Большая Советская Энциклопедия (КО) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 343

343

Конденсатор электрический

Конденса'тор электри'ческий, система из двух или более электродов (обкладок), разделённых диэлектриком , толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок; такая система электродов обладает взаимной электрической ёмкостью . К. э. в виде готового изделия применяется в электрических цепях там, где необходима сосредоточенная ёмкость. Диэлектриком в К. э. служат газы, жидкости и твёрдые электроизоляционные вещества, а также полупроводники. Обкладками К. э. с газообразным и жидким диэлектриком служит система металлических пластин с постоянным зазором между ними. В К. э. с твёрдым диэлектриком обкладки делают из тонкой металлической фольги или наносят слои металла непосредственно на диэлектрик. Для некоторых типов К. э. на поверхность металлической фольги (1-я обкладка) наносится тонкий слой диэлектрика; 2-й обкладкой является металлическая или полупроводниковая плёнка, нанесённая на слой диэлектрика с другой стороны, или электролит, в который погружается оксидированная фольга. В интегральных схемах применяются два принципиально новых вида К. э.: диффузионные и металл-окисел-полупроводниковые (МОП). В диффузионных К. э. используется ёмкость созданного методом диффузии р — n -перехода, которая зависит от приложенного напряжения. В К. э. типа МОП в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния, выращенный на поверхности кремниевой пластины. Обкладками служат подложка с малым удельным сопротивлением (кремний) и тонкая плёнка алюминия.

  При подключении К. э. к источнику постоянного тока на его обкладках накапливается электрический заряд Q = C ? U; выражая Q в кулонах и U (напряжение на обкладках К. э.) в вольтах, получим С — ёмкость К. э. в фарадах. Ёмкость К. э. с обкладками в виде двух параллельных плоских пластин равна:

 (пф),

где e — диэлектрическая проницаемость вакуума, e =  8,85?10-3 пф/мм; e — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (e ³1), S — площадь плоской обкладки в мм2 , b — расстояние между обкладками в мм.

  Ёмкость цилиндрического К. э. (два коаксиальных полых цилиндра разделенных диэлектриком) равна:

 (пф),

где l — длина цилиндра в мм ; D2 — внутренний диаметр внешнего цилиндра в мм; D1 — внешний диаметр внутреннего цилиндра в мм. При этом не учитываются искажения однородности электрического поля у краев обкладок (краевой эффект), и потому эти расчёты дают несколько заниженные значения ёмкости C ; точность расчёта возрастает при уменьшении отношения

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

  К. э. часто включаются группами (батареей); для параллельного соединения К. э. общая ёмкость батареи Сб = C1 + C2 +...+ Cn , а для последовательного соединения

Сб =

,

где C1 , C2 ,..., Cn — ёмкости отдельных К. э., составляющих батарею. При включении в цепь переменного тока частотой f гц через К. э. протекает реактивный (ёмкостный) ток

,

где U — напряжение, приложенное к обкладкам К. э., xc — реактивное сопротивление К. э.

 (ом)

при условии, что f в гц, а С — в ф.

  Зависимость реактивного сопротивления К. э. от частоты используется в электрических фильтрах . Вектор тока, протекающего через К. э., опережает вектор напряжения, приложенного к его обкладкам, на угол j » 90°, это позволяет применить К. э. для повышения мощности коэффициента промышленных установок с индуктивной нагрузкой, для продольной компенсации в линиях электропередачи , в конденсаторных асинхронных двигателях и т. п. Реактивная мощность К. э. Pp =2pfU2 C (вар), где U — в в, f — в гц, С — в ф. К основным параметрам К. э. (см. табл. ) относятся: номинальная ёмкость — Сн ; допуск по номинальной ёмкости

,

где Си — измеренное значение ёмкости К. э.; рабочее (номинальное) напряжение Uн , при котором К. э. надёжно работает длительный промежуток времени (обычно более 1000 ч ); испытательное напряжение Uис , которое К. э. должен выдерживать в течение определенного промежутка времени (2—5 сек, иногда до 1 мин ) без пробоя диэлектрика; пробивное напряжение Uпр (постоянный ток), вызывающее пробой диэлектрика за промежуток времени в несколько сек ; угол потерь d — чем d   больше, тем большая часть энергии выделяется на нагрев К. э.; потери активной мощности Ра = 2pfU2 ?Сн ?tg d (вт), где d — угол потерь, U — в в , Сн — в ф, f — в гц; температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ), характеризующий зависимость изменения ёмкости К. э. от температуры; сопротивление изоляции Rиз между выводами К. э. при подаче на них постоянного напряжения.

  К. э. обладают индуктивностью L, вследствие чего полное сопротивление К. э. часто не является преимущественно емкостным в любом диапазоне частот; применять К. э. целесообразно только при частотах ff сопротивление имеет преимущественно индуктивный характер. Надёжность К. э. определяется вероятностью его безотказной работы в течение гарантированного срока службы; иногда надёжность выражают в виде интенсивности отказов К. э. Для сравнительной оценки качества К. э. применяются удельная ёмкость

 пф/см3 ,

где Vк см3 — активный объём К. э., и удельная стоимость, т. е. стоимость К. э., отнесённая к накопленной в К. э. энергии или заряду. Удельная стоимость К. э. всегда снижается по мере увеличения размеров К. э.

  По применению различают К. э. низкого напряжения низкой частоты (большая удельная ёмкость Су ), низкого напряжения высокой частоты (малые ТКЕ и tg d , высокая Су ), высокого напряжения постоянного тока (высокое Rиз ), высокого напряжения низкой и высокой частоты (высокая удельная реактивная мощность). К. э. выпускаются постоянной ёмкости, переменной ёмкости и полупеременные (триммеры). Параметры, конструкция и область применения К. э. определяются диэлектриком, разделяющим его обкладки, поэтому основная классификация К. э. проводится по типу диэлектрика.

  К. э. с газообразным диэлектриком (воздушные, газонаполненные и вакуумные) имеют весьма малые значения tg d и высокую стабильность ёмкости (см. табл. ). Воздушные К. э. постоянной ёмкости применяют в измерительной технике в основном как образцовые К. э. Воздушные К. э. рекомендуется применять при напряжениях не выше 1000 в. В электрических цепях высокого напряжения (свыше 1000 в ) применяют газонаполненные (азот, фреон и др.) и вакуумные К. э. Вакуумные К. э. имеют меньшие потери, малый ТКЕ и более устойчивы к вибрациям по сравнению с газонаполненными. Рабочее напряжение для вакуумных К. э. постоянной ёмкости от 5 до 45 кв. Наиболее целесообразно вакуумные К. э. использовать при работе в диапазоне частот от 1 до 10 Мгц. Значение пробивного напряжения вакуумных К. э. не зависит от атмосферного давления, поэтому они широко применяются в авиационной аппаратуре. Основной недостаток К. э. с газообразным диэлектриком — весьма низкая удельная ёмкость.