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 +...+ C_n , а для последовательного соединения

С_б =

,

где C₁ , C₂ ,..., C_n — 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., x_c — 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. P_p =2pfU² C (вар), где U — в в, f — в гц, С — в ф. К основным параметрам К. э. (см. табл. ) относятся: номинальная ёмкость — С_н ; допуск по номинальной ёмкости

,

где С_и — измеренное значение ёмкости К. э.; рабочее (номинальное) напряжение U_н , при котором К. э. надёжно работает длительный промежуток времени (обычно более 1000 ч ); испытательное напряжение U_ис , которое К. э. должен выдерживать в течение определенного промежутка времени (2—5 сек, иногда до 1 мин ) без пробоя диэлектрика; пробивное напряжение U_пр (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 Р_а = 2pfU² ?Сн ?tg d (вт), где d — угол потерь, U — в в , С_н — в ф, f — в гц; температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ), характеризующий зависимость изменения ёмкости К. э. от температуры; сопротивление изоляции R_из 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 f (f — собственная резонансная частота К. э.), т. к. при f >f сопротивление имеет преимущественно индуктивный характер. Надёжность К. э. определяется вероятностью его безотказной работы в течение гарантированного срока службы; иногда надёжность выражают в виде интенсивности отказов К. э. Для сравнительной оценки качества К. э. применяются удельная ёмкость

 пф/см³ ,

где V_к 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 С_у ), низкого напряжения высокой частоты (малые ТКЕ и tg d , высокая С_у ), высокого напряжения постоянного тока (высокое R_из ), 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.