Основные характеристики конденсатора
Реактивное сопротивление идеального конденсатора описывается формулойXc =1/2πf C
и по ней, его величина с ростом частоты стремится к «0».
Если посмотреть зависимость емкостного сопротивления керамического конденсатора емкостью 1 мкФ то частоты, то на графике это выглядит так:
Это так, но только для конденсатора в пределах его рабочего диапазона частот.
Рисунок 2.
В результате зависимость Z от частоты выглядит следующим образом (обратите внимание - это тот же график что и на рис.1):
Рисунок 3.
И описывается выражением:
Эта зависимость заставляет обращать внимание на рабочий диапазон частот конденсатора. А он ограничен областью, где Z определяется X C . На рис.3 это левая ветвь зависимости Z , обозначенная как X C .
Xc =1/2πf C
вплоть до частоты (0,8- 0,9) f.
Правая ветвь, имеет индуктивный характер и на частотах выше f ведет себя как индуктивность
X L =2πf L
В минимуме X C равно X L , в результате Z = R , это последовательный резонансный контур. В котором при достаточно малых R добротность будет больше 1 и в цепочкев ответ на перепады тока, могут возбуждаться вынужденные колебания.
Как влияет R (ESR ) на резонансные свойства конденсаторавидно из графика .
Я имел "счастье" столкнуться со случаем, когда неправильно собранный фильтр (резонировали блокировочные конденсаторы красиво впаянные с полной длинной выводов при малым Rs и индуктивность выводов) в цепи питания широкополосного усилителя с большим коэффициентом усиления. Вместо фильтрации питающего тока эти конденсаторы послужил цепью обратной связи и привел к его возбуждению. Частота генерации находилась в полосе пропускания усилителя. Проблема решилась просто, выводы были укорочены до предела и резонанс ушел за пределы полосы пропускания.
Применение конденсаторов в широкополосных цепях
Ниже приведены графики зависимости Z от частоты для керамических конденсаторов разных номиналов. Вы возможно уже видели их на странице "Что можно сделать "на коленке "?" на этом сайте.
 |
 |
Из сказанного выше и графиков видим, что учитывать частотные свойства конденсаторов надо в обычных применениях, но особенно важно учитывать их в широкополосных цепях. и учитывать необходимо не только свойства самих конденсаторов, но и параметры цепей к которым они подключены. Поскольку эти параметры существенно ухудшают (снижают высокочастотную границу рабочего диапазона) характеристику звена фильтра в котором этот конденсатор работает.
Примером может быть фильтр в цепях питания мощных быстродействующих дискретных устройств, который должен работать в диапазоне частот от нескольких десятков тысяч герц до нескольких тысяч гигагерц.
Логика подсказывает, элементы такого фильтра должны перекрывать весь диапазон частот генерируемых в цепях питания защищаемой нагрузки. Число звеньев такого фильтра должно быть большим (более трех).
В качестве примера посмотрите характеристику шестизвенного фильтра.
Но не стоит обольщаться, не смотря на перекрытие полосы частот в семь декад и его характеристики существенно зависят от характеристик защищаемой цепи. Особенно усложняется решение проблемы, когда характеристики защищаемой цепи носят динамически изменяющийся характер, как в фильтрах цепей питания процессоров .
P.S.
Распространенное мнение - применяй оксидные конденсаторы с рабочей температурой 105 град. С в цепях инверторов питания центрального процессора и импульсных блоков питания компьютера, и все будет в порядке.
НО!
Температура воздуха в системном блоке
может превышать 60 град.С жарким летом. Кроме того оксидные конденсаторы (ОК) нагреваются за счет потерь ВЧ составляющих в их цепи.
(Подробнее о ВЧ составляющих см.*****) Я имел возможность наблюдать температуру корпуса ОК 98 град.С. А их ресурс существенно зависит от температуры (см. рис. ниже для 4 типов ОК)
Самые лучшие ОК с малыми потерями имеют ресурс 2000 ч. на своей максимальной температуре, а обычные только 1000ч. При 24 часовом режиме работы это всего 42 дня, а 8 часовом - 125 дней.
Он представляет собой два проводника находящихся вблизи и изолированных друг от друга диэлектриком.
