Основные элементы электронных устройств

Конденсаторы.

Электрический конденсатор представляет собой систему из двух проводников электрического тока (обкладок), разделенных диэлектриком, и обладает способностью накапливать электрическую энергию (рис. 1).

	Рис. 1. Схематичное изображение электрического конденсатора (а) и его условные обозначения на электрических схемах: б -неполярный конденсатор постоянной емкости; в – неполярный конденсатор переменной емкости (емкость изменяется в больших пределах); г – неполярный подстроечный конденсатор (емкость изменяется в небольшом диапазоне); д ‑ полярный конденсатор

Емкость конденсатора С (измеряется в Фарадах) определяется отношением накапливаемого в нем электрического заряда к приложенному напряжению. Она зависит от материала диэлектрика, формы и взаимного расположения обкладок. Для плоского конденсатора с двумя обкладками (рис. 1):

где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь обкладки, d ‑ толщина диэлектрика.

Для плоского многопластинчатого конденсатора (рис. 2):

где n – число обкладок.

		Рис. 2. Плоский многопластинчатый конденсатор с четырьмя пластинами(2+2 пластины)

Для цилиндрического конденсатора (рис. 3):

где l – длина цилиндра, D₁ – внешний диаметр внутреннего цилиндра, D₂ – внутренний диаметр внешнего цилиндра.

Для спирального конденсатора, получаемого намоткой, с обкладками и диэлектриком ленточного вида:

где b и l – соответственно ширина и длина развернутой плоской ленточной обкладки.

В приведенных формулах единица емкости – пикофарада (10^-12 Ф), площади – квадратный миллиметр, линейные размеры – миллиметры.

Внешний вид некоторый типов конденсаторов приведен на рис. 4.

Основные характеристики конденсаторов:

· Удельная емкость – отношение емкости к массе конденсатора.

· Номинальная емкость – емкость, которую должен иметь конденсатор в соответствии с нормативной документацией и маркировкой. Фактическая емкость отличается от номинальной на величину допуска, который в зависимости от класса точности колеблется от ±0,1 % до ±20 % и более. Номинальная емкость не может быть любой, для нее существуют ряды чисел, образованных как геометрическая прогрессия со знаменателем q, определяемым как корень степени Е из десяти, где Е – индекс ряда. Например, для ряда с Е = 6:

для ряда с Е = 48:

· Электрическая прочность конденсатора характеризуется следующими показателями: номинальное рабочее напряжение – максимальное напряжение, при котором конденсатор может отработать положенный ресурс; испытательное напряжение – максимальное напряжение, при котором испытывается конденсатор (обычно превышает номинальное в 1,5‑3 раза); пробивное напряжение – минимальное напряжение, при котором происходит электрический пробой конденсатора при быстром (в течение нескольких секунд) поднятии напряжения.

· Сопротивление изоляции – сопротивление конденсатора постоянному току, определяется соотношением R_ИЗ = U/I_УТ , где U – напряжение, приложенное к конденсатору, I_УТ– ток проводимости или утечки.

· Постоянная времени τ_Счаще всего выражается в секундах, основная характеристика конденсатора при его использовании в цепи постоянного тока, характеризует время, в течение которого напряжение на обкладках полностью заряженного конденсатора после снятия напряжения уменьшится до 37 % от первоначального; этот параметр зависит от сопротивления изоляции конденсатора и от ее свойств.

· Частотные свойства.Емкость конденсатора зависит от частоты приложенного переменного напряжения, т.к. с изменением частоты меняются диэлектрическая проницаемость диэлектрика и величины собственных паразитных параметров – собственная индуктивность и сопротивление потерь. С повышением частоты конденсатор начинает работать как резонансный контур с собственной емкостью, индуктивностью и сопротивлением. При наступлении резонанса конденсатор ведет себя как чистая катушка индуктивности, в связи с чем его можно использовать лишь на частотах в2‑3 раза ниже резонансных.

· Стабильность параметров. Электрические свойства и срок службы конденсаторов зависят от условий (температура, влажность, вибрация, радиация и т.д.). С изменением температуры емкость меняется вплоть до десятков процентов. Кроме того, при возвращении температуры к исходной емкость может не восстановиться. На емкость заметно воздействует давление, влажность, время.