Конденсаторы. 
Электрические и электронные аппараты

Характеристики конденсаторов

Конденсатор — устройство, способное накапливать и отдавать большие порции электрической энергии. Электротехнический конденсатор обычно выполняется на основе токопроводящих элементов (например, металлических пластин), разделенных диэлектриком. При воздействии электрического ноля на диэлектрик в нем происходит смещение связанных электрических зарядов (электронов, ионов и более крупных заряженных частиц) в соответствии с направлением потока вектора напряженности электрического поля. В результате возникает индуцированная поляризация диэлектрика, при которой центры масс положительных и отрицательных зарядов смещаются в противоположных направлениях.

На рис. 11.10 приведена упрощенная структура распределения зарядов в плоском конденсаторе. При отсутствии диэлектрика между обкладками конденсатора, т. е. в вакууме, при допущении однородности электрического поля в конденсаторе, заряд на каждой из пластин Qq можно выразить соотношением

где U — напряжение внешнего источника; S — площадь поверхности каждой из пластин; d — расстояние между пластинами; г₀ — электрическая постоянная, характеризующая электрические свойства вакуума.

При отсутствии диэлектрика емкость конденсатора С₀ = Qq/U. При введении между пластинами диэлектрика в результате поляризации на его поверхности возникнет электрический заряд, зависящий от типа диэлектрика. Этот заряд создает поле с электрической напряженностью Е_а, направленное встречно внешнему полю ?₀, что приведет к уменьшению напряженности внутри диэлектрика

где Eq = U/d — напряженность поля в вакууме.

Рис. 11.10. Упрощенная структура распределения зарядов в плоском конденсаторе.

Вследствие изменения напряженности поля заряд на обкладках конденсатора увеличится

где г,. — относительная электрическая проницаемость, учитывающая наличие диэлектрика (е,. >1).

Из формулы (11.14) следует, что емкость конденсатора увеличится и станет равной.

Коэффициент? = ?,.е₀ связывает векторы напряженности Е и электрической индукции D известным соотношением.

Энергия, накопленная в конденсаторе, также возрастет в г_г раз, от C₀U²/2 до CU'²/2. Из рассмотренного примера следует, что, используя диэлектрики с высокими значениями г_г можно существенно увеличивать емкость конденсатора без изменения его геометрических размеров.

В зависимости от требований к конденсатору, области его использования, особенностей производства и других факторов на практике применяют различные диэлектрические материалы. Диэлектрики подразделяют на неполярные, имеющие электрические нейтральные молекулы, и полярные, ионные и сегнетодиэлектрики (см. работу [41).

Тангенс угла потерь при синусоидальном напряжении определяется как отношение активной Р и реактивной Q мощностей конденсатора, т. е.

Тангенс угла потерь может быть также выражен через параметры простейших эквивалентных схем замещения (рис. 11.11):

где ш — угловая частота приложенного к конденсатору напряжения; С_э, R₃ — емкостная и резистивная составляющие согласно схеме замещения на рис. 11.11, а; С₃, R₃ — емкостная и резистивная составляющие согласно схеме замещения на рис. 11.11, б.

Рис. 11.11. Упрощенные схемы замещения конденсаторов:

а — последовательная; б — параллельная При выборе типа конденсатора необходимо учитывать большое число различных факторов: режим работы, форму и частоты воздействующих токов и напряжений, конструктивное расположение и условия охлаждения, общий ресурс работы, надежность и многие другие факторы.

Длительность эксплуатации конденсаторов необходимо учитывать при их выборе, так как их характеристики могут значительно изменяться со временем. Например, отдельные типы конденсаторов могут изменять емкость на 30% первоначального значения. Также со временем могут значительно изменяться tg5 и сопротивление изоляции конденсатора, которое определяет сквозной ток утечки.

Электронные аппараты является областью, в которой условия работы конденсаторов наиболее многообразны и специфичны. В общем виде целесообразно по условиям работы выделить неполярные конденсаторы переменного тока и фильтровые конденсаторы для цепей постоянного тока с низким уровнем пульсаций. Первая группа конденсаторов работает при воздействии переменных и импульсных напряжений различной формы. При этом не исключается наличие постоянной составляющей в напряжении, соизмеримой с амплитудой пульсаций. Эти конденсаторы не имеют разнополярных выводов, т. е. не критичны к полярности воздействующего напряжения. К другой группе обычно относят униполярные конденсаторы, например электролитические конденсаторы с оксидным диэлектриком. Эта группа конденсаторов характеризуется высокими значениями емкости и удельными энергетическими показателями на единицу объема. Работа с переменным напряжением на обкладках этой группы конденсаторов недопустима.