Проводники в конденсаторе выполняются либо в виде металлических пластин, либо в виде обкладок из металлической фольги. Диэлектрики применяются различные: воздух, керамика, слюда, пластмассы, бумага и другие. Имеется большое количество типов конденсаторов, которые различаются между собой по конструкции и применяемым диэлектрикам. Емкость конденсатора определяется теми же факторами, которые влияют на емкость одиночных проводников: площадь поверхности пластин, расстояние между пластинами, диэлектрическая проницаемость диэлектрика между пластинами.Простейшим является плоский конденсатор, Он представляет собой две плоскопараллельные металлические пластины, разделенные диэлектриком. Емкость плоского конденсатора определяется по формуле
где С - емкость конденсатора, ф;
ε a - абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика конденсатора;
S - площадь одной стороны пластины конденсатора, м 2 ;
d - расстояние между пластинами конденсатора, м.
Из формулы следует, что емкость конденсатора прямо пропорциональна поверхности пластин, обратно пропорциональна расстоянию между пластинами и зависит от диэлектрика конденсатора.
Зависимость емкости конденсатора от площади пластин объясняется тем, что при большей поверхности пластин на них помещается больший по величине электрический заряд при данном напряжении. Зависимость емкости конденсатора от диэлектрической проницаемости диэлектрика объясняется явлением поляризации диэлектрика: чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больше связанных зарядов в диэлектрике и на обкладках конденсатора и, следовательно, меньше электрический потенциал пластин конденсатора и напряжение между ними. Зависимость емкости конденсатора от расстояния между пластинами объясняется взаимным влиянием между зарядами в результате электростатической индукции: чем меньше расстояние между пластинами, тем сильнее их взаимное влияние, больше связанных зарядов, меньше электрический потенциал пластин и напряжение между ними, больше емкость конденсатора.
Основными характеристиками конденсатора являются емкость и рабочее напряжение, Емкость конденсатора характеризует его способность накоплять электрические заряды. На основании формулы
Номинальным рабочим напряжением конденсатора называется наибольшее напряжение между его обкладками, при котором он может надежно и длительно работать, сохраняя свои основные рабочие характеристики при всех установленных для него рабочих температурах.
Если конденсатор работает под напряжением выше номинального, надежность его работы и срок службы сокращаются, Рабочее напряжение конденсатора должно быть значительно ниже его пробивного напряжения, т. е. напряжения при котором происходит разрушение его диэлектрика от действия электрического поля.
Электрический пробой конденсатора заключается в пробое его диэлектрика. При этом диэлектрик разрушается, обкладки частично расплавляются и электрически соединяются между собой.
Важным параметром конденсатора является сопротивление изоляции. Это одна из характеристик диэлектрика конденсатора. Так как нет абсолютных диэлектриков, то нет и конденсатора, сопротивление которого равно бесконечности. При включении конденсатора в электрическую цепь постоянного тока сила тока через конденсатор (ток утечки) зависит от сопротивления изоляции. Современные конденсаторы имеют сопротивление изоляции в несколько тысяч мегом.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Воздействие механических нагрузок на вакуумные конденсаторы может вызвать изменение емкости, синхронное с частотой вибрации 2R и моментом воздействия ударных нагрузок. У оксидных конденсаторов (особенно у танталовых с жидким электролитом) во время воздействия вибрационных и ударных нагрузок возможны кратковременные броски тока утечки из-за локальных разрушений оксидного слоя.
Радиационные воздействия
Развитие атомной энергетики и освоение космоса выдвигает требование по устойчивости комплектующих элементов (в том числе конденсаторов) к воздействию ионизирующих излучений, глубокого вакуума и сверхнизких температур. Воздействие ионизирующих излучений может как непосредственно вызвать изменение электрических и эксплуатационных характеристик конденсаторов, так и способствовать ускоренному старению конструкционных материалов при последующем воздействии других факторов. Характер и скорость изменения параметров зависят от дозы, интенсивности и энергетического спектра излучения и в значительной мере определяются видом рабочего диэлектрика и конструкцией конденсатора.
