Классификация, система обозначения, маркировка конденсаторов

Электрический конденсатор - это элемент электрической цепи, предназначенный для использования его емкости. Конденсатор представляет собой систему из двух электродов (обкладок), разделенных диэлектриком, и обладает способностью накапливать электрическую энергию (рис.1.20).

Емкость конденсатора - электрическая емкость между электродами конденсатора (ГОСТ 19880-74), определяемая отношением накапливаемого в нем электрического заряда к приложенному напряжению. Емкость конденсатора зависит от материала диэлектрика, формы и взаимного расположения электродов,

С=q / U,

где С - емкость, Ф; q - заряд, Кл; U - разность потенциалов на обкладках конденсатора, В.

За единицу емкости в Международной системе СИ принимают емкость такого конденсатора, у которого потенциал возрастает на один вольт при сообщении ему заряда один кулон (Кл). Эту единицу называют Фарадой (Ф). Для практических целей она слишком велика, поэтому на практике используют более мелкие единицы емкости: микрофараду (мкФ), нанофараду(нФ), пикофараду (пФ).

1Ф=106мкФ =109нФ=1012пФ

Можно сказать, что конденсатор - это частотно – зависимый резистор. Емкостное сопротивление определяется соотношением:

Xс = 1/(2πfC),

где f – частота электрического сигнала.
Связь емкости конденсатора с током определяется формулой [3]:

I = C(dU/dt).

Из этого соотношения видно, что конденсатор более сложный элемент, чем резистор; ток пропорционален не просто напряжению, а скорости его изменения.
В основу классификации конденсаторов положено деление их на группы по виду применяемого диэлектрика и по конструктивным особенностям, определяющим использование их в конкретных цепях аппаратуры. Вид диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность емкости, величину потерь и др. Конструктивные особенности определяют характерные области применения: помехоподавляющие, подстроечные, дозиметрические, импульсные и др. Дальнейшее деление групп конденсаторов по виду диэлектрика связано с использованием их в конкретных цепях аппаратуры, назначением и выполняемой функцией, например, низковольтные и высоковольтные, низкочастотные и высокочастотные, импульсные и др.
В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространенные низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования. Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся: высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и др.
По характеру изменения емкости различают конденсаторы постоянной емкости, переменной емкости и подстроечные.
Из названия конденсаторов постоянной емкости вытекает, что их емкость является фиксированной и в процессе эксплуатации не регулируется.
Конденсаторы переменной емкости допускают изменение емкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление емкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды) и температурой (термоконденсаторы). Их применяют для плавной настройки колебательных контуров, в цепях автоматики и т. п.
Емкость подстроечных конденсаторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных емкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение емкости. В зависимости от способа монтажа конденсаторы могут выполняться для печатного и для навесного монтажа, а также для сопряжения с ними. Выводы конденсаторов для навесного монтажа могут быть жесткие или мягкие, аксиальные или радиальные, из проволоки круглого сечения или ленты, в виде лепестков, с кабельным вводом, в виде проходных шпилек, опорных винтов. У конденсаторов для микросхем и микромодулей, а также СВЧ-конденсаторов в качестве выводов могут использоваться части их поверхности (безвыводные конденсаторы). У большинства типов оксидных, а также проходных и опорных конденсаторов одна из обкладок соединяется с корпусом, который служит вторым выводом.
По характеру защиты от внешних воздействий конденсаторы выполняются: незащищенными, защищенными, неизолированными, изолированными, уплотненными и герметизированными.
Незащищенные конденсаторы допускают эксплуатацию в условиях повышенной влажности только в составе герметизированной аппаратуры. Защищенные конденсаторы допускают эксплуатацию в аппаратуре любого конструктивного исполнения.
Неизолированные конденсаторы (с покрытием или без покрытия) не допускают касания своим корпусом шасси аппаратуры. Напротив, изолированные конденсаторы имеют достаточно хорошее изоляционное покрытие (компаунды, пластмассы) и допускают касания корпусом шасси или токоведущих частей аппаратуры.
Уплотненные конденсаторы имеют уплотненную органическими материалами конструкцию корпуса.
Герметизированные конденсаторы имеют герметичную конструкцию корпуса, который исключает возможность сообщения окружающей среды с его внутренним пространством. Герметизация осуществляется с помощью керамических и металлических корпусов или стеклянных колб.
По виду диэлектрика конденсаторы можно разделить на конденсаторы с органическим, неорганическим, газообразным и оксидным диэлектриком, который является также неорганическим, но в силу особой специфики характеристик выделен в отдельную группу.
Обозначение конденсаторов для радиоэлектронных устройств производится в соответствии с ГОСТ 11.074.008—78 и ГОСТ 11076—69 (ст. СЭВ 1810—79). Условное обозначение конденсаторов может быть сокращенным и полным. Сокращенное обозначение, позволяющее определить, к какому типу относится конкретный конденсатор, содержит три элемента. Первый элемент (одна или две буквы) обозначает подкласс конденсатора:
К - конденсатор постоянной емкости; КТ - конденсатор подстроечный; КП - конденсатор переменной емкости; КН - нелинейный; КС - конденсаторные сборки. Второй элемент - число, обозначающее группу конденсаторов. Третий элемент - порядковый номер разработки конкретного типа конденсатора.
В состав второго и третьего элементов в отдельных случаях может входить также буквенное обозначение.
Для старых типов конденсаторов в основу условных обозначений брались конструктивные, технологические, эксплуатационные и другие признаки (например: КД - конденсаторы дисковые; ФТ - фторопластовые теплостойкие; КТП - конденсаторы трубчатые проходные).
Пример. Сокращенное условное обозначение керамического конденсатора постоянной емкости на номинальное напряжение до 1600 В с порядковым номером разработки 8: К10-8.
Полное условное обозначение устанавливают в документе на поставку конденсаторов, и оно должно состоять из следующих элементов.
Первый элемент - обозначение подкласса и группы.
Второй элемент - обозначение основных параметров и характеристик в следующей последовательности: конструктивное исполнение, номинальное напряжение, номинальная емкость, допускаемое отклонение емкости, группа и класс по температурной стабильности емкости, номинальная реактивная мощность.
Третий элемент - обозначение климатического исполнения. Четвертый элемент - обозначение документа на поставку.
Пример. Полное условное обозначение комбинированного конденсатора постоянной емкости (К75) с порядковым номером разработки 10 на номинальное напряжение 250 В, номинальной емкостью 0,47 мкФ и допускаемым отклонением ±5 %, всеклиматического исполнения (В), поставляемого по... ТУ:

