curentul în momentul în care este conectat la circuit (condensatorul se încarcă sau se reîncarcă), la sfârșitul procesului de tranziție, curentul nu trece prin condensator, deoarece plăcile sale sunt separate prin un dielectric. Într-un circuit de curent alternativ , acesta conduce oscilații de curent alternativ prin reîncărcarea ciclică a condensatorului, închizându-se cu așa-numitul curent de deplasare .

Din punctul de vedere al metodei amplitudinilor complexe , condensatorul are o impedanță complexă

unde  este unitatea imaginară ,  este frecvența ciclică ( radian / s ) a curentului sinusoidal care curge,  - frecventa in hertzi ,  este capacitatea condensatorului ( farad ).

De asemenea, rezultă că reactanța condensatorului este egală cu Pentru curent continuu, frecvența este zero, prin urmare, pentru curent continuu, reactanța condensatorului este formal infinită.

Când se modifică frecvența, permitivitatea dielectricului și gradul de influență al parametrilor paraziți - auto- inductanța și rezistența la pierderi - se modifică. La frecvențe înalte, orice condensator poate fi considerat ca un circuit oscilator în serie format din capacitatea, propria inductanță și rezistența la pierderi .

Frecvența de rezonanță a unui condensator este:

Când un condensator dintr-un circuit de curent alternativ se comportă ca un inductor . Prin urmare, este recomandabil să utilizați condensatorul numai la frecvențe la care reactanța sa este de natură capacitivă. De obicei, frecvența maximă de funcționare a condensatorului este de aproximativ 2-3 ori mai mică decât cea de rezonanță.

Un condensator poate stoca energie electrică . Energia unui condensator încărcat:

unde  este tensiunea (diferența de potențial) la care este încărcat condensatorul,  - sarcina electrica pe una din placi.

Desemnarea condensatoarelor în diagrame

Desemnare
conform GOST 2.728-74
Descriere
Condensator fix
Condensator polarizat (polar).
Condensator de tuns variabil
Varicap

În Rusia, pentru simbolurile grafice convenționale ale condensatoarelor pe diagrame, se recomandă utilizarea GOST 2.728-74 [5] sau standardul asociației internaționale IEEE 315-1975.

Pe schemele de circuite electrice, capacitatea nominală a condensatoarelor este de obicei indicată în microfaradi (1 μF = 1 10 6 pF = 1 10 −6 F) și picofaradi (1 pF = 1 10 −12 F) și în nanofaradi (1 nF = 1 10 −9 F). Cu o capacitate de cel mult 0,01 μF, capacitatea condensatorului este indicată în picofarads, în timp ce este permis să nu se indice unitatea de măsură, adică postfixul „pF” este omis. Când desemnați capacitatea nominală în alte unități, indicați unitatea de măsură. Pentru condensatoarele electrolitice, precum și pentru condensatoarele de înaltă tensiune din diagrame, după desemnarea capacității, tensiunea maximă de funcționare a acestora este indicată în volți (V) sau kilovolți (kV). De exemplu: „10 uF × 10 V”. Pentru condensatoarele variabile , indicați intervalul de modificare a capacității, de exemplu: "10-180". În prezent, condensatoarele cu capacități nominale sunt fabricate din serii zecimal-logaritmice de valori E3, E6, E12, E24 , adică există 3, 6, 12, 24 de valori pe deceniu, astfel încât valorile ​​cu toleranța adecvată (împrăștiere) acoperă întregul deceniu.

Parametrii de bază

Caracteristici

Capacitate

Caracteristica principală a unui condensator este capacitatea sa , care caracterizează capacitatea condensatorului de a acumula sarcină electrică . Valoarea capacității nominale apare în denumirea condensatorului, în timp ce capacitatea reală poate varia semnificativ în funcție de mulți factori. Capacitatea reală a unui condensator determină proprietățile sale electrice. Deci, prin definiția capacității, sarcina de pe placă este proporțională cu tensiunea dintre plăci ( q = CU ). Valorile tipice ale capacității variază de la picofarads la mii de microfarads. Cu toate acestea, există condensatori ( ionistori ) cu o capacitate de până la zeci de farazi.

Capacitatea unui condensator plat, constând din două plăci metalice paralele cu o suprafață S fiecare, situate la distanța d una de cealaltă, în sistemul SI este exprimată prin formula:

unde  este permisivitatea mediului care umple spațiul dintre plăci (în vid este egală cu unitatea),  - constantă electrică , numeric egală cu 8,854187817⋅10 −12 F/m.

Această formulă este valabilă numai atunci când d este mult mai mic decât dimensiunile liniare ale plăcilor.

Pentru a obține capacități mari, condensatoarele sunt conectate în paralel. În acest caz, tensiunea dintre plăcile tuturor condensatoarelor este aceeași. Capacitatea totală a unei baterii de condensatoare conectate în paralel este egală cu suma capacităților tuturor condensatoarelor incluse în baterie:

sau

Dacă toți condensatorii conectați în paralel au aceeași distanță între plăci și proprietățile dielectricului, atunci acești condensatori pot fi reprezentați ca un condensator mare, împărțit în fragmente dintr-o zonă mai mică.

Când condensatoarele sunt conectate în serie, încărcările tuturor condensatoarelor sunt aceleași, deoarece acestea sunt furnizate de la sursa de alimentare numai la electrozii externi, iar pe electrozii interni se obțin numai datorită separării sarcinilor care s-au neutralizat anterior unele pe altele. . Capacitatea totală a unei baterii de condensatoare conectate în serie este:

sau:

Această capacitate este întotdeauna mai mică decât capacitatea minimă a condensatorului inclus în baterie. Cu toate acestea, atunci când sunt conectate în serie, posibilitatea de defalcare a condensatoarelor este redusă, deoarece fiecare condensator reprezintă doar o parte din diferența de potențial a sursei de tensiune.