Процессы, протекающие в конденсаторах в условиях воздействия ионизирующих излучений, коренным образом отличаются от процессов старения в обычных условиях эксплуатации. В результате воздействия ионизирующих излучений в конденсаторах также могут возникать явления, приводящие к обратимым или остаточным изменениям их электрических параметров.
Обратимые изменения связаны с процессами ионизации диэлектрических материалов и воздуха и сопровождаются в основном резким снижением сопротивления изоляции и увеличением тока утечки вследствие образования поверхностных и внутренних объемно-распределенных зарядов. Увеличивается также тангенс угла потерь, особенно на низких частотах. После прекращения облучения сопротивление изоляции (ток утечки оксидных конденсаторов) в большинстве случаев восстанавливается. Время восстановления зависит от типа диэлектрика, дозы и мощности излучения.
Остаточные изменения параметров связаны в основном с устойчивыми нарушениями структуры рабочего диэлектрика, а также защитных и заливочных материалов. При воздействии ионизирующих излучений наиболее сильно изменяются структура и механические свойства полимерных материалов, применяемых в пленочных и комбинированных конденсаторах. Структурные изменения сопровождаются, как правило, интенсивным газовыделением. Сравнительно быстрым изменениям подвергаются пропитывающие составы, и целлюлоза, являющаяся основным компонентом конденсаторной бумаги. Поэтому конденсаторы с органическим диэлектриком более чувствительны к воздействиям излучения, чем конденсаторы с неорганическим диэлектриком. Наиболее устойчивы к воздействию ионизирующих излучений керамические конденсаторы типа 1.
Радиационные нарушения структуры материалов могут приводить и к ухудшению основных эксплуатационных характеристик конденсаторов - срока службы, механической и электрической прочности, влагостойкости.
Электрические нагрузки
Наибольшие необратимые изменения параметров вызываются длительным воздействием электрической нагрузки, при которой происходят процессы старения, ухудшающие электрическую прочность. Это необходимо учитывать, выбирая значение рабочего напряжения, особенно при длительной эксплуатации конденсаторов. При постоянном напряжении основной причиной старения являются электрохимические процессы, возникающие в диэлектрике под действием постоянного поля и усиливающиеся с повышением температуры и влажности окружающей среды. Степень их влияния на параметры конденсаторов определяется видом диэлектрика и конструктивным исполнением конденсатора. При этом суммарное изменение параметров конденсаторов не превышает значений, гарантируемых на период минимальной наработки, приведенных в справочных данных.
При переменном напряжении и импульсных режимах основной причиной старения являются ионизационные процессы, возникающие внутри диэлектрика или у краев обкладок, преимущественно в местах газовых включений. Данное явление характерно в основном для высоковольтных конденсаторов. Ионизация разрушает органические диэлектрики в результате бомбардировки их возникающими ионами и электронами, а также за. счет агрессивного действия на диэлектрик образовавшихся озона и окислов азота. Для керамических материалов ионизация в закрытой поре вызывает сильный местный разогрев, в результате которого появляются механические напряжения, сопровождающиеся растрескиванием керамики и пробоем по трещине.
Несмотря на то что допускаемое значение напряженности электрического поля в диэлектрике конденсатора при его испытаниях выбирается с некоторым запасом, эксплуатация под электрической нагрузкой, превышающей номинальное напряжение, резко снижает надежность конденсаторов.
Превышение допустимой переменной составляющей напряжения может вызвать нарушения теплового равновесия в конденсаторе, приводящего к термическому разрушению диэлектрика. Развитие этого явления обусловлено тем, что активная проводимость диэлектрика возрастет с повышением температуры.
Наиболее устойчивы к воздействию электрических эксплуатационных нагрузок и стабильны защищенные керамические конденсаторы типа 1. Среди оксидных конденсаторов наиболее стабильны оксидно-полупроводниковые герметизированные конденсаторы. Низкая стабильность электролитических оксидных конденсаторов объясняется наличием в них жидкого или пастообразного электролита, сопротивление которого в большей степени зависит от температуры окружающей среды, чем у оксидно-полупроводниковых конденсаторов. Длительное воздействие электрической нагрузки, особенно при повышенных температурах, вызывает испарение летучих фракций электролита, что еще больше повышает сопротивление электролита и резко ухудшает температурную и частотную зависимости емкости и тангенса угла потерь. Наиболее интенсивно этот процесс протекает у алюминиевых конденсаторов малых габаритов с электролитом на основе диметилформамида.