К75-10-250 В-0,47 мкФ±5 %-В...ТУ.

Основные электрические параметры конденсаторов

Удельная емкость конденсатора - отношение емкости к массе (или объему) конденсатора.

Номинальная емкость конденсатора - емкость, которую должен иметь конденсатор в соответствии с нормативной документацией (ГОСТ или ТУ). Фактическая емкость конденсатора отличается от номинальной, но не более чем на допустимое отклонение. Значения номинальной емкости всех типов конденсаторов постоянной емкости (кроме вакуумных) установлены стандартом СЭВ 1076—78.
Согласно этому стандарту, установлены семь рядов значений: ЕЗ; Е6; Е12; Е24; Е48; Е96; Е192. Цифры после буквы Е указывают число номинальных значений в каждом десятичном интервале (декаде). Например, ряд Е6 содержит шесть значений номинальных емкостей в каждой декаде, которые соответствуют числам 1,0; 1,5; 2,2; 3,3: 4,7; 6,8. Номинальная емкость должна соответствовать числам, полученным путем умножения чисел ряда на 10n, С = Аi ´ 10n, где n - целое положительное или отрицательное число. В производстве конденсаторов чаще всего используются ряды ЕЗ, Е6, Е12, и Е24; реже Е48, Е96, Е192. Номинальные емкости при допустимых отклонениях ±5 % и более должны соответствовать числам в приведенных ниже рядах: ЕЗ (1,0; 2,2; 4,7); Е6 (1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6.8); Е12 (1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2.2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2) и Е24 (1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2.7: 3,0: 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1; 5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1).
Допустимое отклонение емкости от номинальной (допуск) - характеризует точность значения емкости. Значения этих отклонений установлены ГОСТ 9661 -73 в процентах для конденсаторов емкостью 10 пФ и более и в пикофарадах для конденсаторов с меньшей емкостью. Кодированные значения некоторых допустимых отклонений от номинальной емкости приведены в табл.1.8.