Dacă aria plăcilor tuturor condensatoarelor conectate în serie este aceeași, atunci acești condensatori pot fi reprezentați ca un condensator mare, între plăcile cărora se află o stivă de plăci dielectrice ale tuturor condensatoarelor care îl compun.

Capacitate specifică

Condensatorii sunt, de asemenea, caracterizați prin capacitatea specifică - raportul dintre capacitate și volumul (sau masa) dielectricului. Valoarea maximă a capacității specifice este atinsă la grosimea minimă a dielectricului, cu toate acestea, tensiunea de rupere a acestuia scade.

Densitatea energetică

Densitatea de energie a unui condensator electrolitic depinde de proiectare. Densitatea maximă este atinsă în condensatoare mari, unde masa carcasei este mică în comparație cu masa plăcilor și a electrolitului. De exemplu, pentru un condensator EPCOS B4345 cu o capacitate de 12.000 uF , o tensiune maximă admisă de 450 V și o masă de 1,9 kg , densitatea de energie la tensiunea maximă este de 639 J/kg sau 845 J/l. Acest parametru este deosebit de important atunci când se utilizează un condensator ca dispozitiv de stocare a energiei, urmat de eliberarea sa instantanee, de exemplu, într-un pistol Gauss .

Tensiune nominală

O altă caracteristică la fel de importantă a condensatoarelor este tensiunea nominală - valoarea tensiunii indicată pe condensator, la care poate funcționa în condiții specificate pe durata de viață, menținând parametrii în limite acceptabile.

Tensiunea nominală depinde de proiectarea condensatorului și de proprietățile materialelor utilizate. Tensiunea de funcționare a condensatorului nu trebuie să fie mai mare decât tensiunea nominală.

Polaritate

Mulți condensatori oxid-dielectric ( electrolitici ) funcționează numai cu polaritatea corectă a tensiunii datorită naturii chimice a interacțiunii electrolitului cu dielectricul. Cu o polaritate inversă a tensiunii, condensatorii electrolitici de obicei eșuează din cauza distrugerii chimice a dielectricului, urmată de o creștere a curentului, fierberea electrolitului în interior și, ca urmare, cu probabilitatea unei explozii a carcasei.

Pericol de distrugere (explozie)

Exploziile condensatoarelor electrolitice sunt un fenomen destul de comun. Cauza principală a exploziilor este supraîncălzirea condensatorului, cauzată în majoritatea cazurilor de scurgeri sau de o creștere a rezistenței echivalente a seriei din cauza îmbătrânirii (relevantă pentru dispozitivele cu impulsuri). În calculatoarele moderne, supraîncălzirea condensatoarelor este o cauză comună a eșecului lor din cauza apropierii lor de surse de căldură, de exemplu, lângă un radiator de răcire.

Pentru a reduce deteriorarea altor părți și rănirea personalului din condensatoarele moderne de mare capacitate, este instalată o supapă de siguranță de explozie sau se efectuează o crestătură a corpului (adesea poate fi văzută sub formă de cruce sau sub formă de litere X , Y, K sau T la capătul unui corp cilindric, uneori pe condensatoare de dimensiuni mari , este acoperit cu plastic). Odată cu creșterea presiunii interne, dopul supapei este dezactivat sau corpul este distrus de-a lungul crestăturii, vaporii de electroliți ies sub formă de gaz caustic și chiar stropi de lichid. În acest caz, distrugerea carcasei condensatorului are loc fără explozie, împrăștiere a plăcilor și un separator.

Vechii condensatori electrolitici au fost produși în carcase ermetice, iar designul carcasei lor nu prevedea protecție împotriva exploziilor. Viteza de fragmentare în timpul exploziei în cazul condensatoarelor învechite poate fi suficientă pentru a răni o persoană.

Spre deosebire de electrolitic, explozivitatea condensatoarelor de tantal (semiconductor de oxid) se datorează faptului că un astfel de condensator este de fapt un amestec exploziv: tantalul servește drept combustibil, iar dioxidul de mangan servește ca oxidant , iar ambele componente sunt amestecate în proiectarea condensatorului sub formă de pulbere fină. Atunci când un condensator se defectează sau când polaritatea tensiunii se modifică, căldura eliberată în timpul fluxului de curent inițiază o reacție între aceste componente, care se desfășoară sub forma unui fulger puternic cu bumbac, care este însoțită de împrăștierea scânteilor și fragmentelor de caz. Forța unei astfel de explozii este destul de mare, în special pentru condensatoare mari și poate deteriora nu numai elementele radio vecine, ci și placa. Cu o aranjare strânsă a mai multor condensatoare, este posibilă arderea carcaselor condensatoarelor vecine, ceea ce duce la o explozie simultană a întregului grup.

Parametrii paraziți

Condensatorii reali, pe lângă capacitatea, au și propria lor rezistență și inductanță în serie și paralelă . Cu suficientă precizie pentru practică, circuitul echivalent al unui condensator real poate fi reprezentat așa cum se arată în figură, unde se presupune că toate rețelele cu două terminale sunt ideale.

Rezistența de izolație dielectrică a condensatorului, scurgeri de suprafață și autodescărcare

Rezistența de izolație este rezistența DC a unui condensator, dată de:

unde  este tensiunea aplicată condensatorului;  - curent de scurgere.