При длительной эксплуатации под электрической нагрузкой некоторых типов танталовых электролитических конденсаторов возможно снижение емкости за счет пассивации катода, а также возникновение отказов, связанных с разрушением серебряного корпуса и вытеканием вследствие этого электролита. Повышение амплитуды переменной составляющей напряжения ускоряет этот процесс. Новые типы конденсаторов с танталовым корпусом лишены этого недостатка и имеют повышенную стабильность параметров и более высокую долговечность.
Частотные свойства и особенности их работы в импульсных режимах
При выборе конденсаторов для работы в цепях переменного или пульсирующего тока необходимо учитывать их частотные свойства, определяемые рядом конструктивных факторов: типом диэлектрика, значениями индуктивности и эквивалентного последовательного сопротивления, конструкцией и др. Работоспособность конденсаторов при переменном напряжении ограничивают в основном следующие факторы:
тепловыделение, пропорциональное средней мощности, которое может резко возрастать при превышении допустимых режимов эксплуатации и создавать условия для теплового пробоя конденсатора;
напряженность электрического поля, воздействующего на диэлектрик конденсатора и вызывающего его электрическое старение;
ток, протекающий через конденсатор, при большой плотности которого возможны локальный перегрев и разрушение контактных узлов, выгорание металлизированных обкладок и т.п.;
температура окружающей среды.
Наиболее высокими частотными свойствами обладают керамические конденсаторы типа 1, слюдяные и конденсаторы из неполярных пленок (полистирольные, полипропиленовые и др.).
В связи с тем что с повышением частоты растут потери энергии в конденсаторе, для сохранения теплового баланса в конденсаторе и исключения возможности возникновения пробоя с повышением частоты необходимо снижать амплитуду переменной составляющей.
У керамических и слюдяных конденсаторов допустимая величина переменной составляющей напряжения определяется исходя из допустимой реактивной мощности.
У ряда групп конденсаторов с повышением частоты может заметно снижаться эффективная емкость. Уменьшение емкости с ростом частоты происходит как за счет снижения диэлектрической проницаемости диэлектрика, так и за счет увеличения эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС).
ЭПС обусловлено потерями в конденсаторе - в диэлектрике, в металлических частях, в переходных контактных сопротивлениях, в электролите (у оксидных конденсаторов). В обычных конденсаторах ЭПС достаточно мало (доли ома) и снижение емкости с частотой можно заметить лишь в области высоких частот. Наиболее сильная зависимость емкости от частоты имеет место у оксидных конденсаторов (особенно с жидким электролитом) из-за большого удельного сопротивления электролита и его зависимости от частоты. Для этих конденсаторов снижение емкости с частотой наблюдается, начиная с сотен герц.
В импульсных режимах могут быть использованы конденсаторы, специально сконструированные для этих целей и общего применения. Однако в любом случае при выборе конденсаторов должны быть учтены особенности их работы при импульсных нагрузках. Учет особенностей должен производиться с двух сторон: способен ли конденсатор данного типа обеспечить формирование или передачу импульса не является ли такой режим разрушающим для конденсатора.
Существенное влияние на форму импульса, а также на коэффициент полезного действия устройства, в котором установлен конденсатор, могут оказывать потери энергии в диэлектрике и арматуре конденсатора. Поэтому при выборе конденсаторов для импульсных режимов следует учитывать их температурно-частотные зависимости емкости, тангенса угла потерь и полного сопротивления. Для решения вопроса о том, не является ли данный импульсный режим разрушающим для конденсаторов, необходимо учитывать явления, связанные с нагревом конденсатора за счет импульсных токов, с ионизационным старением диэлектриков и пр. Указанные явления могут привести к нарушению электрической прочности конденсатора и выходу его из строя. Поэтому допустимая импульсная нагрузка, на конденсаторе определяется исходя из следующих параметров импульсного режима: значений положительных и отрицательных пиков напряжения и тока, размаха переменного напряжения на конденсаторе, длительности нарастания и спада напряжения, периода и частоты следования импульсов, наличия постоянной составляющей.