Номинальное напряжение - значение напряжения, обозначенное на конденсаторе (или указанное в документации), при котором он может работать в заданных условиях в течение срока службы с сохранением параметров в допустимых пределах. Номинальное напряжение зависит от конструкции конденсатора и свойств применяемых материалов. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Для многих типов конденсаторов с увеличением температуры (как правило, более 70...85 °С) допускаемое напряжение снижается. Значения номинальных напряжений конденсаторов постоянной емкости установлены ГОСТ 9665-77. Эти значения и их кодированные обозначения приведены в табл. 1.9.

Тангенс угла потерь (tgδ). Потери энергии в конденсаторе определяются потерями в диэлектрике и обкладках. При протекании переменного тока через конденсатор векторы тока и напряжения сдвинуты на угол δ. Угол δ называется углом диэлектрических потерь (или углом потерь). При отсутствии потерь δ = 0. Тангенс угла потерь определяется отношением активной мощности Рa, к реактивной Рр при синусоидальном напряжении определенной частоты:

tgδ = Pa / Рp = UIcosφ / UIsinφ = cos (90 - δ) / sin (90 - δ) = sinδ / cosδ,

где φ - угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи “конденсатор - источник тока”; δ - угол потерь, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ. Как правило, tgδ имеет минимум в области комнатных температур. С ростом частоты значение tgδ увеличивается. Величина, обратная tgδ, называется добротностью конденсатора. Чем больше добротность конденсатора, тем меньше потери в нем при прочих равных условиях. Значения tgδ составляют от 0,0005 ( для фторопластовых конденсаторов ) до 0,3 ( для электролитических ).
Электрическое сопротивление изоляции конденсатора - электрическое сопротивление конденсатора постоянному току (ГОСТ 21415-75, СТ СЭВ 1613-79), определяемое соотношением Rиз = U / Iут, где U- напряжение, приложенное к конденсатору, Iут - ток утечки, или проводимости. Сопротивление изоляции характеризует качество диэлектрика и качество изготовления конденсаторов и зависит от типа диэлектрика. Сопротивление изоляции для конденсаторов большой емкости обратно пропорционально площади обкладок, т. е. емкости конденсаторов. Поэтому для конденсаторов емкостью более 0,33 мкФ принято вместо сопротивления изоляции приводить значение постоянной времени, выражаемое в секундах, равное произведению сопротивления изоляции на значение номинальной емкости(МОм×мкФ). Сопротивление изоляции конденсатора измеряют между его выводами. Для конденсаторов, допускающих касание своим корпусом шасси или токоведущих шин, вводится понятие сопротивления изоляции между корпусом и соединенными вместе выводами.
Частотные свойства. Емкость конденсатора зависит от частоты приложенного переменного напряжения. При изменении частоты изменяются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и степень влияния паразитных параметров - собственной индуктивности и сопротивления потерь. На высоких частотах любой конденсатор можно рассматривать как последовательный колебательный контур, образуемый емкостью С, собственной индуктивностью Lс и сопротивлением потерь Rп. Резонанс этого контура наступает на частоте

fр = 0,5 πÖ (LcC).

При f > fр конденсатор в цепи переменного тока ведет себя как катушка индуктивности. Следовательно, конденсатор целесообразно использовать лишь на частотах f < fр, на которых его сопротивление носит емкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2...3 раза ниже резонансной.
Характер частотной зависимости действующей емкости конденсатора (с учетом влияния параметров Lс и Rп) в диапазоне частот от нуля до fр обусловливается соотношением параметров С, Lс , Rп. В большинстве случаев Сд уменьшается с ростом частоты во всем указанном диапазоне частот. Однако вблизи резонансной частоты она всегда уменьшается и стремится к нулю. Ориентировочные диапазоны рабочих частот для различных групп конденсаторов; керамические (0...1010) Гц, бумажные и металлобумажные (0...106) Гц, из полярных пленок (0...107) Гц, из неполярных пленок (0...109) Гц, оксидно-полупроводниковые (0...105) Гц, электролитические танталовые (0. ..104) Гц.
Допустимая амплитуда переменного напряжения на конденсаторе Uт.доп - амплитуда переменного напряжения, при которой потери энергии в конденсаторе .не превышают допустимых.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) - параметр, применяемый для характеристики конденсаторов линейной зависимостью емкости от температуры. Практически ТКЕ определяют как относительное изменение емкости конденсатора при изменении температуры на 1 °С:

ТКЕ = ΔС/(С0 ΔТ).