Datorită curentului de scurgere care trece prin stratul dielectric dintre plăci și de-a lungul suprafeței dielectricului, condensatorul preîncărcat își pierde sarcina în timp (autodescărcare a condensatorului). Adesea, în specificațiile pentru condensatoare, rezistența la scurgere este determinată prin constanta de timp de auto-descărcare a condensatorului, care este numeric egală cu produsul capacității și rezistența la scurgere:

unde  - timpul în care tensiunea inițială de pe condensator, neconectat la circuitul extern, va scădea de e ori.

Condensatoarele bune cu polimeri și dielectrici ceramici au constante de timp de autodescărcare care ajung la multe sute de mii de ore.

Rezistență serie echivalentă - R s

Rezistența serie echivalentă se datorează în principal rezistenței electrice a materialului plăcilor și conductoarelor condensatorului și contactelor dintre ele și ia în considerare și pierderile în dielectric. De obicei, ESR crește odată cu creșterea frecvenței curentului care trece prin condensator, datorită efectului de piele .

În majoritatea cazurilor practice, acest parametru poate fi neglijat, dar uneori (de exemplu, în cazul utilizării condensatoarelor electrolitice în filtrele surselor de alimentare cu comutare ), valoarea sa suficient de mică este esențială pentru fiabilitatea și stabilitatea dispozitivului. În condensatoarele electrolitice, unde unul dintre electrozi este un electrolit , acest parametru se degradează în timp în timpul funcționării din cauza evaporării solventului din electrolit lichid și a modificării compoziției sale chimice cauzate de interacțiunea cu plăcile metalice, care are loc relativ rapid în -produse de calitate (" condensator plague ").

Unele circuite (de exemplu, stabilizatoarele de tensiune) sunt critice pentru gama ESR a condensatorilor din circuitele lor. Acest lucru se datorează faptului că atunci când proiectează astfel de dispozitive, inginerii iau în considerare acest parametru în caracteristica fază-frecvență (PFC) a feedback-ului stabilizatorului. O schimbare semnificativă în timp a ESR a condensatorilor aplicați modifică răspunsul de fază, ceea ce poate duce la o scădere a marjei de stabilitate a buclelor de autoreglare și chiar la autoexcitare.

Există dispozitive speciale ( ESR-meter ) pentru măsurarea acestui parametru destul de important al condensatorului, prin care puteți determina adesea caracterul adecvat al utilizării sale ulterioare pentru anumite scopuri. Acest parametru, pe lângă capacitatea (capacitanța este parametrul principal), este adesea decisiv în examinarea stării unui vechi condensator și pentru a decide dacă merită să-l folosești într-un anumit circuit sau dacă va ieși din toleranță.

Inductanță serie echivalentă 

Inductanța în serie echivalentă se datorează în principal auto-inductanței plăcilor și conductoarelor condensatorului. Rezultatul acestei inductanțe parazitare distribuite este transformarea condensatorului într-un circuit oscilant cu o frecvență de rezonanță naturală caracteristică . Această frecvență poate fi măsurată și este de obicei specificată în parametrii condensatorului fie explicit, fie ca frecvență maximă de funcționare recomandată.

Autodescărcare

Un condensator preîncărcat pierde energia stocată în timp din cauza curentului de scurgere care curge prin stratul dielectric dintre plăci. Adesea, în manualele pentru condensatoare, constanta de timp de auto-descărcare a condensatorului este dată , numeric egală cu produsul capacității și rezistenței la scurgere. Acesta este timpul necesar pentru ca tensiunea inițială pe condensatorul deconectat să scadă cu un factor de e .

Tangenta pierderilor dielectrice

Tangenta de pierdere dielectrică este raportul dintre părțile imaginare și reale ale permitivității complexe .

Pierderile de energie din condensator sunt determinate de pierderile din dielectric și plăci. Când curentul alternativ trece prin condensator, vectorii tensiune și curent sunt deplasați cu un unghi în care δ  este unghiul de pierdere dielectrică. În absenţa pierderilor δ = 0 . Tangenta unghiului de pierdere este determinată de raportul dintre puterea activă Pa și puterea reactivă P p la o tensiune sinusoidală de o anumită frecvență. Reciproca lui tan δ se numește factor de calitate al condensatorului. Termenii factor de calitate și tangentă de pierdere sunt folosiți și pentru inductori și transformatoare .

Coeficientul de temperatură al capacității ( TKE )

TKE  este modificarea relativă a capacității atunci când temperatura ambientală se modifică cu un grad Celsius (kelvin). TKE este definit după cum urmează:

unde  este modificarea capacității cauzată de o modificare a temperaturii de .

Astfel, modificarea capacității cu temperatura (cu modificări nu prea mari de temperatură) este exprimată ca funcție liniară :

unde  este modificarea temperaturii în °C sau K în raport cu condițiile normale în care este specificată valoarea capacității,  - capacitate in conditii normale.

TKE este folosit pentru a caracteriza condensatoarele cu o capacitate aproape liniară în funcție de temperatură. Cu toate acestea, TKE nu este indicat în specificații pentru toate tipurile de condensatoare.

Pentru condensatoarele care au o dependență semnificativ neliniară a capacității de temperatură și pentru condensatoarele cu modificări mari ale capacității din cauza efectelor temperaturii ambientale, specificațiile normalizează modificarea relativă a capacității în intervalul de temperatură de funcționare sau sub forma unui grafic de capacitate față de temperatură.