Выбор конкретных допустимых импульсных нагрузок конденсаторов производится по номограммам, приведенным в нормативной документации, исходя из параметров импульсного режима.
При применении полярных конденсаторов с оксидным диэлектриком в импульсных режимах и при пульсирующем напряжении необходимо учитывать, что постоянная составляющая напряжения должна иметь значение, исключающее возможность появления на конденсаторе напряжения обратной полярности, а сумма постоянного и амплитуды переменного или импульсного напряжения не должна превышать номинального напряжения.
Конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники.
Конденсаторы (совместно с катушками индуктивности и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т.п. .
При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах с оптической накачкой, генераторах Маркса, (ГИН; ГИТ), генераторах Кокрофта-Уолтона и т.п.
Так как конденсатор способен длительное время сохранять заряд, то его можно использовать в качестве элемента памяти или устройства хранения электрической энергии.
В промышленной электротехнике конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности и в фильтрах высших гармоник.
Как датчики малых перемещений: малое изменение расстояния между обкладками очень заметно сказывается на ёмкости конденсатора.
В схемах РЗиА конденсаторы используются для реализации логики работы некоторых защит. В частности, в схеме работы АПВ использование конденсатора позволяет обеспечить требуемую кратность срабатывания защиты.
Подобные документы
Подбор нормализованного конденсатора для конденсации пара. Определение тепловой нагрузки, среднего температурного напора и скорости движения воды в трубах. Расчет теплофизических свойств вертикального и горизонтального кожухотрубчатых конденсаторов.
контрольная работа , добавлен 16.04.2016
Характеристика технологии изготовления конденсаторов переменной емкости. Описание обязанностей контролера качества конденсаторов, который принимает участие в изучении причин возникновения производственных дефектов готовой продукции. Техника безопасности.
курсовая работа , добавлен 12.06.2011
Монтаж трубопроводов, проектно-техническая документация: технологические схемы, монтажные чертежи, спецификации труб, запорно-регулирующей арматуры; подготовительные работы. Ремонт конденсаторов, порядок операций после подготовки отключенного аппарата.
реферат , добавлен 23.06.2011
Методы экспериментального исследования теплообмена при конденсации, теплопередача в каналах пластинчатого конденсатора. Расчет площади поверхности теплопередачи и количества пластин пластинчатого конденсатора. Гомогенная структура двухфазного потока.
дипломная работа , добавлен 07.11.2011
Классификация, маркировка, состав, структура, свойства и применение алюминия, меди и их сплавов. Диаграммы состояния конструкционных материалов. Физико-механические свойства и применение пластических масс, сравнение металлических и полимерных материалов.
учебное пособие , добавлен 13.11.2013
Физико-механические свойства каучуков. Классификация резин, маркировка, ее хранение и применение. Ингредиенты, добавляемые при производстве резины и их влияние на свойства резины. Способы переработки, складирование, утилизация и захоронение отходов.
курсовая работа , добавлен 04.12.2012
Теоретические основы процесса теплообмена. Описание технологической схемы двухкаскадной холодильной установки. Особенности устройства испарителя-конденсатора, физико-механические и технологические свойства конструкционных материалов данного аппарата.
курсовая работа , добавлен 29.03.2012
Классификация и маркировка сталей, чугунов, цветных, твердых сплавов и композиционных материалов. Анализ конструкции и технология производства механической пружины. Особенности работы упругих элементов. Рессорно-пружинные и теплоустойчивые стали.
курсовая работа , добавлен 13.01.2011
Назначение детали, ее материал – химический состав, физико-механические характеристики, технологические свойства, конструктивные особенности и оценка технологичности. Выбор и расчет технологической операции, станочное приспособление и его наладка.
курсовая работа , добавлен 07.06.2012
Понятие и назначение часов, особенности их устройства. Классификация и разновидности часов: солнечные, огневые, водяные, песочные, механические, электрические, кварцевые, атомные, электронно-механические наручные. Функциональные особенности данных часов.