Слюдяные, керамические и некоторые пленочные конденсаторы в зависимости от температурной стабильности разделяют на группы, каждая из которых характеризуется своим ТКЕ. На конденсаторах небольших габаритов применяют кодированное обозначение ТКЕ. Например, номинальное значение ТКЕ, равное +100 ´ 10-6 1/°С, кодируется как П100 или цветовым кодом “красный + фиолетовый”.
Если зависимость емкости от температуры нелинейная, температурную стабильность емкости конденсатора характеризуют относительным изменением емкости при переходе от нормальной температуры (20 ± 5 °С) к предельным значениям рабочей температуры. Слюдяные и полистирольные конденсаторы имеют ТКЕ в пределах (50...200) × 10-6 1/°С, поликарбонатные - 50 × 10-6 1/°С. Для конденсаторов с другими видами диэлектрика ТКЕ не нормируется.
Необратимые изменения емкости конденсаторов при воздействии тепла характеризуются остаточным относительным изменением емкости (после возвращения к исходной температуре), которое называют коэффициентом температурной нестабильности емкости (КТНЕ).
Стабильность параметров конденсаторов. Электрические свойства и срок службы конденсатора зависят от условий эксплуатации (воздействие тепла, влажности, радиации, вибраций, ударов и др.).
Температура и влажность окружающей среды являются важнейшими факторами, влияющими на надежность, долговечность и сохраняемость конденсаторов. Предельно допустимая температура для конденсаторов ограничивается заданием положительной максимальной температуры окружающей среды и величиной электрической нагрузки. Применение конденсаторов в условиях, превышающих эти ограничения, может вызвать резкое ухудшение параметров (снижение сопротивления изоляции, уменьшение емкости, увеличение тока и тангенса угла потерь), нарушение герметичности спаев. На конденсаторы в составе аппаратуры может еще воздействовать теплота, выделяемая другими сильно нагревающимися при работе аппаратуры изделиями.
Для многих типов конденсаторов в условиях низких температур характерно снижение емкости, особенно у оксидных и керамических конденсаторов. Все типы оксидных конденсаторов с жидким или пастообразным электролитом при температурах ниже 60°С практически неработоспособны.
С ростом температуры окружающей среды напряжения на конденсаторе должно снижаться.
Воздействие влаги сказывается на снижении значения сопротивления изоляции (повышается вероятность пробоя), увеличении тангенса угла потерь.
Влага, кроме того, вызывает коррозию металлических деталей конденсаторов.
При эксплуатации аппаратуры конденсаторы подвергаются воздействию различного вида механических нагрузок: вибрации, ударам, ускорению и т. д. Как следствие могут возникнуть обрывы выводов, трещины и снижение электрической прочности.
Процессы, протекающие в конденсаторах в условиях воздействия ионизирующих излучений, приводят к обратимым и остаточным изменениям электрических параметров.
Обратимые изменения связаны с процессами ионизации диэлектрических материалов и воздуха и сопровождаются резким снижением сопротивления изоляции и увеличением тока утечки. Увеличивается также тангенс угла потерь, особенно на низких частотах. После прекращения облучения сопротивление изоляции (ток утечки оксидных конденсаторов) в большинстве случаев восстанавливается. Остаточные изменения параметров связаны в основном с устойчивыми нарушениями структуры рабочего диэлектрика и защитных материалов. Особенно подвержена изменениям структура полимерных материалов, применяемых в пленочных и комбинированных конденсаторах.
Конденсаторы с органическим диэлектриком вообще более чувствительны к воздействию излучения по сравнению с неорганическим диэлектриком. Наиболее устойчивы к воздействию ионизирующих излучений керамические конденсаторы.
Необратимые наибольшие изменения параметров вызываются длительным воздействием электрической нагрузки.
Превышение допустимых значений постоянного и переменного напряжения резко снижает надежность конденсаторов. Наиболее устойчивы к воздействию электрических нагрузок и стабильны защищенные керамические конденсаторы. Среди оксидных конденсаторов наиболее стабильны оксидно-полупроводниковые герметизированные конденсаторы. Низкая стабильность параметров проявляется у электролитических оксидных конденсаторов. При длительном хранении всех конденсаторов изменяется их емкость.