Absorbție dielectrică

Dacă un condensator încărcat este descărcat rapid la tensiune zero prin conectarea unei sarcini cu rezistență scăzută, apoi scoateți sarcina și observați tensiunea la bornele condensatorului, vom vedea că tensiunea de pe plăci va reapărea, ca și cum nu ne-am fi descărcat. condensatorul la zero. Acest fenomen se numește absorbție dielectrică (absorbție dielectrică). Condensatorul se comportă ca și cum ar fi multe serii de circuite RC conectate în paralel cu el cu diferite constante de timp . Intensitatea manifestării acestui efect depinde în principal de proprietățile dielectricului condensatorului.

Un efect similar poate fi observat în aproape toate tipurile de dielectrice. În condensatoarele electrolitice, este deosebit de strălucitor și este rezultatul reacțiilor chimice dintre electrolit și plăci. Pentru condensatoarele cu un dielectric solid (cum ar fi ceramica și mica), efectul se datorează polarizării remanente a dielectricului . Condensatorii cu dielectrici nepolari au cea mai scăzută absorbție dielectrică: teflon ( PTFE ), polistiren , polipropilenă etc.

Efectul depinde de timpul de încărcare al condensatorului, timpul de scurtare, uneori de temperatură. Valoarea cantitativă a absorbției este de obicei caracterizată de coeficientul de absorbție , care este determinat în condiții standard.

Datorită efectului, o atenție deosebită trebuie acordată circuitelor de măsurare DC: amplificatoare integratoare de precizie, dispozitive de eșantionare și menținere, unele circuite de condensatoare comutate .

Efect piezoelectric parazit

Multe materiale ceramice utilizate ca dielectric în condensatoare (de exemplu, titanatul de bariu , care are o constantă dielectrică foarte mare în câmpuri electrice nu prea puternice ) prezintă un efect piezoelectric  - capacitatea de a genera tensiune pe plăci în timpul deformărilor mecanice. Acest lucru este tipic pentru condensatoarele cu dielectrice piezoelectrice . Efectul piezoelectric duce la interferențe electrice în dispozitivele care folosesc astfel de condensatoare atunci când condensatorului este aplicat zgomot acustic sau vibrație . Acest fenomen nedorit este uneori denumit „ efectul de microfon ”.

De asemenea, astfel de dielectrici prezintă și un efect piezoelectric invers - atunci când funcționează într-un circuit de tensiune alternativă, are loc o deformare alternativă a dielectricului, generând vibrații acustice care generează pierderi electrice suplimentare în condensator.

Auto-vindecare

Condensatorii cu un electrod metalizat (dielectric de hârtie și film) au proprietatea importantă de auto-vindecare a rezistenței electrice după o defecțiune a dielectricului. Mecanismul de autovindecare constă în arderea metalizării electrodului după o defalcare locală a dielectricului prin intermediul unei descărcări electrice cu microarc.

Clasificarea condensatoarelor

Clasificarea principală a condensatoarelor se bazează pe tipul de dielectric din condensator. Tipul de dielectric determină principalii parametri electrici ai condensatorilor: rezistența de izolație, stabilitatea capacității, pierderea etc.

După tipul de dielectric, se disting:

  • Condensatoare de vid (există un vid între plăci ).
  • Condensatoare cu un dielectric gazos .
  • Condensatoare cu un dielectric lichid .
  • Condensatori cu un dielectric solid anorganic: sticlă (smalț de sticlă, sticlă-ceramică, sticlă-film), mica , ceramică , filme anorganice în strat subțire.
  • Condensatori cu un dielectric organic solid: hârtie , metal-hârtie, film, combinat - hârtie-film, filme sintetice organice în strat subțire .
  • Condensatoare electrolitice și oxid-semiconductori. Astfel de condensatoare diferă de toate celelalte tipuri în primul rând prin capacitatea lor specifică mare. Un strat de oxid pe un anod metalic este folosit ca dielectric . A doua căptușeală ( catod ) este fie un electrolit (în condensatoarele electrolitice), fie un strat semiconductor (în cele oxid-semiconductor) depus direct pe stratul de oxid. Anodul este realizat, in functie de tipul de condensator, din folie de aluminiu , niobiu sau tantal sau pulbere sinterizata. Timpul dintre defecțiuni ale unui condensator electrolitic tipic este de 3000-5000 de ore la temperatura maximă admisă, condensatoarele de înaltă calitate au un timp între defecțiuni de cel puțin 8000 de ore la o temperatură de 105 ° C [6] . Temperatura de funcționare este principalul factor care afectează durata de viață a unui condensator. Dacă încălzirea condensatorului este neglijabilă din cauza pierderilor în dielectric, plăci și terminale (de exemplu, atunci când este utilizat în circuite de temporizare la curenți mici sau ca izolare), se poate presupune că rata de defecțiune este înjumătățită pentru fiecare 10 °C scăderea temperaturii de funcționare până la 25 °C. Atunci când condensatoarele funcționează în circuite de curent înalt pulsat (de exemplu, în sursele de alimentare cu comutare), o astfel de evaluare simplificată a fiabilității condensatoarelor este incorectă, iar calculul fiabilității este mai complicat [7] .
  • Condensatori solizi  - În locul unui electrolit lichid tradițional, se folosește un polimer organic conductor special sau un semiconductor organic polimerizat. MTBF este de aproximativ 50.000 de ore la 85°C. ESR este mai mic decât cel al lichid-electrolitic și depinde slab de temperatură. Nu explodează.
  • Condensatori cu peliculă subțire


În plus, condensatorii diferă prin posibilitatea de a-și schimba capacitatea:

  • Condensatorii permanenți  sunt clasa principală de condensatoare care nu își modifică capacitatea (cu excepția perioadei de viață).
  • Condensatorii variabili  sunt condensatori care permit modificarea capacității în timpul funcționării echipamentului. Capacitatea poate fi controlată mecanic, prin tensiune electrică ( variconde , varicaps ) și temperatură (termocondensatori). Ele sunt utilizate, de exemplu, în receptoarele radio pentru reglarea frecvenței circuitului rezonant .
  • Condensatoarele trimmer  sunt condensatoare a căror capacitate se modifică în timpul ajustării unice sau periodice și nu se modifică în timpul funcționării echipamentului. Ele sunt utilizate pentru reglarea și egalizarea capacităților inițiale ale circuitelor de împerechere, pentru reglarea și reglarea periodică a circuitelor de circuit în care este necesară o ușoară modificare a capacității.

În funcție de scop, condensatoarele pot fi împărțite condiționat în condensatoare de uz general și de destinație specială. Condensatorii de uz general sunt utilizați în aproape majoritatea tipurilor și claselor de echipamente. În mod tradițional, acestea includ cele mai comune condensatoare de joasă tensiune, care nu sunt supuse unor cerințe speciale. Toți ceilalți condensatori sunt speciali. Acestea includ condensatoare de înaltă tensiune, puls, de suprimare a zgomotului, dozimetrice , de pornire și alte condensatoare.

Condensatorii se disting și prin forma plăcilor: plate, cilindrice, sferice și altele.

Nume Capacitate Câmp electric Sistem
Condensator plat
Condensator cilindric
Condensator sferic

Comparația condensatoarelor fixe

Tip condensator Dielectric folosit Caracteristici/aplicații Defecte
Condensatoare cu un dielectric organic solid
condensatoare de hârtie
Condensatoare de ulei AC Hârtie unsă cu ulei Proiectat în principal pentru a furniza capacități foarte mari pentru aplicații industriale de curent alternativ, în timp ce gestionează curenți mari și vârfuri de tensiune ridicate la frecvența rețelei. Sarcinile lor includ pornirea și funcționarea motoarelor electrice cu curent alternativ, separarea fazelor, corectarea factorului de putere, stabilizarea tensiunii, lucrul cu echipamente de control etc. Limitate de frecvența scăzută de funcționare, deoarece la frecvențe înalte au pierderi dielectrice mari.
Condensatoare de ulei DC Hârtia sau combinația acesteia cu PET Proiectat pentru funcționare în curent continuu pentru filtrare, dublarea tensiunii, prevenirea arcului electric, ca condensatori de bypass și de cuplare În prezența ondulațiilor, este necesară o scădere a tensiunii de funcționare conform programelor furnizate de producător. Ele sunt mai mari în comparație cu analogii cu dielectrici polimerici.
Condensatoare de hârtie Hârtie/hârtie impregnată Hârtia impregnată a fost utilizată pe scară largă la condensatoarele mai vechi. Ca impregnare a fost folosită ceară, ulei sau rășină epoxidică. Unii dintre acești condensatori sunt încă utilizați pentru funcționarea la tensiune înaltă, dar în cele mai multe cazuri sunt acum folosiți condensatori cu film. Marime mare. Higroscopicitate ridicată , datorită căreia absorb umezeala din aer chiar și cu o carcasă de plastic și impregnare. Umiditatea absorbită le degradează performanțele prin creșterea pierderilor dielectrice și scăderea rezistenței de izolație.
Condensatoare din hârtie metalizată Hârtie Dimensiuni mai mici decât condensatoarele cu folie de hârtie Potrivit numai pentru aplicații cu curent scăzut. În schimb, condensatoarele cu film metalizat au început să fie utilizate pe scară largă.
Condensatoare de stocare a energiei Hârtie kraft pentru condensator , impregnată cu ulei de ricin sau un lichid similar cu o constantă dielectrică ridicată și benzi de folie Proiectat pentru a funcționa în modul de impuls cu curent de descărcare ridicat. Ei tolerează inversarea tensiunii mai bine decât mulți dielectrici polimerici. Utilizat în mod obișnuit în laserele cu impulsuri, generatoarele Marx , sudarea în impulsuri , formarea electromagnetică și alte aplicații care necesită utilizarea impulsurilor de mare putere . Sunt mari și grele. Consumul lor de energie este mult mai mic decât cel al condensatoarelor care utilizează dielectrici polimerici. Nu este capabil de auto-vindecare. Defecțiunea unui astfel de condensator poate fi catastrofală din cauza cantității mari de energie stocată.
condensatori de film
Condensatoare de polietilen tereftalat Film de polietilen tereftalat Mai puțin decât condensatorii din hârtie sau polipropilenă cu caracteristici similare. Pot folosi benzi de folie, folie metalizată sau combinații ale ambelor. Condensatorii PET au înlocuit aproape complet condensatorii de hârtie pentru aplicațiile în care este necesară funcționarea în curent continuu (DC). Au tensiuni de funcționare de până la 60 kilovolți în curent continuu și temperaturi de funcționare de până la 125 °C. Au o higroscopicitate scăzută. Stabilitatea temperaturii este mai mică decât cea a hârtiei. Ele pot fi utilizate cu curent alternativ de joasă frecvență, dar nu sunt potrivite pentru frecvență înaltă din cauza încălzirii excesive a dielectricului.
Condensatoare din poliamidă Poliamidă Temperatura de lucru pana la 200 °C. Rezistență ridicată la izolație, stabilitate bună, tangentă de pierderi mici. Dimensiuni mari si pret mare.
Condensatoare Kapton Film de poliimidă marca Kapton Similar cu PET-ul, dar au o temperatură de funcționare semnificativ mai mare (până la 250 °C). Mai scump decât PET. Stabilitatea temperaturii este mai mică decât condensatoarele de hârtie. De asemenea, pot fi utilizate numai la curent alternativ de joasă frecvență, deoarece la frecvențe înalte dielectricul este puternic încălzit.
Condensatoare din policarbonat Policarbonat Au o rezistență mai bună la izolație, tangentă de pierdere și adsorbție dielectrică decât condensatoarele din polistiren. Au o rezistență mai bună la umiditate. Coeficient de temperatură aproximativ ±80 ppm. Rezistă la tensiunea maximă de funcționare pe întregul interval de temperatură (de la -55°C la 125°C) Temperatura maximă de funcționare este limitată la 125°C.
Condensatori polisulfon Polisulfonă Similar cu policarbonatul. Poate rezista la tensiune nominală maximă la temperaturi relativ ridicate. Absorbția de umiditate este de aproximativ 0,2%, ceea ce limitează stabilitatea acestora. Disponibilitate redusă și cost ridicat.
Condensatoare din polipropilenă Polipropilenă Pierdere tangentă extrem de scăzută, rezistență dielectrică mai mare decât condensatoarele din policarbonat și PET. Higroscopicitate scăzută și rezistență ridicată la izolare. Pot folosi benzi de folie, folie metalizată sau combinații ale ambelor. Filmul este compatibil cu tehnologia de auto-vindecare , care îmbunătățește fiabilitatea. Ele pot funcționa la frecvențe înalte, chiar și la putere mare, de exemplu, pentru încălzirea prin inducție (adesea împreună cu răcirea cu apă), datorită pierderilor dielectrice foarte mici. Cu capacități și tensiuni de funcționare mai mari, de exemplu de la 1 la 100 de microfaradi și tensiuni de până la 440 V AC, acestea pot fi utilizate ca și porniri pentru lucrul cu unele tipuri de motoare electrice monofazate. Mai susceptibil la deteriorare din cauza supratensiunilor tranzitorii sau a polarității inverse decât condensatoarele de hârtie îmbibate cu ulei.
Condensatoare din polistiren Polistiren Condensatoare excelente de film de înaltă frecvență pentru uz general. Au stabilitate excelentă, rezistență ridicată la umiditate și un coeficient scăzut de temperatură negativ, permițându-le să fie utilizate pentru a compensa coeficientul de temperatură pozitiv al altor componente. Ideal pentru RF de putere redusă și aplicații analogice de precizie. Temperatura maximă de funcționare este limitată la 85 °C. Dimensiuni relativ mari.
Condensatoare fluoroplastice Politetrafluoretilenă Condensatoare excelente de film de înaltă frecvență pentru uz general. Pierderi dielectrice foarte mici. Temperatura de functionare pana la 250°C, rezistenta la izolare foarte mare, stabilitate buna. Folosit în sarcini critice. Dimensiune mare datorită constantei dielectrice scăzute, preț mai mare în comparație cu alți condensatori.
Polietilen tereftalat metalizat și condensatoare din policarbonat PET sau policarbonat Fiabil și mult mai mic. Placarea subțire poate fi folosită pentru a le conferi proprietăți de auto-vindecare. Placarea subțire limitează curentul maxim.
Condensatoare cu dielectric solid anorganic
Condensatoare de mica placi multinivel Mica Avantajele acestor condensatoare se bazează pe faptul că dielectricul lor este inert. Nu se modifică în timp nici fizic, nici chimic și are, de asemenea, o bună stabilitate la temperatură. Au o rezistență foarte mare la descărcările corona. Fără o etanșare adecvată, ele sunt susceptibile la umiditate, ceea ce le înrăutățește parametrii. Preț ridicat datorită rarității și calității înalte a dielectricului, precum și asamblarii manuale.
Condensatoare din mica metalizata sau argintie Mica Aceleași beneficii, pe lângă faptul că sunt mai rezistente la umezeală. pret mai mare.
Condensatoare din sticlă Sticlă Similar cu mica. Stabilitatea și răspunsul în frecvență sunt mai bune decât mica. Foarte fiabil, foarte stabil, rezistent la radiații. Preț mare.
Condensatoare ceramice compensate cu temperatura Un amestec de compuși complecși de titanați Ieftin, miniatural, au caracteristici excelente de înaltă frecvență și fiabilitate bună. Modificare liniară previzibilă a capacității în raport cu temperatură. Există produse care rezistă până la 15 kV. Modificarea capacității la diferite tensiuni aplicate, frecvență, supusă îmbătrânirii.
Condensatoare ceramice cu constantă dielectrică ridicată Dielectrice pe bază de titanat de bariu Mai mici decât condensatoarele compensate cu temperatură datorită constantei dielectrice mai mari. Disponibil pentru tensiuni de până la 50 kV. Au mai puțină stabilitate la temperatură, capacitatea se modifică semnificativ cu diferite tensiuni aplicate.
Condensatoare cu un dielectric de oxid
Condensatoare electrolitice din aluminiu Oxid de aluminiu Raport uriaș între capacitate și volum, ieftin, polar. Ele sunt utilizate în principal ca condensatori de netezire și alimentare în sursele de alimentare. MTBF-ul unui condensator cu o temperatură de funcționare maximă admisă de 105 °C este calculat până la 50.000 de ore la o temperatură de 75 °C Curenții mari de scurgere, rezistența mare echivalentă în serie și inductanța limitează utilizarea lor la frecvențe înalte. Au stabilitate la temperatură scăzută și abateri slabe ale parametrilor. Poate exploda dacă parametrii admiși sunt depășiți și/sau supraîncălziți, când se aplică tensiune inversă. Tensiunea maximă este de aproximativ 500 de volți.
Condensatoare de tantal Oxid de tantal Raport mare capacitate/volum, dimensiune mică, stabilitate bună, gamă largă de temperatură de funcționare. Utilizat pe scară largă în echipamente miniaturale și computere. Disponibil în ambele versiuni polare și nepolare. Condensatoarele solide cu tantal au performanțe mult mai bune în comparație cu cele cu electrolit lichid. Mai scump decât condensatoarele electrolitice din aluminiu. Tensiunea maximă este limitată de o bară de aproximativ 50 V. Ele explodează atunci când este depășită rata admisă de curent, tensiune sau creșterea tensiunii, precum și atunci când se aplică o tensiune de polaritate greșită.
Condensatoare cu niobiu Oxid de niobiu ? ?
Condensatoare solide Oxid de aluminiu, oxid de tantal În locul electrolitului lichid tradițional, se folosește un polimer organic conductor special sau un semiconductor organic polimerizat. MTBF este de aproximativ 50.000 de ore la 85°C. ESR este mai mic decât cel al lichid-electrolitic și depinde slab de temperatură. Nu explodează. Mai scump decât de obicei. La 105 °C , durata de viață este aceeași cu cea a celor electrolitice obișnuite. Tensiuni de funcționare până la 35 V.
Condensatori electrici cu strat dublu
Condensatoare electrice cu strat dublu ( ionistori ) Strat subțire de electrolit și cărbune activ Capacitate mare raportat la volum, dimensiuni mici. Disponibil în sute de faradi. Utilizat de obicei pentru alimentarea temporară a echipamentelor la înlocuirea bateriilor. Ele pot fi încărcate și descărcate cu curenți mai mari decât bateriile și au un număr foarte mare de cicluri de încărcare-descărcare. Polarizat, are o tensiune nominală scăzută (volți pe celulă de condensator). Grupurile de celule sunt conectate în serie pentru a crește tensiunea totală de funcționare, în timp ce utilizarea dispozitivelor de echilibrare a tensiunii este obligatorie. Cost relativ ridicat, rezistență în serie echivalentă mare (curenți de descărcare mici), curenți de scurgere mari.
Condensatoare Li-ion ion de litiu Condensatorii cu litiu-ion au o capacitate energetică mai mare, comparabilă cu bateriile , mai sigure decât bateriile ( celule litiu galvanice sau baterii litiu-ion [ ce? ][ clarifica ] ), în care o reacție chimică violentă începe la o temperatură ridicată. În comparație cu ionistorii, aceștia au o tensiune de ieșire mai mare. Puterea lor specifică este comparabilă, dar densitatea de energie a condensatoarelor Li-ion este mult mai mare [8] . O nouă tehnologie care nu a fost încă adoptată pe scară largă.
Condensatoare de vid
Condensatoare de vid Condensatoarele de vid folosesc becuri din sticlă sau ceramică cu electrozi cilindrici concentrici. Pierdere extrem de scăzută. Folosit pentru aplicații RF de înaltă tensiune, cum ar fi încălzirea prin inducție unde chiar si pierderile mici duc la incalzirea excesiva a condensatorului in sine. Cu curent limitat, scânteile se pot autovindeca. Pret foarte mare, fragilitate, dimensiuni mari, capacitate redusa.

Utilizarea condensatoarelor și funcționarea lor

Condensatorii sunt utilizați în aproape toate domeniile ingineriei electrice.

  • Condensatorii (împreună cu inductori și/sau rezistențe ) sunt utilizați pentru a construi diverse circuite cu proprietăți dependente de frecvență, în special filtre , circuite de feedback , circuite oscilatorii etc.
  • În sursele de alimentare secundare , condensatorii sunt utilizați pentru a netezi ondulațiile de tensiune redresate .
  • Când condensatorul este descărcat rapid, se poate obține un impuls de mare putere, de exemplu, în blițuri foto , acceleratoare electromagnetice , lasere cu impulsuri pompate optic , generatoare Marx, (GIN; GIT) , generatoare Cockcroft-Walton etc.
  • Deoarece condensatorul poate stoca o încărcare pentru o perioadă lungă de timp, acesta poate fi folosit ca element de memorie (vezi DRAM , Dispozitiv de eșantionare și menținere ).
  • Un condensator poate fi folosit ca reactanță cu două terminale pentru a limita puterea curentului alternativ într-un circuit electric (vezi Balastul ).
  • Procesul de încărcare și descărcare a unui condensator printr-un rezistor (vezi circuitul RC ) sau un generator de curent durează un anumit timp, ceea ce permite utilizarea unui condensator în circuite de setare a timpului , care nu au cerințe ridicate pentru stabilitatea timpului și a temperaturii ( în circuite ale generatoarelor de impulsuri simple și repetitive, relee de timp etc.).
  • În inginerie electrică, condensatorii sunt utilizați pentru compensarea puterii reactive și în filtrele armonice superioare .
  • Condensatorii sunt capabili să acumuleze o sarcină mare și să creeze o tensiune mare pe plăci, care este folosită în diverse scopuri, de exemplu, pentru a accelera particulele încărcate sau pentru a crea descărcări electrice puternice pe termen scurt (vezi generatorul Van de Graaff ).
  • Traductor cu deplasare mică: O mică modificare a distanței dintre plăci are un efect foarte vizibil asupra capacității condensatorului.
  • Traductor de măsurare a umidității aerului, lemn (modificările în compoziția dielectricului duc la o modificare a capacității).
  • În circuitele RPA , condensatorii sunt utilizați pentru a implementa logica unor protecții. În special, utilizarea unui condensator în circuitul de reînchidere automată face posibilă asigurarea frecvenței de funcționare a protecției necesare.
  • Contor de nivel al lichidului. Un lichid neconductor umple spațiul dintre plăcile condensatorului, iar capacitatea condensatorului se modifică în funcție de nivel.
  • condensator cu defazare. Un astfel de condensator este necesar pentru pornirea și, în unele cazuri, pentru funcționarea motoarelor asincrone monofazate . Poate fi folosit și pentru pornirea și operarea motoarelor asincrone trifazate atunci când sunt alimentate de o tensiune monofazată.
  • Acumulatoare de energie electrică (vezi Ionistor ). În acest caz, plăcile condensatorului ar trebui să aibă o valoare destul de constantă a tensiunii și a curentului de descărcare. În acest caz, descărcarea în sine trebuie să fie semnificativă în timp. În prezent, dezvoltarea experimentală a vehiculelor electrice și hibrizilor care utilizează condensatoare este în curs de desfășurare. Există, de asemenea, unele modele de tramvaie în care condensatoarele sunt folosite pentru a alimenta motoarele de tracțiune atunci când se circulă prin secțiuni dezactivate.

Marcaje condensatoare

Marcarea condensatoarelor sovietice și rusești

Există două sisteme pentru desemnarea condensatorilor sovietici/rusi: alfabetic (vechi) și digital (nou).

Notație veche

Sistemul de litere se aplică condensatoarelor proiectate înainte de 1960. În acest sistem, prima literă K înseamnă un condensator, a doua - tipul de dielectric (B - hârtie, C - mică, K - ceramică, E - electrolitic și așa mai departe ...), a treia - caracteristici de proiectare ( etanșeitate sau condiții de funcționare). Pentru a simplifica notația, prima literă K este adesea omisă, lăsând a doua și următoarea [10] .

Notație nouă

În conformitate cu noul sistem de marcare (digital), condensatoarele sunt împărțite în grupuri în funcție de tipul dielectricului, scop și versiune [11] . Conform acestui sistem, prima literă „K” înseamnă „condensator”, urmată de un număr care indică tipul dielectricului și o literă care indică în ce circuite poate fi utilizat condensatorul; după este numărul de dezvoltare sau o literă care indică varianta de proiectare [12] .

Statistici de rezistență [13]

Rezistența electrică

Relația dintre tensiunea de avarie și timpul în care această tensiune este aplicată la bornele condensatorului. Este determinat de formula empirică unde  este un coeficient constant în funcție de proprietățile dielectricului,

Fiabilitatea condensatorului

Rata de eșec pentru 1 oră de funcționare în condiții normale. Timpul mediu până la prima defecțiune bruscă: , unde  este un coeficient constant în funcție de proprietățile dielectricului,  este tensiunea admisă,  este tensiunea de funcționare.

Durată de viață

Influența temperaturii asupra duratei de viață este exprimată prin formula: unde pentru hârtie, mica și condensatoare ceramice de capacitate constantă, pentru folie de sticlă și  - durata de viață a condensatorului la temperaturi și, respectiv.

Vezi și

Note

  1. De aici a apărut numele colocvial pentru un condensator - capacitate .
  2. Gliozzi M. Istoria fizicii. - M .: Mir, 1970. - S. 173.
  3. Gano A. Curs de fizică. Traducere de F. Pavlenko, V. Cherkasov. 1882.
  4. Gusev, 1991 , p. 17-26.
  5. GOST 2.728-74 (2002) (link inaccesibil) . Consultat la 25 septembrie 2009. Arhivat din original la 5 martie 2016. 
  6. Condensatoare electrolitice din aluminiu seria PW (Power Supplies)  (ing.)  (link indisponibil) . Nichicon Electronics Corporation. Preluat la 23 martie 2013. Arhivat din original la 1 iulie 2013.
  7. Andrei Samodelov. Condensatoare electrolitice din aluminiu Vishay pentru surse de alimentare (link indisponibil) . Vestnik elektroniki nr. 3, 2011. Consultat la 23 martie 2013. Arhivat la 20 august 2014. 
  8. Taiyo Yuden a creat o nouă generație de condensatoare litiu-ion
  9. Abrevierea „MF” era folosită la acea vreme pentru microfarade; „MMF” a fost folosit pentru micro-microfrad = 10 -12 F sau picofarad.
  10. Bodilovsky B. G. Handbook of a young radio operator: edition a patra, revizuită și suplimentar - Moscova: Higher School, 1983. S. 29.
  11. Bodilovsky B. G. Handbook of a young radio operator: 4th ed., Revised. si suplimentare - Moscova: Școala Superioară, 1983. - S. 29.
  12. Redel A. A. Manual pentru telemecanica radio. - Alma-Ata: Kazahstan. - 1989. - S. 10
  13. Tishchenko O. F., Kiselev L. T., Kovalenko A. P. Elements of instrumental devices. Partea 1. Detalii, conexiuni și transferuri. - M., Şcoala Superioară, 1982. - S. 269

Literatură

  • Condensator, electric // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron  : în 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg. , 1890-1907.
  • Jdanov L. S. Jdanov, G. L. Manual de fizică pentru instituțiile de învățământ secundar de specialitate.
  • Gusev V. G., Gusev Yu. M. Electronică. - al 2-lea. - M . : „Școala superioară”, 1991. - ISBN 5-06-000681-6 .
  • Frolov A.D. Componente și noduri radio. - M . : Liceu, 1975. - S. 46-134. — 440 s. — (Manual pentru universități).
  • Belenky B. P., Bondarenko P. N., Borisova M. E. Calculul caracteristicilor operaționale și aplicarea condensatoarelor electrice. - M . : Radio şi comunicare, 1988. - 240 p.

Link -uri